Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время, когда антропогенное воздействие ведет к серьезному ухудшению экологической ситуации на Земле, исследование механизмов адаптации растений к изменяющимся условиям среды обитания стало одной из важнейших проблем биологии. Кислород входит в число факторов окружающей среды, определяющих возможность существования большинства организмов. Явление кислородной недостаточности широко распространено в природе и наблюдается при переувлажнении и заболачивании почв или связано с культурой землепользования.
Исследованиями отечественных и зарубежных авторов показано, что способность произрастать в обедненной кислородом среде определяется наличием у растения комплекса анатомо-морфологических и биохимических приспособлений. Основное внимание в этих исследованиях уделялось изучению метаболизма и энергетики растительной клетки, а также изменений в структуре и функциях мембран при кислородной недостаточности (Чиркова, 1988; Kennedy et al., 1992; Vartapetian, Jackson, 1997). В то же время комплексное исследование гормональной системы, играющей важнейшую роль в регуляции обмена веществ, при анаэробном воздействии не проводилось. Имеющиеся в литературе данные характеризуют изменения одного-двух фитогормонов и, за исключением этилена, не затрагивают различий в гормональных сдвигах у растений, контрастных по способности переносить периоды кислородной недостаточности. При анаэробиозе выявлено увеличение концентрации АБК в растительных тканях (Mapelli et al., 1986; Zhang, Davies, 1987). Значительный прогресс достигнут также в изучении механизмов повышения уровня этилена и его роли в условиях гипоксии (Voeseneketal., 1990; 1993; Bangaetal., 1996). Относительно других фитогормонов информации мало, не рассматриваются обычно и пути изменения содержания гормонов при анаэробном воздействии.
Цель и задачи исследования. Цепью данной работы было комплексное изучение гормонального баланса побегов и корней растений, различающихся по устойчивости к недостатку кислорода, в условиях аноксии. Особое внимание уделялось исследованию гормональных сдвигов на начальных этапах действия стрессора, которые могли участвовать в индукции адаптивных изменений метаболизма. В связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
1. Рассмотреть влияние аноксии на содержание основных фитогормонов: абсцизовой (АБК), индолилуксусной (ИУК) кислот и цитокининов (зеатина и зеатинрибозида) в проростках злаков, различающихся по устойчивости к гипоксии, причем предполагалось проанализировать динамику как свободных, так и связанных с низко- и высокомолекулярными соединениями форм, что позволило оценить процессы связывания и гидролиза конъюгированных фитогормонов в анаэробных условиях. 2.Проанализировать зависимость между сдвигами баланса фитогормонов и ростом в бескислородной среде;
-
Определить активность оксидазы ИУК и ее фенольного ингибитора в анаэробных условиях;
-
Поскольку роль ИУК-оксидаз в растительных клетках обычно выполняют изозимы пероксидазы, предполагалось рассмотреть влияние аноксии и на активность пероксидазы.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное изучение влияния анаэробиоза на баланс фитогормонов: АБК, ИУК и цитокининов у пшеницы, овса и риса - растений с разной устойчивостью к кислородной недостаточности. Данный подход позволил вскрыть значительные различия в сдвигах гормонального баланса у неустойчивого (пшеница) и более устойчивых (овес, рис) растений. Показано, что уже в первые часы действия аноксии у всех опытных растений происходят существенные перестройки гормонального статуса, приводящие к преобладанию АБКу чувствительного растения и ИУК- у устойчивых. Впервые проведен анализ изменений содержания низко- и высокомолекулярных конъюгатов изучаемых фитогормонов в условиях аноксии, показавший их участие в регуляции уровня свободной АБКу пшеницы и риса. Продемонстрирована также инактивация ИУК-оксидазы при анаэробиозе. Показано увеличение длины меристематической зоны корней под действием аноксии.
Практическая значимость. Изучение динамики роста и гормонального баланса в условиях кислородной недостаточности необходимо для разработки способов выращивания растений на переувлажненных почвах, а также создания тестовых систем для селекционного отбора приспособленных к гипоксии видов и сортов растений. Учитывая неспецифичность гормональных сдвигов при различных неблагоприятных воздействиях, результаты данной работы позволят внести вклад в разработку общей теории стресса. Они могут быть использованы в лекциях по физиологии стресса у растений.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Ежегодном симпозиуме "Физико-химические основы физиологии растений" (Пенза, 1996), заседании секции физиологии растений Русского Ботанического общества (С.-Петербург, 1996), 10 Конгрессе Федерации Европейских обществ физиологов растений (FESPP) (Флоренция, 1996), Международном Симпозиуме по стрессу и ассимиляции неорганического азота и втором ФОХС Симпозиуме по биострессу (Москва, 1996), Юбилейном Симпозиуме, посвященном столетию С.В.Солдатенкова (С.-Петербург, 1996), 6 молодежной конференции ботаников в Санкт-Петербурге (1997), 18 Конгрессе Скандинавского общества физиологов растений (SPPS) (Упсала, 1997) и на Международном Конгрессе "Стресс в жизни: стресс и адаптация от молекулы к человеку" (Будапешт, 1997). По материалам диссертации опубликовано 8 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов, их обсуждения, выводов и приложения. Работа изложена на 138 страницах, содержит 36 рисунков и 17 таблиц (в приложении). Список цитированной литературы включает 225 наименований, в том числе 163 на иностранных языках.
