РОСТОВІ ПРОЦЕСИ У РОСЛИН КУКУРУДЗИ ТА ЗМІНИ У ФІТОГОРМОНАЛЬНОМУ КОМПЛЕКСІ ЗА ДІЇ НЕСПРИЯТЛИВИХ ТЕМПЕРАТУР
Львівський національний університет імені Івана Франка
вул. Грушевського, 4, 79005, Львів, Україна. e -mail: biofr@franko.lviv.ua©
Одним із найважливіших некерованих лімітуючих факторів довкілля є температура, яка визначає ріст, розвиток і географічне поширення рослин. Досліджено, що температурні стреси (різке зменшення або збільшення від оптимальних температур) змінюють енергообмін клітин, пошкоджують мембрани, порушують метаболічні процеси, зокрема знижують синтез основних білків, проте з¢являються специфічні стресові білки, токсичні речовини та відбуваються інші зміни, які призводять до формування стійкості рослинних клітин або до їхньої загибелі [4, 5, 7, 10, 21, 22]. Виявлені значні зміни вмісту ендогенних фітогормонів, зокрема АБК, ІОК та цитокінінів [3, 8, 18]. Вплив низько- і високотемпературного стресу різної тривалості на фітогормональний комплекс у рослин кукурудзи маловивчений. Актуальним є пошук протекторних речовин для усунення негативної дії несприятливих температур. З цією метою випробовували нові українські регулятори росту рослин [14, 19].
Об¢єктом наших досліджень були проростки кукурудзи сорту Закарпатська жовта зубоподібна. Насіння пророщували в затемненому термостаті при +27°С. Дводобові проростки з довжиною коренів 2-3 см переносили в умови гіпотермії (+8°С), які створювали в холодильній камері, та гіпертермії (+42°С) – в повітряному термостаті і витримували протягом 2, 4, 24 і 48 год. Біологічну активність фітогормонів визначали методом біотестування в меристемах коренів проростків кукурудзи після 24-годинної експозиції їх при несприятливих температурах за методикою Кефели та ін. [8]. Біотестом були колеоптилі пшениці сорту Миронівська 808 для АБК та ІОК і сім’ядолей огірка сорту Далекосхідний для цитокінінів [15]. Для захисту рослин від температурних стресів застосовували такі регулятори: фітогормон АБК (10-6М), синтетичний аналог фітогормону цитокініну – 6-БАП (10-11М) – і нові синтетичні регулятори росту – івін (10-11М), емістим C (1:107), агростимулін (1:107) та зеастимулін (1:103). Оптимальні концентрації регуляторів росту, які використовували для досліджень, були відібрані на підставі попередніх досліджень, виконаних на кафедрі фізіології та екології рослин [16, 17, 20].
На підставі вивчення впливу екстремальних температур та ряду регуляторів росту на ріст інтактних рослин кукурудзи отримали такі результати (табл. 1, 2).
Варіанти | Довжина коренів | Висота пагонів | ||||
+27°С | +8°С | +27°С | ||||
мм | % до контр. | мм | % до контр. | мм | % до контр. | |
Контроль (Н2О) | 79,0 ± 2,3 | 100 | 35,7 ± 2,6 | 100 | 61,5 ± 3,1 | 100 |
АБК, 10-6М | 88,5 ± 3,6 | 112,0 | 33,5 ± 4,0 | 93,8 | 50,2 ± 3,1 | 81,6 |
6-БАП, 10-11М | 82,2 ± 3,8 | 104,0 | 39,3 ± 2,4 | 110,1 | 63,9 ± 2,0 | 103,9 |
Івін, 10-11М | 80,3 ± 2,0 | 101,6 | 30,4 ± 1,7 | 88,2 | 72,6 ± 1,9 | 118,0 |
Емістим С, 1:107 | 94,2 ± 4,1 | 119,2 | 35,9 ± 5,2 | 100,5 | 69,5 ± 3,7 | 113,0 |
Агростимулін, 1:107 | 89,5 ± 5,3 | 113,3 | 34,0 ± 3,5 | 95,2 | 62,6 ± 4,0 | 101,8 |
Як бачимо з даних табл. 1, низька температура (+8°С) сповільнює ріст проростків кукурудзи. Пагони в цих умовах узагалі не утворюються, а ріст коренів суттєво інгібується, довжина їх у 2,2 раза менша, ніж у контрольних рослин. Найбільше гальмування росту коренів виявлено за дії івіну (88,2% від контролю), а під впливом емістиму C ріст їх відбувається на рівні контролю. У зв’язку з цим слід зазначити, що за даними Романюк та інших, [16] досліджувані регулятори мають різну фізіологічну активність. За допомогою специфічних і високочутливих біотестів у івіну виявлено ауксинову активність; у емістиму С – цитокінінову, яка зумовлена наявністю в його складі зеатину та зеатин-рибозиду. Агростимулін поєднує фізіологічну активність своїх компонентів (ауксинову івіну та цитокінін-подібну емістиму С).
Отож, інгібування росту коренів під впливом івіну, що простежувалось у наших дослідженнях, зумовлено, напевно, супероптимальною концентрацією препарату, якому властива ауксинова активність, а корені, як відомо, негативно реагують на високі концентрації ауксину. Щодо стимулювальної дії емістиму С на ріст коренів і пагонів проростків кукурудзи в умовах оптимальної температури (+27°С), то вона зумовлена унікальним комплексом природних речовин гормональної і негормональної природи, які містяться в цьому препараті. Проте в умовах гіпотермії з усіх використаних нами регуляторів тільки 6-БАП має здатність усувати негативний вплив низької температури на ріст коренів. Наведені в табл. 1 результати свідчать, що за дії 6-БАП довжина коренів перевищує на 10,1% контрольні рослини. Це пов’язано, очевидно, зі здатністю 6-БАП підвищувати мітотичну активність кореневих меристем [1, 6, 17].
З метою вивчення дії гіпертермії на ріст проростків кукурудзи, використовували, крім 6-БАП, зеастимулін, який зареєстрований Укрдержкомісією як регулятор росту рослин кукурудзи. На підставі виконаних досліджень виявили, що високотемпературний стрес спричиняє сповільнення росту органів проростка. Зокрема, найменше страждають рослини, які зазнали 2-годинної дії теплового шоку, а після 48-годинного стресу вони майже припиняють ріст. У табл. 2 наведені дані середнього добового приросту довжини коренів і висоти пагонів проростків кукурудзи після теплового шоку, які свідчать про залежність ростової активності від тривалості термічного шоку. Більш чутливими виявились корені, у яких після 24-годинного теплового шоку добовий приріст становив усього 27 %, тоді як у пагонів – 69,5% щодо контролю.
Таблиця 2
Середній добовий приріст коренів і пагонів проростків кукурудзи після
теплового шоку
Варіанти | Корінь | Пагін | ||
мм | % до контр. | мм | % до контр. | |
Контроль Н2О, +27°С | 9,6 ± 1,7 | 100 | 4,6 ± 1,4 | 100 |
+42°С, 2 год | 7,4 ± 1,5 | 77,1 | 4,2 ± 1,3 | 91,3 |
+42°С, 4 год | 4,4 ± 1,4 | 45,8 | 4,0 ± 1,3 | 86,9 |
+42°С, 24 год | 2,6 ± 1,5 | 27,0 | 3,2 ± 1,5 | 69,5 |
6-БАП, +27°С, 24 год | 16,0 ± 2,3 | 166,6 | 8,6 ± 2,4 | 186,9 |
6-БАП, +42°С, 24 год | 9,8 ± 2,0 | 102,0 | 4,7 ± 1,3 | 102,2 |
ЗС, +27°С, 24 год | 25,2 ± 3,2 | 262,5 | 5,5 ± 2,2 | 121,0 |
ЗС, +42°С, 24 год | 12,4 ± 1,8 | 129,2 | 4,9 ± 1,8 | 106,5 |
В оптимальних температурних умовах 6-БАП і зеастимулін збільшують добовий приріст довжин осьових органів проростка, а за умов гіпертермії тривалістю 24 год усувають негативну дію теплового шоку.
Отже, 6-БАП і зеастимулін відіграють протекторну роль і сприяють запуску репараційних процесів у післястресовий період.
Відомо, що у реакції рослин на різні екстремальні фактори довкілля важливу роль відіграє ендогенна фітогормональна система. Тому ми визначали біологічну активність фітогормонів (цитокінінів, ІОК та АБК) у найчутливішій частині коренів – апікальній меристемі. Результати наших досліджень свідчать, що 24-годинна дія низькотемпературного шоку спричиняє суттєве зростання біологічної активності цитокінінів в усіх зонах Rf, проте найбільше – у зоні з Rf 0,3-0,5 та 0,7-0,9, що відповідає за значенням Rf свідка відповідно до зеатинрибозиду і зеатину. Виявлено, що середня активність зони зеатину при температурі +8°С становить 95 ± 9 %, тоді як при оптимальній температурі – 61 ± 7 %, тобто зростає в 1,6 раза, а зеатинрибозиду – відповідно 117 ± 8 % і 48 ± 6 %, що у 2,4 раза перевищує рівень у контрольних рослин.
Окрім цього, виявлено ще одну зону з високою цитокініновою активністю, яка перевищує на 38% відповідну зону у контрольних рослин, а саме з Rf 0,1-0,2, де розташовані малорухомі зв’язані форми цитокінінів, ймовірно О-глюкозиди. Веденичева і Мусатенко [2] вважають, що О-глюкозиди, на відміну від інших кон’югованих форм цитокінінів, є активними в біотестах, що пов’язують з їх легким перетворенням у вільні форми.
В умовах високої температури (+42°С) простежується підвищення активності всіх форм цитокінінів у 1,6 раза. А поєднання дії гіпертермії і зеастимуліну призводить до суперпродукції цитокінінів та підвищення їхньої активності. Зокрема, в зоні зеатину середня активність становить 135 ± 9 %, а в зоні зеатинрибозиду – 112 ± 10 % , що перевищує контроль (+27°С) відповідно у 2,3 і 2,1 раза.
Дослідження біологічної активності АБК у клітинах меристем коренів кукурудзи виявили наявність інгібіторів росту різної інгібіторної сили. Досліджено, що гіпо- і гіпертермія протягом 24 год призводять до зростання загальної інгібуючої активності в усіх зонах хроматограм, але найбільше в зонах з АБК (Rf 0,3 - 0,5) – в 1,7-1,8 раза. Крім того, з’являється інгібуюча активність у зонах з Rf 0,1-0,2 та 0,9-1,0, яка зумовлена неідентифікованими фенольними сполуками. Виявлено різке зниження активності ІОК, яка розташована в зоні з Rf 0,7-0,8 і становить усього 10 ± 5 %, тоді як при оптимальній температурі – 47 ± 8 %, тобто зменшується у 4,7 раза.
Підсумовуючи наші результати стосовно біологічної активності фітогормонів за дії несприятливих температур, зазначимо, що змін зазнали всі досліджувані гормони – цитокініни, ІОК і АБК. Зростання активності АБК зумовлює, напевно, інгібування ростових процесів при екстремальних температурах. Водночас суттєве підвищення біологічної активності цитокінінів слід пов’язувати із захистом збагачених ними тканин від шокової ситуації та запуском репараційних процесів. При цьому низько- і високотемпературний стрес супроводжується більшою (понад два рази) активністю вільної, фізіологічно активної форми цитокінінів – зеатину. Підтвердженням важливості саме зеатину є його висока біологічна активність за дії довготривалої гіпертермії і зеастимуліну, який сприяв запуску репараційних процесів. Щодо зеатинрибозиду, активність якого також зростає при несприятливих температурах, то є припущення, що він відіграє роль транспортної форми цих гормонів у рослині.
Отже, зміна активності фітогормонів у рослин є важливою ланкою у механізмі швидкої дистанційної сигналізації на стрес. Згідно з уявленнями про переключення метаболізму у процесі входу рослин у стрес і виходу з нього [3] можна припустити, що такі переключення відбуваються за допомогою фітогормонів, для яких виявлена здатність регуляторної дії в умовах стресу на геном рослин [11, 12, 13]. При цьому відповідні включення виконують, ймовірно, ті гормони, вміст яких збільшується у відповідний період стресорної реакції.
Інтерпретація наших даних з цих позицій дає змогу припустити, що АБК і ІОК відіграють вирішальну роль у включенні рослин у стресорний стан, а цитокініни – у зворотному переключенні у нормальний режим. Механізм захисної дії цитокінінів ще остаточно не досліджений. Вважають, що він реалізується завдяки впливу на мембрани і на генетичний апарат рослинних клітин (Кулаева, 1995), зокрема на синтез стресорних білків, які необхідні клітинам для перенесення несприятливих умов і повернення метаболізму до норми. Отже, адаптативні можливості рослин, толерантність до низьких і високих температур значною мірою залежать від фітогормонального комплексу.
___________________
1. Блохин В.Г. Концентрационная зависимость влияния 6-бензиламинопурина на рост растений разных видов // Физиол. растений. 1986. Т. 33. №6. С.1084-1089.
2. Веденичева Н.П.. Мусатенко Л.И. Цитокинины в семенах при созревании и проростании // Физиол. и биохим. культурных растений. 1990. Т. 22. №4. С.327-335.
3. Веселова Т.В., Веселовский В.А., Чернавский Д.С. Стресс у растений. (Биофизический подход). М., 1993.
4. Войников В.К. Реакция генома клетки на температурный стресс // Рост и устойчивость растений. Новосибирск, 1988. С.154-163.
5. Войников В.К., Боровский Г.Б. Роль стрессовых белков в клетках при гипотермии // Усп. совр. биол. 1994. Т.114. №1. С.85-95.
6. Гудков И.Н. Действие фитогормонов на продолжительность митотического цикла в клетках меристем // Регуляция клеточного цикла растений. К., 1985. С. 6-25.
7. Жмурко В.В., Джамеев В.Ю. Дегидрогеназная активность и содержание растворимого белка в корешках проростков сои (Glicine max L.) при оптимальной и пониженной температурах // Физил. и биохим. культурных растений. 1999. Т.31. №4. С. 308-313.
8. Кефели В.И., Коф Э.М., Власов П.В., Кислин Е.Н. Природный ингибитор роста – абсцизовая кислота. М., 1989. С. 6-31.
9. Косаківська І.В., Майдебура О.В. Акумуляція абсцизової кислоти проростками Triticum aestivum L., як відповідь на водний, температурний та алелопатичний стреси // Укр. ботан. журн. 1994. Т. 51. №4. С. 88-93.
10. Кравец В.С. Развитие представлений об адаптации растений к низким температурам // Физиол. и биохим. культурных растений. 1996. Т.28. №3. С.167-182.
11. Кулаева О.Н. Восприятие и преобразование гормонального сигнала у растений. Анализ проблемы и введение к публикации материалов международного симпозиума «Восприятие и трансдукция гормональных сигналов у растений» // Физиол. растений 1995. Т.42. С. 661-671.
12. Кулаева О.Н. Гормональная регуляция физиологических процессов у растений на уровне синтеза РНК и белка. М., 1982.
13. Муромцев Г.С., Данилина Е.Э. Эндогенные химические сигналы растений и животных. Сравнительный анализ // Успехи совр. биохимии. 1996. Т.116. С. 533-550.
14. Пономаренко С.П. Українські регулятори росту рослин / Елементи регуляції в рослинництві: Зб. наук. праць К. 1998. С.10-16.
15. Процко Р.Ф., Варшавская В.Б. Визначення цитокінінів на ізольованих сім¢ядолях огірка // Укр. ботан. журн. 1977. Т. 43. № 6. С. 644-645.
16. Романюк Н.Д., Терек О.І., Троян В.М., та ін., Дослідження фізіологічної активності регуляторів росту – івіну, емістиму й агростимуліну // Вісн. Львів. ун-ту Сер. біол. 1997. Вип.24. С. 39-45.
17. Сех О.К., Троян В.М., Терек К.В., та ін. Біологічна активність цитокінінів і синтез білків у меристемах коренів кукурудзи в умовах гіпотермії // Вісн. Львів. ун-ту Сер. біол. 1997. Вип.24. С.33-38.
18. Теплова И.Р., Митриченко А.Н., Фархутдинов Р.Г. Влияние высокой температуры на содержание АБК и цитокининов и некоторые показатели водного обмена у проростков пшеницы // Тез. докл. V междунар. конф. “Регуляторы роста и развития растений”. М., 1999. С. 67-68.
19. Терек О.І., Романюк Н.Д. Ріст рослин та використання регуляторів росту в сільському господарстві // Сільський господар. 1999. №1. С. 6-7.
20. Цвілинюк О.М., Терек О.І. Вплив фізіологічно активних речовин на утворення потовщень в коренях кукурудзи // Доп. НАН України. 1996. №2. С. 140-142.
21. Guy C.L. Cold acclimation and freezing stress tolerance: role of protein metabolism // Ann. Rev. Plant Physiol. and Plant Mol.Biol. 1990. Vol. 41. P. 187-223.
22. Levitt J. Responses of plants to environmental stress: chilling, freezing and high temperature stress. New York, 1980.