Влияние спектрального состава света на рост и развитие Lilium caucasicum в условиях культуры in vintro

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Научный журнал КубГАУ, №94(10), 2013 года

Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт цветоводства и субтропических культур Россельхозакадемии

ВЛИЯНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА СВЕТА НА РОСТ И РАЗВИТИЕ LILIUM CAUCASICUM В УСЛОВИЯХ КУЛЬТУРЫ IN VITRO

Маляровская Валентина Ивановна к.б.н

Коломиец Татьяна Михайловна

к.с.х.н., старший научный сотрудник

Соколов Роман Николаевич аспирант

Сочи, Россия

Показано, что в условиях культуры in vitro, у растений-регенерантов лилии кавказской при культивировании на свету различной интенсивности и спектрального состава биометрические показатели (длина и ширина листа), а также количество микролуковичек были неодинаковы. Установлена специфичность действия двух основных областей ФАР - синей и красной на рост, и развитие растений и на содержание фотосинтетических пигментов

Ключевые слова: ЛИЛИЯ КАВКАЗСКАЯ, КУЛЬТУРА ТКАНЕЙ, СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СВЕТА, ХЛОРОФИЛЛ А И В, КАРОТИНОИДЫ, ЦИТОКИНИНЫ

Процессы жизнедеятельности растений находятся в тесной зависимости от интенсивности и спектрального состава света. Некоторыми исследователями показано, что свет разного спектрального состава регулирует рост и развитие, а также фотосинтетические процессы и продуктивность растений, как in vivo, так и in vitro [1, 2, 3, 4, 5].

Как известно, из всего спектра для жизни растений важна фотосинтетически активная, находящаяся в пределах от 380 до 710 нм, и физиологически активная радиация (300-800 нм), но наиболее значимы красные лучи, спектр которых находится в пределах от 600 до 720 нм [1, 2, 3]. Для образования хлорофилла необходимы именно эти световые волны. Эта часть спектра является основным поставщиком энергии для фотосинтеза и влияет на процессы, связанные с изменением скорости развития растения. Вместе с тем избыток красной части спектра задерживает процессы образования генеративных органов. Синие и фиолетовые (380-490 нм) лучи, как и красная составляющая, принимают непосредственное участие в фотосинтезе, стимулируют образование белков и регулируют скорость развития растения [1].

При синем свете формируются листья с большим содержанием хлорофилла. По данным Н.В. Катаевой и др. (1981) синий свет, характеризуется как основной компонент морфогенеза [6].

Известно, что различные спектры света могут вызывать у растений и различные процессы морфогенеза. Т.Н. Константиновой с соавторами (1987) показано, что синий свет усиливает закладку вегетативных почек у побегов табака в условиях in vitro, а красный стимулирует развитие цветочных почек [7].

По мнению W.М. Morgan (1993), свет является основным и необходимым требованием для коррекции роста, и развития растений, культивируемых in vitro, но значительно меньшей интенсивности, чем солнечный [15]. В связи, с чем высокий уровень света не обязателен. Также известно, что растения могут приспосабливаться к низкой интенсивности излучения за счёт снижения затрат ассимилятов на дыхание и интенсивность фотосинтеза, это позволяет за счёт оптимизации фотосинтетической деятельности накапливать в побегах углеводы [13]. При этом немаловажное значение играет сочетание спектрального состава света и гормональных факторов среды [9].

В этом плане представляют интерес исследования по изучению спектрального состава света, наиболее эффективного для выращивания растений Lilium caucasicum в условиях культуры in vitro, что являлось целью наших исследований. растение свет фотосинтетический пигмент

Перед нами стояли задачи выяснить: 1) как меняется рост и развитие растений в зависимости от спектрального состава света; 2) какова специфичность действия на содержание пигментного состава двух основных областей ФАР - синей и красной.

Методы исследований Исследования проводили в лаборатории биотехнологии, физиологии и биохимии растений (ГНУ ВНИИЦиСК Россельхозакадемии, г. Сочи). Объектами исследований были растения-регенеранты вида Lilium caucasicum культивируемые in vitro.

Lilium caucasicum Miscz. ex Grossh (рис.1) -- многолетнее луковичное растение семейства лилейных (Liliaceae). Луковица достигает 10 см. в диаметре, яйцевидной формы, не очень плотная, состоит из донца конической формы и спирально расположенных на нем сочных чешуй. Чешуи золотисто-желтого цвета, узколанцетной формы, заостренные на конце, цельные или с перетяжками, в количестве 25-30.

Стебель 80-150 см. высоты, круглый, зеленый или неровно буроватый, часто в верхней части белоопушенный, олиственный.

Листья короткочерешковые или сидячие, в средней части стебля собраны по 10-15 в 2-4 мутовки (иногда мутовки выражены нечетко), в верхней части стебля очередные. Листья в мутовках продолговато-овальной или обратнояйцевидной формы, 12-13 см. длины, 3,7-4,5 см. ширины.

У лилии кавказской, как почти у всех видов лилий, различают два типа корней: луковичные - растущие от донца луковицы, и стеблевые - развивающиеся на подземной части стебля. Луковичные корни растут с весны до поздней осени, функционируют 1-1,5 года. Среди них есть сильно утолщенные, поперечно морщинистые втягивающие (контрактильные) корни. С помощью их луковица углубляется в почву. Стеблевые корни начинают расти поздно весной, и отмирают осенью вместе со стеблем. Кроме функции поглощения питательных веществ они способствуют закреплению стебля в почве.

Соцветие кистевидной формы из 3-х - 17-ти (и более) цветков. Цветки поникающие, обычно сиреневые или розово-сиреневые (известны формы с белыми, желтыми, винно-красными цветками), с темно-пурпурными пятнышками (или без них), слабо-ароматные. Околоцветник чалмовидной формы, листочки его 3-4 см. длины, 1-1,3 см. ширины, 4-4,2 см. в диаметре, сильно отогнуты назад. Тычинок 6, тычиночные нити и столбики голые, пыльца коричнево-красная, рыльце трехлопастное, темно-пурпурное.

Плод - обратнояйцевидная шестигранная трехгнездная коробочка, усеченная сверху, с заостренными ребрышками, высотой 2,5-3 см. и шириной 1,5-1,7 см. Цветет в июне-июле. Диплоидный набор хромосом -- 24[10].

Рисунок 1 Lilium caucasicum в период цветения

Растения культивировали в течение шестидесяти дней на питательной среде содержащей основу по Мурашиге и Скугу [16] с содержанием цитокинина 6-БАП в концентрации - 1,0 мг/л, в условиях культурального помещения при температуре +18-25 ^оС, влажности воздуха 70±3 %, различной интенсивности ФАР и световом режиме 16/8 час. В качестве экспериментальных источников освещения в культуре тканей использовали люминесцентные лампы с максимумом излучения в красной и синей областях спектра (марки Feron tb g13 Flu 1) и лампы белого света (марки Chamelion); мощность всех ламп 36 Вт, диаметр - 1200 мм. Основные характеристики используемых ламп белого света (БС): световой поток - 2500 Lum; спектральный состав - 50 % фиолетовые лучи (440 нм), 30 % зеленых (500 нм) и 15 % желтых лучей (575 нм). Лампы красного света (КС): 2400 Lum; 90 % красных лучей (600 нм). Лампы синего света (СС): световой поток в 900 Lum; 90 % синих лучей (435 нм). Лампы марки Feron и Chamelion не нагреваются, поэтому их, возможно, располагать достаточно близко к растениям. Величина излучения лучистой энергии в процессе культивирования лилии кавказской in vitro варьировала от 800-1500 лк (синий-красный) до 3000 лк (белый контроль).

При определении биологической эффективности источника искусственного света или отдельных областей спектра в качестве критерия оценки были взяты такие биометрические показатели как длина, ширина листьев и образование микролуковичек на одном растении; также учитывали такие физиологические показатели, как состав и мощность фотосинтетических пигментов листа.

Определение пигментного состава экстракции хлорофиллов и каротиноидов проводили с применением охлажденного 100 % ацетона по методу А.А. Шлыка (1971) с использованием расчетных формул Циглера и Эгле [14]. Обработку экспериментальных данных проводили, применяя пакет программ MS Excel.

Результаты и обсуждение Экспериментальные исследования, проведенные в условиях культуры in vitro, позволили установить, что у растений-регенерантов лилии кавказской при культивировании на свете различной интенсивности и спектрального состава биометрические показатели (длина и ширина листа), а также количество микролуковичек были неодинаковы (табл. 1).

Таблица 1

Влияние различного спектра света на рост и развитие Lilium caucasicum

Установлено, что синий свет вызывал торможение роста листовой пластины, в то время как красная область спектра способствовала более интенсивному увеличению площади листьев в 1,4 раза по сравнению с белой (контроль). Такое, различие в росте и развитии растений обусловлено, по мнению Н.Н. Протасовой (1982), тем, что при синем свете в листьях образуется значительно большее количество ингибиторов роста, таких как: абсцизовая кислота, оксикоричные кислоты и др., по сравнению с растениями, выращенными при красном свете, что приводит к формированию укороченных стеблей и более толстых листьев (рис. 2, А) [11].

Активное нарастание микролуковичек также отмечено при свете белого спектра (рис. 2, В) (контроль) и в варианте с красным спектром (рис. 2, Б) света (1,6 и 1,4 шт./растении, соответственно). В нашем опыте полученные результаты не противоречат данным других авторов относительно более активного влияния белого и красного спектров излучения на увеличение площади листовой поверхности растений [8, 12].

А Б В

Рисунок 2 Регенеранты Lilium caucasicum после выращивания при разных световых спектрах: А) Синий свет; Б) Белый свет; В) Красный свет

В результате изучения специфичности действия двух основных областей, ФАР - синей и красной на содержание пигментного состава было установлено, что при свете синего спектра фотосинтетическая активность в листьях лилии кавказской была выше, чем у растений, культивируемых на белом (контроль) и красном спектрах света. Так, в листьях растений, культивируемых на синем свете содержание хлорофилла а (0,55 мг/г) и b (0,22 мг/г), а также сумма хлорофиллов (0,77 мг/г) имели максимальные показатели (табл. 2). Однако по содержанию каротиноидов достоверных отличий по вариантам не отмечено. Что касается отношения суммы хлорофилла к каротиноидам, то здесь существенные отличия отмечены были только между, синим и красным и контрольным белым источниками света (см. таблицу 2). Проведенный дисперсионный анализ показал высокую долю влияния (65 %) различных спектров света на рост и развитие, а также на содержание пигментов (хлорофилла а и b, а+b) в листьях растений.

Таблица 2

Влияние различных спектров освещения на содержание фотосинтетических пигментов в листьях Lilium caucasicum

Таким образом, в неблагоприятных световых условиях у растений происходит восполнение недостатка одного параметра другим. При низких интенсивностях света (красном) невысокий фотосинтез частично компенсируется усиленным ростом листьев, в то время как при высоких интенсивностях света (синем) меньшая листовая поверхность может компенсироваться повышенным синтезом фотосинтетических пигментов. В итоге относительно улучшается количественный баланс поглощенной энергии у теневыносливых растений, к которым можно отнести и лилию кавказскую, произрастающую в природе в различных условиях: на опушках высокогорных лесов и на лугах субальпийского пояса среди высокотравья и кустарников. Следовательно, лилия кавказская, обладает достаточно высокой пластичностью и хорошей адаптацией к различным условиям произрастания, как в естественных природных условиях, так и в культуре in vitro. Поэтому для роста и развития лилии кавказской максимум излучения в источнике может быть в красной области спектра.

Выводы

На основании полученных результатов можно сделать вывод, о том, что красная и белая область спектра (контроль) способствовала более интенсивному увеличению площади листьев. В то время как синий свет, замедлял рост, что приводило к формированию низкорослых растений.

Таким образом, изучение механизмов регуляции морфогенеза и физиологических функций позволит с большим успехом использовать свет различного спектра для оптимизации режимов культивирования растений в условиях in vitro.

Исследования проводились при финансовой поддержке РФФИ (грант № 13-04-96572).

Список литературы

1. Белоус О.Г., Маляровская В.И., Коломиец Т.М. Effect of spectral composition of light on growth of chryzantemum morifolium in vitro// Nauka i Studia: Przemyњl, 2012. № 10(55). P. 30-35.

2. Дорофеев В.Ю., Медведева Ю.В., Карначук Р.А. Оптимизация светового режима при культивировании оздоровленных растений картофеля in vitro с целью повышения продукционного процесса // Материалы VI Московского международного конгресса, часть 1 (Москва, 21-25 марта, 2011 г.). М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2011. С. 238-239.

3. Карначук Р.А., Гвоздева Е.С. Влияние света на баланс фитогормонов и морфогенез в культуре ткани зародышей пшеницы. // Физиология растений. 1998. Т. 45, № 2. С. 289 - 295.

4. Карначук Р.А., Головацкая И.Ф. Гормональный статус, рост и фотосинтез растений, выращенных на свету разного спектрального состава // Физиология растений. 1998. Т. 45, вып. 6. С. 925-934.

5. Карначук Р.А., Дорофеев В.Ю., Медведева Ю.В. Фоторегуляция роста и продуктивности растений картофеля при размножении in vitro // VII Съезд общества физиологов растений России, Международная конференция «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» 4-10 июля 2011. Нижний Новгород, 2011. С. 313-314.

6. Катаева Н.В., Аветисов В.А. Клональное размножение в культуре ткани. // Культура клеток растений. М.: Наука, 1981. С. 137-149.

7. Константинова Т.Н., Аксенова Н.П., Сергеева Л.И., Чайлахян М.Х. Взаимное влияние света и гормонов на регуляцию морфогенетических процессов в культуре in vitro. // Физиология растений. 1998. Т. 34, № 4. С. 795 - 802.

8. Немойкина А.Л. Влияние синего света на морфогенез и количество фитогормонов Yucca elephantipes R. в культуре in vitro // Международная конференция «IV Сибирская школа молодого ученого». Томск: ТГПУ, 2001. С. 58.

9. Немойкина А. Л. Влияние света и гормонов на морфогенез юкки слоновой в культуре in vitro. Дисс. канд. биол. наук. Томск, 2003. 133 с.

10. Немченко Э. П. Лилия кудреватая // Биолог. флора Моск. области. М.: Изд-во МГУ, 1993. В. 9. Ч. 1.

11. Протасова Н. Н., Кефели В. И. Фотосинтез и рост высших растений, их взаимосвязь и корреляции. Физиология фотосинтеза. М.: Наука, 1982. С. 251.

12. Протасова Н. Н., Ложникова В, Н., Ничипорович А. А. и др. Рост, активность фитогормонов и ингибиторов и фотосинтез у карликовых мутантов гороха в разных условиях светового режима. Изв. АН СССР. Сер- биол., 1980.,Nb 1. С. 94.

13. Смурыгин А. С. Влияние химических препаратов и формировок кустов на зимостойкость винограда//Автореф. дис. … к.с.-х.н. Ереван, 1977. 27 с.

14. Шлык А.А. Определение хлорофилла каротиноидов в экстрактах зеленых листьев / Шлык А.А.//В кн.: Биологические методы в физиологии растений. М.: Наука. 1971. С. 154-170.

15. Morgan W. M. Plant tissue culture // World Agriculture. 1993. P. 19-21.

16. Murashige T., Scoog F. A rewised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue culture // Physiol. Plant. 1962. N.4. P.473-479.

Размещено на Allbest.ru