Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Особенности функционирования механизмов устойчивости растений в условиях абиотического стресса Давлятназарова Зульфия Буриевна

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Давлятназарова Зульфия Буриевна. Особенности функционирования механизмов устойчивости растений в условиях абиотического стресса: автореферат дис. ... доктора Биологических наук: 03.01.04 / Давлятназарова Зульфия Буриевна;[Место защиты: Таджикский национальный университет], 2017

Введение к работе

Актуальность исследования. Повышение урожая сельскохозяйственных культур зависит от устойчивости сортов и гибридов к действию экстремальных факторов среды, таких как высокая температура, засуха и засоление почв. Особенно остро стоит проблема устойчивости растений к абиотическим факторам в странах с резким континентальным климатом.

Таджикистан является страной, расположенной на границе субтропического и умеренного климатических поясов. Для большей части региона характерны холодная зима и жаркое сухое лето, а также высокий уровень засоления земель, что обуславливает получение низких урожаев и ведет к ограничению ведения сельскохозяйственного производства.

Температурный стресс, засуха, засоление почв и дефицит воды приводят к значительным морфологическим, физиологическим, биохимическим и молекулярным изменениям в клетках растений, которые могут негативно влиять на продуктивность и в целом на производство сельскохозяйственной продукции [Войников и др., 1991; Аббасова и др., 1993; Кузнецов Вл., Дмитриева, 2006; Dajic, 2006].

Картофель – одна из приоритетных продовольственных культур в Республике Таджикистан, занимающая второе место после пшеницы. В течение последних лет потребление картофеля в стране резко возросло, а низкая урожайность картофеля в большинстве регионов не может удовлетворить спрос населения. Особо следует подчеркнуть низкую урожайность картофеля в связи с отсутствием высокопродуктивных сортов, адаптированных к местным условиям с точки зрения устойчивости к различным абиотическим стрессам.

Получение сортов картофеля устойчивых к стрессам поможет решить проблему нехватки продовольствия. Показано, что сорта картофеля устойчивые к высоким температурам, засухе и засолению почв могут повысить урожайность данной культуры на 20-30% [Алиев и др., 2007; Партоев, 2013].

Получение растений с повышенными признаками устойчивости к экстремальным факторам среды и обладающих высокой продуктивностью связано с исследованием физиологических и биохимических механизмов стресс-толерантности, с ролью фотосинтетического аппарата и прежде всего, ключевого фермента рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (РБФКО), а также с работой трансляционной системы в формировании устойчивости в условиях стресса [Давлятназарова, 1997; Алиев, 2012].

Известно, что стресс может провоцировать образование активных форм кислорода (АФК), в связи, с чем немаловажную роль играет изучение ферментов антиокислительной системы защиты и продуктов перекисного окисления липидов [Мерзляк, 1999; Бараненко, 2006; Гарифзянов, 2011; Прадедова, 2011].

Одним из современных подходов в решении данной проблемы является и использование биотехнологических методов, которые, несомненно, имеют ключевое значение для разработки и внедрения новых сортов сельскохозяйственных культур, обладающих, как устойчивостью к стрессам, так и высокой продуктивностью. Особый акцент необходимо делать на отбор клеточных линий, обладающих новыми наследуемыми признаками на уровне клетки, ткани, органа и целого растения. Известно, что клеточные механизмы устойчивости являются сходными для клеток культивируемых in vitro и целых растений, поэтому селекция на клеточном уровне имеет реальную перспективу получения устойчивых к засолению и высокой температуре сортов картофеля [Ларина,1995; Кулаева,1997; Шевелуха, 2003; Балнокин, 2005; Дьякова, 2012; Киёмова, 2013; Алиев, 2014].

Получение высокопродуктивных сортов картофеля, устойчивых к абиотическим факторам окружающей среды с целью создания устойчивой системы семеноводства имеет приоритетное направление для Таджикистана и отражено в: Стратегии Республики Таджикистан в области науки и техники на период 2005-2015гг.; Государственной Программе по развитию картофелеводства на период 2012-2016 гг.

Степень разработанности темы. Устойчивость растений на действия стрессовых факторов окружающей среды является объектом пристального внимания ученых во всем мире. Начало исследований было заложено такими учеными как Н.А Максимов, В.Р. Заленский, П.А.Генкель, Г.Селье., Б.П.Строганов. На современном этапе, большая роль в изучении устойчивости и адаптации растений принадлежит Вл.В. Кузнецову, И.А.Тарчевскому, В.К. Войникову, Н.И. Шивяковой, Ф.М. Шакировой, М.Н. Мерзляк, А.Р.Гарифзянову, I. Fridovich и др. Определенный вклад был внесен и таджикскими учеными Ю.С. Насыровым, Х.Х.Каримовым, К.Алиевым, М.М. Якубовой и др.

Но, тем не менее, комплексный подход, включающий в себя использование биохимических признаков, в сочетании с биотехнологическими

приемами для идентификации генотипов картофеля с высоким потенциалом устойчивости и продуктивности остается открытым.

Цель исследования: Выявление механизмов устойчивости различных генотипов картофеля к действиям абиотических факторов среды и поиск эффективных биохимических маркеров для отбора и получения потенциальных форм и линий сельскохозяйственных культур, обладающих устойчивостью и продуктивностью.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

разработать скрининг - метод для выявления устойчивых к засолению клон-гибридов картофеля in vitro;

получить линии картофеля устойчивые к высокой температуре;

выявить особенности развития устойчивых генотипов in vivo;

выявить особенности синтеза белков у растений картофеля в условиях температурного стресса;

изучить антиоксидантные системы защиты растений картофеля при стрессе;

исследовать особенности функционирования механизмов устойчивости в условиях водного дефицита.

Научная новизна: Показана целесообразность системного подхода использования инновационных методов биотехнологии и достижений фундаментальных исследований в области биохимии для выявления активности эндогенных систем защиты и урожайности сельскохозяйственных растений в условиях климатического стресса. Маркерами могут служить антиоксидантные системы, параметры которых можно использовать как тест-признаки устойчивости и урожайности, особенно при стрессорном воздействии.

Впервые разработан скрининг-метод для отбора различных гибридов картофеля на солеустойчивость in vitro.

Показано, что эффективная работа антиоксидантной защиты у устойчивых генотипов картофеля в условиях засоления коррелирует с ингибированием интенсивности АФК.

Исследование компартментации ферментов антиоксидантной защиты у контрастных по уровню устойчивости к стрессу растений картофеля показало, что у солеустойчивых генотипов меньшее накопление продуктов АФК в большей степени связано с активацией антиоксидантных ферментов, локализованных в хлоропластах, чем в митохондриях и цитоплазме.

Исследования по влиянию циклогексимида на трансляционную систему рибосом различных по устойчивости к засолению генотипов картофеля позволило предположить о существовании предсинтезированного пула СОД у устойчивого генотипа.

Изучение действия высокой температуры на синтез белка в хлоропластах растений картофеля дает возможность использовать термостабильность РБФКО и системы ее трансляции, как показатель устойчивости к температурному фактору.

Установлено, что водный стресс вызывает реорганизацию фермент-мембранных комплексов, сопровождающихся замедлением скорости фермент-субстратных взаимодействий и изменяет направленность ее функции. Показано, что при водном дефиците уменьшается содержание полирибосом, в то время как при его устранении содержание полирибосом восстанавливается до определенного уровня.

Дозированное воздействие температурного стресса на уровне целого растения и каллусных культур различается, и действие температурного шока на уровне неорганизованной пролиферации клеток дает возможность выявить устойчивые к высокой температуре линии картофеля.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты являются предпосылкой для обоснования системы защиты растений от окислительных повреждений в условиях абиотического стресса на примере использования стресс-толерантных растений картофеля. Разработка биохимических маркеров стрессустойчивости на основе функционирования антиоксидантных компонентов имеет важное значение для ускоренного отбора клеток и создания устойчивых и продуктивных сортов.

Разработанный скрининг-метод позволяет провести оценку большого количества клон-гибридов картофеля in vitro на устойчивость к стрессорным факторам за короткий период. В результате исследования получены клон-гибриды картофеля, обладающие устойчивостью и высокой продуктивностью.

В процессе ступенчатого скрининга с использованием каллусных культур получена линия картофеля, устойчивая к высокой температуре (ТУ), которая передана в Государственную комиссию по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур и охране сорта при Министерстве сельского хозяйства Республики Таджикистан.

Получены авторские свидетельства на два новых сорта картофеля «Файзабад» и «Таджикистан». В настоящее время, проходят государственные испытания еще два сорта картофеля.

Основные результаты и подходы исследования могут быть внедрены в производство, применены в учебном процессе в университетах биологического и аграрного профиля при чтении спецкурсов, в том числе включены в соответствующие курсы лекций по физиологии, биохимии и биотехнологии растений.

Основные положения, выносимые на защиту:

структурно-функциональное состояние компонентов клетки растений связано с продукционным процессом, который находится в зависимости от устойчивости к стрессорному фактору;

экспериментальное обоснование использования ступенчатого скрининга in vitro для отбора гибридов картофеля устойчивых к стрессовым факторам и обладающих высокой продуктивностью;

дозированное воздействие высокотемпературного стресса на уровне неорганизованной пролиферации (каллусные культуры) дает возможность выявить резистентные к высокой температуре линии картофеля;

устойчивость к неспецифическому действию температуры у растений, наряду с физиологическими изменениями, сопровождается закреплением некоторых молекулярных механизмов, связанных с активацией системы транскрипции и трансляции, сопровождающейся синтезом специфических белков и повышением их концентрации в клетках;

избирательность специфических биохимических реакций, усиливающихся действием стресса обеспечивается активацией антиоксидантных ферментов и пролина, и определяется особенностями генотипа растений.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 работ, 24 из них входят в перечень ВАК Минобрнауки России.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность экспериментальных данных, которые получены на базе современных методов исследования с использованием сертифицированного оборудования подтверждаются достаточной повторностью и воспроизводимостью. В работе представлены данные, полученные лично автором.

Основные положения и выводы диссертации были представлены на: Международном симпозиуме «Физиология трансгенного растения и проблемы биобезопасности». Москва (Россия), 2004 г.; Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем». Сыктывкар (Россия), 2007 г.; Международной конференции «Global Potato Conference». Дели (Индия), 2008г.; I международном семинаре «Обеспечение улучшения продовольствия и увеличение доходов в Юго-Западной и Центральной Азии (SWCA) через сорта картофеля с улучшенной устойчивостью к абиотическому стрессу». Шимла (Индия), 2008; II международном семинаре «Обеспечение улучшения продовольствия и увеличение доходов в Юго-Западной и Центральной Азии (SWCA) через сорта картофеля с улучшенной устойчивостью к абиотическому стрессу». Гуджарат (Индия), 2010 г.; VI Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития». Москва (Россия), 2011 г.; Республиканской научной конференции посвященной 60-летию образования Академии наук Республики Таджикистан «Физиология растений и проблемы развития растениеводства в Таджикистане». Душанбе (Таджикистан), 2011 г.;IV международной научной конференции «Экологические особенности биологического разнообразия». Куляб (Таджикистан), 2011 г.; Международной научной конференции памяти академика Ю.С. Насырова «Фотосинтез и проблемы повышения продуктивности растений». Душанбе, 2012г.; Республиканской научной конференции «Экологические проблемы и рациональное использование природных ресурсов». Душанбе (Таджикистан),2012 г.; V международной конференции «Экологические особенности биологического разнообразия». Худжанд (Таджикистан), 2013 г.; Международном семинаре «Улучшение сортов картофеля и технологий управления водными ресурсами для улучшения эффективности водопользования, устойчивости к внешним воздействиям, рентабельность и производительность мелких земельных хозяйств, предрасположенных к стрессовым условиям Центральной Азии». Ташкент (Узбекистан), 2013 г.; Международной научной конференции «Биология и биотехнология растений». Алматы (Казахстан), 2014; Международной научно-практической конференции, посвященной 24 годовщине Государственной Независимости Республики Таджикистан «Роль отрасли семеноводства в обеспечении продовольственной безопасности». Душанбе (Таджикистан), 2015; IX международном симпозиуме «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты». Москва (Россия), 2015 г.;

Всероссийской (с международным участием) научной конференции «Биологические аспекты распространения, адаптации и устойчивости растений». Саранск, 2016 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация написана на русском языке, на 252 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающей в себя 383 наименования, приложения, содержит 39 таблиц и 50 рисунков.