Динамика содержания ионов в растениях риса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Проблема засоленных земель занимает одно из первых мест среди неблагоприятных факторов внешней среды, оказывающих отрицательное действие на возделывание сельскохозяйственных культур. Избыток водорастворимых солей в почве вызывает изреживание всходов, тормозит рост и развитие растений, резко снижая их зерновую продуктивность.

На засоленных почвах негативное действие засоления на растения проявляется в недостаточном потреблении питательных элементов, что может вызываться как антагонистическим действием Na⁺ на поглощение других катионов (K⁺, NH₄⁺), так и недостаточным развитием корневой системы, вследствие ингибирования ее роста, а также ухудшением физико-химических свойств почвы [16]. Однако эти проявления вторичны и приводят к меньшему отрицательному эффекту, нежели, прямое токсическое действие поглощенного растениями Na⁺.

При изучении проблемы солеустойчивости основное внимание уделяется поглощению и транспорту иона натрия, поскольку было показано, что именно его специфическое токсическое действие приводит к негативным для растений последствиям, тогда как Cl-, являясь относительно инертным анионом, может накапливаться в тканях растений в больших количествах не вызывая видимых повреждений [9, 12].

Неоднократно сообщалось, что увеличение содержания кальция в питательном растворе и тканях растений способствует повышению их солеустойчивости, как за счет изменения конформационного состояния мембран клеток корня и, следовательно, снижения поглощения Na⁺ корневой системой, при одновременном стимулировании накопления калия, так и за счет прямого действия этого иона на метаболические процессы [10, 14].

Поскольку большинство исследований, касающихся проблемы солеустойчивости риса проводилось в краткосрочных опытах на небольшом наборе сортов, контрастных по устойчивости к NaCl, представляло интерес изучить динамику накопления и распределение по органам растений риса (Oryza sativa L.) ионов калия, натрия и кальция в онтогенезе в условиях хлоридного засоления. рис ион лист онтогенез

Материал и методы исследований.

Объект исследования - 12 сортов риса различной солеустойчивости (Курчанка, Спальчик, Соната, Лиман, Рапан, Хазар, Гамма, Сонет, ВНИИР 8622, ВНИИР 8029/2, ВНИИР 8157, ВНИИР 8150). Растения выращивали на вегетационной площадке в сосудах, вмещающих 8 кг почвы (рисовая лугово-черноземная). Почва засолялась искусственно, из расчета 0,25 % NaCl на сухую ее массу до посева, минерализация поливной воды поддерживалась на уровне 0,25 % (4,7 мСм/см) с фазы 3 листьев в течение всего вегетационного периода. В контрольных вариантах почва и вода оставались незасоленными. Удобрения (N - 27,5; P - 18,3; K - 4,3 мг д.в./100 г. почвы) вносились полной дозой при закладке опыта. Повторность - шестикратная. Содержание натрия, калия и кальция в органах растений риса определяли методом мокрого озоления по В.Т. Куркаеву с последующим измерением на пламенном фотометре PFP 7 (BUCK Scientific, США) в фазы кущения (6 листьев), трубкования (10 листьев), цветения и молочно-восковой спелости зерна (МВС) [3]. В эти же фазы проводили биометрический анализ растений. Полученные данные обрабатывали методами биометрической статистически в программе MS Excel.

Результаты и их обсуждение.

В условиях засоления у риса транспорт натрия и хлора в стебли слабо регулируется растением, и концентрация засоляющих ионов повышается в зависимости от времени воздействия стресса и уровня засоления, а также интенсивности транспирации, быстро превышая необходимую для осморегуляции величину [7, 11]. Проникающие в ткани растений ионы солей нарушают метаболизм в клетках и отдельные из образующихся при этом промежуточных продуктов обмена способны отравлять ткани, усугубляя токсическое влияние самих солей [5].

Степень повреждений, вызванных избыточным накоплением засоляющих ионов в растении, определяется их распределением между органами (корнем, стеблем и листьями) на тканевом и клеточном уровне [19]. Неравномерное накопление ионов в разных органах растений указывает на то, что вредное влияние солей может быть ограничено определенными органами или тканями, не приводя к нарушению общих процессов жизнедеятельности [2]. Как правило, транспорт засоляющих ионов в листья контролируется растением и не приводит к значительному накоплению в них натрия.

Содержание Na+ в листьях растений риса на пресном фоне изменялось в небольших пределах: от 0,03 до 0,13%, однако наблюдались достоверные различия между накоплением натрия в стареющих и молодых листьях. Содержание натрия в молодых листьях в каждую фазу было заметно ниже. Растения для анализа отбирались в возрасте 6, 10 листьев и в цветение, при этом содержание Na+ в верхнем, закончившем рост, листе составило 0,08% (6 лист), 0,07% (10 лист) и 0,03% (флаг). То есть даже на пресном фоне растение ограничивает поступление этого иона в активно функционирующие органы в период генеративного развития.

Накопление натрия на засоленном фоне также заметно снижалось с повышением яруса листьев, и было в 1,3-2,7 раза выше, чем на пресном контроле в молодых листьях (6 и 10 лист) и в 6-7,6 раза выше - в стареющих. Максимальное содержание этого иона отмечено в 4 листе - 0,95% и 7 листе - 0,54%, т.к. ко времени отбора (в 6 и 10 листьев) листья этих ярусов уже начинали отмирать. Одним из путей предупреждения избыточного накопления натрия в цитоплазме клеток является его избирательное поглощение корнями и активное отведение и компартментация поглощенного натрия в апопласте или вакуолях клеток стебля, для снижения дальнейшего передвижения Na⁺ в листья верхних ярусов и метелки [8, 13, 20]. Полученные данные наглядно показывают, что существующие механизмы эффективно предотвращают поступление и накопление засоляющих ионов в молодых листьях, поскольку как известно обратный транспорт Na⁺ через флоэму в стебли и корни у риса ограничен. Содержание натрия в верхних двух листьях (флаг и предфлаг) при данном уровне засоления достоверно не отличалось от пресного контроля. Принимая во внимание слабую вакуолизацию молодых клеток, не позволяющую растению локализовать в вакуолях избыток солей, можно заключить, что и в цитозоле клеток молодых, активно функционирующих листьев риса, не происходит чрезмерного накопления Na⁺.

Калий выполняет ряд важных функций в клетке, являясь активатором более 50 ферментов, увеличивает вязкость цитоплазмы, тем самым повышая ее оводненность [15]. В условиях засоления Na⁺ конкурирует с К⁺ при поглощении и передвижении по общей транспортной системе растения, поскольку по свойствам он близок к калию, а концентрация его в почвенном растворе в данном случае, как правило, выше. При этом поглощение Na⁺ происходит как через К⁺-селективные каналы, имеющие высокое сродство с калием, так и через неселективные катионные каналы, что в свою очередь приводит к значительному повышению содержания Na⁺ в цитозоле клеток и увеличению отношения Na⁺/К⁺, обуславливая метаболическую токсичность натрия [6].

Максимальное содержание К⁺ отмечено в верхнем ярусе листьев (6 лист) в фазу кущения, причем как на пресном контроле (3,86%), так и при засолении (3,14%). В дальнейшем накопление калия снижалось с увеличением яруса листа, что, видимо, связано с перераспределением этого иона в стремительно развивающиеся генеративные органы, а также уменьшением его активного поглощения стареющей корневой системой. Этим же объясняется значительное снижение содержания К⁺ в зрелых и, особенно, стареющих листьях растений засоленного фона. Тем более что калий очень лабилен, не связывается прочно в тканях и клетках, и поэтому растению необходимо постоянно пополнять его запасы, активно потребляя из почвы. Недостаточное поглощение К⁺ в стрессовых условиях проявилось в резком снижении его содержания в листьях нижних ярусов, тогда как во флаговых листьях оно оставалось на уровне контроля.

Анализ полученных данных не выявил связи между накоплением К⁺ и Na⁺ в листьях растений риса, однако содержание калия в цитоплазме клеток было тесно связано с их оводненностью. Причем более сильная связь обнаружена у растений пресного контроля (r=0,94) и заметно ниже у растений в условиях засоления (r = 0,58). В фазу кущения (4, 5 лист) содержание воды в листьях растений засоленного фона оставалось на уровне контроля и было достоверно ниже во всех последующих ярусах, что не могло не сказаться на их метаболической активности. При этом в фазы трубкования и цветения оводненность тканей листа снижалась от нижнего яруса к верхнему у растений контрольного и стрессового фонов.

Не было также обнаружено связи между содержанием в листьях кальция и поступлением в них натрия, несмотря на способность Ca²⁺ изменять конформационное состояние мембран и ингибировать работу неселективных ионных каналов. При этом наибольшее содержание кальция отмечалось в стареющих и зрелых листьях: до 1,43% на пресном контроле и 1,06% - при засолении, а с повышением яруса листьев накопление в них этого иона уменьшалось. В молодых листьях не отмечено достоверных различий по содержанию Ca²⁺ между растениями пресного контроля и засоленного фона.

По мнению некоторых исследователей, концентрация натрия в стебле у риса является своего рода индикаторным признаком, характеризующим проницаемость мембран корней для этого иона и его последующий транспорт из корней в стебли [18]. Величина накопления Na⁺ в стеблях, помимо избирательного поглощения солей, в значительной степени обуславливается интенсивностью транспирационного тока и скоростью апопластного транспорта в растениях. Однако Ядав, Флауэрс и Ио (1996) показали, что различия в транспорте натрия в растениях риса значительно выше, той величины, которую можно объяснить различиями в интенсивности роста и эффективности использования воды растениями.

Как правило, наибольшее количество натрия накапливается именно в стеблях, чем в корнях и листьях. Однако высокая скорость неконтролируемого поглощения Na⁺ не приводит к резкому повышению содержания его в тканях. Показано, что в условиях засоления концентрация Na⁺ в корнях при длительном воздействии стресса близка к постоянной, благодаря быстрому транспорту солей в стебель с транспирационным током через ксилему и экспорту из корня в почвенный раствор, тогда как в стебле она повышается, но достаточно медленно. Таким образом, общее поглощение и накопление натрия в растении в течение длительного периода засоления значительно ниже, чем при измерениях его неизбирательного поглощения во время краткосрочного засоления субстрата [15].

В нашем опыте содержание натрия в стеблях риса в условиях засоления возрастало в течение вегетации и, особенно резко после цветения (с 1,02 до 2,23%), что может быть связано с усилением пассивного поглощения этого иона стареющими корнями и его неконтролируемым транспортом с транспирационным током в стебель, а также обратным транспортом из листьев и метелок. При этом содержание К⁺ и Ca²⁺ в стеблях растений засоленного фона оставалось неизменным на протяжении всего периода вегетации, но на уровне более низком, чем у растений пресного контроля.

Корреляционный анализ не выявил взаимосвязи между накоплением К⁺ или Ca²⁺ в стеблях и содержанием в них Na⁺. Содержание калия в стеблях имело достаточно сильную связь с оводненностью их тканей (r=0,74 - для пресного фона и r=0,77 - для засоленного), однако динамика этого показателя в онтогенезе в большей степени была связана с течением физиологических процессов в растениях и изменением интенсивности транспирации в разные фазы.

При этом различия по содержанию воды в стеблях между растениями пресного и засоленного фонов были недостоверны в кущение и увеличивались по мере роста и развития растений, достигая максимума в цветение. Возможной причиной нарушения водного обмена и снижения скорости роста растений при засолении является дефицит кальция в тканях растений, обусловленный высоким содержанием NaCl в почве [1].

В условиях 0,25% засоления NaCl сухая масса листьев снижалась у растений на 43,4%, стеблей - на 19,5% и метелок - на 53%. Такие различия в накоплении сухого вещества органами растений характеризуют действие засоления на их общее физиологическое состояние. Несмотря на максимальное накопление в стеблях натрия и минимальное - калия, масса стеблей уменьшилась в меньшей степени, чем листьев.

Это объясняется большей метаболической активностью листьев, как основного ассимилирующего органа. Угнетение растений на стрессовом фоне и недоразвитие листового аппарата приводит в итоге к двукратному уменьшению массы метелок, несмотря на то, что содержание К⁺, Na⁺ и Ca²⁺ в них не отличается от контроля. Таким образом, свойство солеустойчивости, которое проявляется у растений на организменном уровне, в известной мере формируется за счет аккумуляции ионов в тканях и частях клеток, не несущих большой метаболической нагрузки [4].

В связи с неодинаковым действием стресса на разные органы растений представляло интерес изучить распределение ионов К⁺, Na⁺ и Ca²⁺ в растениях риса. Как показали расчеты, распределение ионов К⁺ и Ca²⁺ по органам растений риса в фазу цветения на засоленном фоне в процентном выражении мало отличается от такового на пресном контроле, а различия в абсолютном выражении определяются лишь массой листьев, стеблей и метелок.

Накопление калия в листьях у подверженных стрессу растений увеличилось по сравнению с пресным контролем на 2,4% за счет уменьшения его накопления в стеблях (на 3,1%). Также на засоленном фоне произошло перераспределение кальция из стеблей (-5,7%) в листья (+5,4%). Основные изменения наблюдались в распределении между органами иона Na⁺, содержание которого уменьшилось в метелках растений при засолении более чем в 5 раз, тогда как в листьях увеличилось в 3,6 раза.

Однако резкое снижение накопления натрия в метелках может быть обусловлено столь же значительным сокращением их массы по сравнению с контрольными растениями. При этом накопление натрия в стеблях уменьшилось на 6,1%. Но необходимо учитывать, что эти величины лишь характеризуют относительную долю того или иного иона в тканях, тогда как их абсолютное содержание значительно различалось у растений пресного и засоленного фона.

Устойчивость растения к засолению среды изменяется в онтогенезе в связи с переходом к различным этапам развития, требующим определенной перестройки метаболических процессов. В то же время для успешного прохождения жизненного цикла и формирования жизнеспособных семян растению необходимо иметь механизмы, снижающие негативное воздействие факторов среды на основные физиологические процессы. Подтверждением этому является значительное ограничение транспорта и накопления засоляющих ионов, в частности натрия, в верхних активно функционирующих листьях и метелках. При этом содержание калия и кальция в них мало отличается от такового у контрольных растений. Тем не менее, содержание этих ионов в растении в течение вегетации во многом определяет водный статус растения и уровень их адаптации к стрессу. Поскольку обратный отток Na⁺ через флоэму в корни и выведение его в среду у риса ограничен, значительное количество натрия накапливается в стебле и стареющих листьях и удаляется из растения вместе с отмирающими нижними листьями. Это в свою очередь является одной из основных причин существенного сокращения общей листовой поверхности растений на засоленном фоне, наряду с уменьшением площади отдельных листьев. Несмотря на имеющиеся в растении механизмы ограничения поступления и накопления натрия в органы, несущие основную метаболическую нагрузку, как прямое токсическое, так и косвенное влияние этого иона на физиологические процессы приводит к понижению уровня фонда ассимилятов в растении, уменьшая в первую очередь рост массы запасающих тканей. Таким образом, помимо отдельных механизмов, контролирующих поглощение и транспорт засоляющих ионов, большое значение имеет устойчивость растения на тканевом и организменном уровне, т.е. способность перераспределять вещество и энергию для минимизации негативного действия стресса.

Литература

1. Будаговская Н.В. Нарушение процессов роста и транспорта воды в растениях при засолении и блокировании кальциевых каналов / Н.В. Будаговская // Тезисы докладов Всероссийского симпозиума «Растение и стресс». - Москва, 2010. - С. 70-71.

2. Костина А.Е. Градиентная система распределения хлора и золы в растениях и ее эколого-физиологическое значение / А.Е. Костина, В.Ф. Портянко, М.К. Дулова // Физиология растений. - 1975. - № 3. - С. 631 - 633.

3. Куркаев В.Т. Сельскохозяйственный анализ и основы биохимии растений / В.Т. Куркаев, С.М. Ерошкина, А.А. Пономарев. - М.: Колос, 1977. - 240 с.

4. Лапина Л.П. Локализация солей в клетках как один из механизмов приспособления растений к условиям засоления / Л.П. Лапина // Устойчивость растений к экстремальным условиям среды: тез. докл. Всесоюзн. конф. “Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции”. Ч.1. - Л., 1981. - С. 92-93.

5. Соловьев В.А. Об угнетении роста отдельных органов растения тыквы при воздействии хлористым натрием / В.А. Соловьев // Физиология растений. - 1969. - Т. 16, № 1. - С. 136-138.

6. Abdul Kader Md. Uptake of sodium in protoplasts of salt-sensitive and salt-tolerant cultivars of rice, Oryza sativa L. determined by the fluorescent dye SBFI. / Kader Md. Abdul, S. Lindberg //Journal of Experimental Botany. - Vol. 56, No. 422, 2005. - P. 3149-3158

7. Akita S. Physiological basis of differential response to salinity in rice cultivars/ S. Akita, G.S. Cabuslay // Plant and Soil. - 123, 1990. - P. 277-294.

8. Blumwald E. Sodium transport and salt tolerance in plants / E. Blumwald // Current Opinion in Cell Biology. - 12, 2000. - P. 431-434.

9. Clarkson D.T., Hanson J.B. The mineral nutrition of higher plants / D.T. Clarkson, J.B. Hanson // Annu. Rev. Plant Physiol. - 31, 1980. - P. 267.

10. Cramer G.R. Sodium-calcium interactions under salinity stress. In: Lдuchli A., Lьttge U. eds. Salinity. Environment-plant-molecules. Dordrecht: Kluwer, 2002. - P. 205-227.

11. Matsushita N., Maroh T. Characterization of Na⁺ exclusion mechanism of salt-tolerant reed plants in comparison with salt-sensitive rice plants / N. Matsushita, T. Maroh // Physiologia Plantarum. - 83, 1991. - P. 170-176.

12. Mix G. Aus dem Institut fьr Nutzpflanzenforschung-Pflanzenernдhrung der TU Berlin, Diss. D. 83. In Proceedings of the First FAO/SIDA Seminar on improvement and production of field food crops for plant scientist from Africa and the Near East. Ed. K Mengel, pp. 339-350. FAO of the UN, Rome, 1973.

13. Qiu Q. Regulation of vacuolar Na+/H+ exchange in Arabidopsis thaliana by the salt-overly-sensitive (SOS) pathway / Q. Qiu, Y. Guo, F.J. Quintero, J.M. Pardo, K.S. Schumaker, J.K. Zhu // Journal of Biological Chemistry. - 279, 2004. - P 207-215.

14. Shah S.H. Supplemental Calcium Regulates Prolin Accumulation in NaCl-stressed Suspension Cultures of Oryza sativa. L. At the Level of mRNA Translation / S.H. Shah, S. Tobita, M. Shono // Pakistan Journal of Biological Sciences. - 4 (6), 2001. - P. 707-710.

15. Tester M. Na⁺ Tolerance and Na⁺ Transport in Higher Plants / M. Tester, R. Davenport Annals of Botany. - 91, 2003. - P. 503-527.

16. Wild A. Russel's soil conditions and plant growth. 11^th end. Harlow: Longman. Chapter 27, 1988. - P. 206-210.

17. Yadav R. The involvement of the transpirational bypass flow in sodium uptake by high- and low-sodium-transporting lines of rice developed through intravarietal selection / R. Yadav, T. J. Flowers, A. R. Yeo // Plant, Cell and Environment. - 1996, 19. - P. 329-336.

18. Yeo A.R., Flowers T.J. The absence of an effect of the Na/Ca ratio on sodium chloride uptake by rice (Oryza sativa L.) / A.R. Yeo, T.J. Flowers // New Phytologist. - 99, 1985. - P. 81-90

19. Yeo A.R., Yeo M.E., Flowers S.A. and Flowers T.J. Screening of rice (Oryza sativa L.) genotypes for physiological characters contributing to salinity resistance, and their relation to overall performance / A.R. Yeo, M.E. Yeo, S.A. Flowers and T.J. // Flowers Theoretical and Applied Genetics. - 79, 1990. - P. 377-384.

20. Zhu J.K. Plant salt tolerance. Trends in Plant Science. - 6, 2001. - P. 66-71.

Размещено на Allbest.ru