Реакция изолированных семядолей cucurbitaceae на условия культивирования и вопрос о её соответствии экологии растений

Омарова З.А.*, Магомедова М.А.**.

Таблица 1.

Средняя продолжительность жизни семядолей проростков тыквенных, сут. (1998;2003 гг.)

Примечание: Семядоли, отделенные от проростков через 1(а) и 5 суток; (б) после выноса на поверхность

Жизнеспособность растений и отдельных органов проявляется в специфике темпов старения, продолжительности жизни и устойчивости к стрессам (Molisch, 1929; Леопольд, 1968; Желявски, 1980; Полевой, Саламатова, 1991; Woolhouse, 1984). Однако до сих пор не конкретизировано соотношение программной (наследственной, эндогенной) и индуцированной (условиями) регуляции жизнеспособности отдельных органов. Семядоли являются удобной моделью для изучения старения (Клячко, Кулаева, 1975; Кулаева; 1982), жизнеспособности (Омарова, 2002; Омарова, Магомедова, 2002) и оценки экологических особенностей растений.

Материал и методика

Проводилось сравнительное изучение жизнеспособности интактных и изолированных семядолей у растений арбуза (Citrullus linnet Mansf.) сорта Фотон, дыни (Cucumis melo L.) сорта Казачка, кабачка (Cucurbita pepo L.) сортов Белоплодный и Грибовский и огурца (Cucumis sativus L.) сорта Аист под действием разных факторов.

Таблица 2

Продолжительность жизни и ризогенез изолированных семядолей при культивировании в разных условиях освещения (2001 г.)

Варианты: естественное освещение (1), полная темнота (2), перенос на 3 сут. с естественного освещения в темноту (3), и, наоборот, из темноты на естественное освещение (4). «CV» — коэффициент вариации, «max» — максимальная.

Для оценки влияния условий культивирования на жизнеспособность семядолей учитывали сроки отмирания, среднюю продолжительности жизни (ПЖ), сроки развития корней и их число у каждой семядоли («активность ризогенеза»), укореняемость семядолей (число укоренившихся в % к общему их числу в опыте) и изменение в содержании хлорофиллов a и b в тканях пластинки семядолей спектрофотометрическим методом (на СФ 46) без предварительного разделения пигментов (Гавриленко и др., 1975). Для определения пигментов использовались изолированные семядоли (ИС) без корней в целях исключения влияния укоренения на их содержание. Семена проращивали в промытом песке. У проростков в возрасте 1, 5 и 10 сут. отделяли семядоли на 1−2 мм выше семядольного узла. 30 проростков каждого образца оставляли в качестве контрольных для наблюдения за интактными семядолями.

ИС помещали в чашки Петри на фильтровальную бумагу (слабо увлажнённую водой) по 10−15 штук и культивировали в нестерильных условиях. Бумагу сменяли каждые пять дней. Культивирование проводили при постоянной t=250C варьируя условиями освещения: 14 ч. световой день (700 лк) [1], полная темнота [2], после 3 сут. освещения перенос в темноту [3] и, наоборот, перенос культур из темноты на освещение [4]. В вариантах № 1 часть ИС содержали на воде, а часть на растворах NaCl 20 и 100 мМ. Сравнением результатов по вариантам оценивали жизнеспособность семядолей, определяемой генетически и условиями культивирования.

В таблицах и на рисунках представлены средние арифметические 3-х независимых экспериментов (в каждом из которых было использовано по 30 семядолей) и их стандартные ошибки.

Результаты и обсуждение

Исходные размеры интактных семядолей арбуза сорта Фотон, дыни сорта Казачка, кабачка сорта Грибовский и огурца сорта Аист (на 1 сут. после выноса на поверхность) несколько различались между собой. Длина пластинки семядоли по центральной жилке составляли у объектов 12.7, 12.3, 16.8 и 10.6 мм соответственно. На 6 сут. наблюдений интактные семядоли достигают 14.5, 20.3, 30.6 и 30.1 мм. Таким образом, наибольший прирост в длину на 6 сут. был отмечен у интактных семядолей огурца, которые имели минимальные исходные размеры. Интенсивный рост интактных семядолей дыни, кабачка и огурца обычно завершается на 5−10 сутки после выноса их на поверхность. У арбуза семядоли продолжают увеличиваться в размерах в течении практически всего периода жизнедеятельности (60 суток) вплоть до появления у них первых признаков старения — побурения и потери тургора (Омарова, Магомедова, 2002).

Сроки отмирания интактных семядолей различались у изученных видов (табл. 1). Иногда они варьируют между сортами исследуемых растений (Омарова, 2002). На растениях огурца интактные семядоли отмирали на стадии вегетации растения (после развития 3−4 настоящих листьев) У кабачка — при переходе растения к цветению. Продолжительность их жизни была в среднем на 10 сут. короче, чем у огурца (табл. 1). Укореняемость, интенсивность ризогенеза, ПЖ и содержание хлорофилла у ИС изучаемых объектов различались (табл. 1, 2, рис. 1, 2). Различия по некоторым параметрам обнаружены и между ИС одного вида, но имеющих разный возраст (табл. 1, 2, рис. 2). ПЖ у ИС при культивировании их в условиях освещения превосходит таковую в вариантах темноты (табл. 1, 2). ПЖ у 5-суточных ИС короче, чем 1-суточных за исключением кабачка, варианты 1 и 4. У всех объектов при культивировании ИС в темноте (вариант 2) и после кратковременного экспонирования на свету (3) ПЖ практически не различалась. В этих вариантах жизнеспособность оказалась ниже, чем в вариантах, культивируемых на свету (1 и 4). В темноте большую ПЖ имели ИС арбуза. Постоянное или временное культивирование в темноте (варианты 2 и 4) стимулировало ризогенез у ИС арбуза и кабачка, тогда как у 5-суточных ИС огурца и дыни, наоборот, наблюдалось резкое снижение укореняемости.

Сопоставление средней ПЖ интактных и изолированных семядолей у изученных тыквенных (табл. 1, 2) показало, что средняя ПЖ у семядолей кабачков в интактном и изолированном состоянии оказалась короче, чем у других объектов. Дольше всех сохраняют жизнеспособность интактные и изолированные семядоли арбуза и дынь. Семядоли огурцов занимают по данному показателю промежуточное положение. ПЖ семядолей у арбуза, дыни и огурца, изолированных от проростков на 1 сут. после выноса на поверхность, практически не различается. Однако у арбуза заметно снижение ПЖ 5-суточных ИС, что обусловлено отсутствием у них ризогенеза на свету (табл. 1 и 2).

Показателем жизнеспособности ИС у объектов в условиях темноты или засоления может служить степень сокращения их ПЖ (в %) относительно ИС культивируемых в благоприятных условиях (культивирование в бессолевой среде на свету). Этот показатель зависит как от специфики объекта, так и от возраста семядолей. В условиях темноты в меньшей степени укорачивается ПЖ у 1- и 5-суточных ИС арбуза и 1 суточных ИС кабачка, на 52, 50 и 42% соответственно. У ИС дыни и огурца сокращение ПЖ в темноте выражено в большей степени, особенно у 5-суточных (на 77%). При культивировании ИС кабачка в условиях засоления их ПЖ и жизнеспособность резко снижается, особенно с возрастанием уровня засоления и сроков отделения семядолей от проростков (табл. 1).

Для характеристики жизнеспособности ИС важно проанализировать и соотношение показателей ризогенеза, содержания хлорофилла и биомассы семядолей и ПЖ. ИС у видов, как и интактные, обнаруживают различия в сроках отмирания и сохраняют в целом специфику в сроках регенерации корней и их количестве (табл. 1 и 2).

Прирост биомассы семядоли, активность регенерационных процессов и содержание хлорофиллов a и b у ИС зависят также от сроков их отделения от проростков, и условий культивирования. На свету и в темноте прирост биомассы более выражен у ИС огурцов и кабачков. В то же время не наблюдается прямой связи между приростом и ПЖ семядолей (рис. 1). Так, прирост биомассы семядоли на 5 сут. культивирования в темноте и на свету выше у ИС кабачков, у которых короче ПЖ. У арбуза, огурца и дыни ИС, хотя и мало отличались по ПЖ, обнаруживают различия в приросте (рис. 1).

Таблица 3

Коэффициенты корреляции ® между продолжительностью жизни изолированных семядолей и показателями ризогенеза при разных условиях культивирования

Примечание: «*» — при Р<0.5; знак «-» означает, что нет данных для корреляционного анализа из-за отсутствия укоренения изолированных семядолей в этом варианте.

Не обнаружено прямой связи между содержанием в тканях ИС хлорофиллов a и b и другими показателями их жизнеспособности. С возрастом в семядолях проростков тыквенных происходит накопление хлорофилла. Поэтому в тканях интактных семядолей изученных объектов на 5 и 10 сут. хлорофилла содержится больше, чем у таковых на 1 сут. развития. Это связано с тем, что их фотосинтезирующий аппарат сформировался ещё до изолирования семядолей (Данович и др., 1982; Леопольд, 1968). У 5- и 10-суточных ИС уровень содержания хлорофилла практически не меняется в течение первых 10 суток культивирования (рис. 2). 1-суточные семядоли в изолированной культуре по мере экспонирования на свету постепенно накапливают хлорофилл в пересчёте на сухую биомассу (рис. 2). Его содержание существенно меняется при дальнейшем культивировании ИС. По мере старения ИС, как и у растений в целом (Леопольд, 1968; Мерзляк и др., 1993), происходит деградация пигментов (Омарова, Магомедова, 2002).

Связь в изменении разных показателей жизнеспособности ИС у изученных объектов в разных условиях культивирования неоднозначна. Отделение семядолей от интактного растения приводит к исключению их из коррелятивных связей между органами. При этом их ПЖ существенно увеличивается. В работе показано, что у огурцов, дынь, кабачков и арбузов в результате укоренения у ИС значительно (на 33−96%) увеличивается ПЖ. Это согласуется с данными других авторов (Molisch, 1929; Дубровицкая, 1961; Леопольд, 1968, Юсуфов, 1992). Однако бывают и исключения. Регенерация корней у ИС арбуза происходила значительно позже, чем у других объектов, для них характерен и самый низкий процент укореняемости. Но по ПЖ они превосходят ИС кабачка и практически не отличаются от ИС дыни и огурца, регенерирующим корни в более ранние сроки и в большем количестве. При изменении условий культивирования разновозрастных ИС одного и разных объектов связь между некоторыми показателями ризогенеза (сроки развития и число корней) и ПЖ отличается. Так, например, в темноте дольше живут 1-суточные ИС арбуза, кабачка и дыни, у которых корни формируются позже, тогда как у 5- суточных ИС кабачка и дыни обнаружена обратная картина. При этом не всегда ПЖ дольше в вариантах с большим числом корней (табл. 3). Если по активности ризогенеза (средним срокам развития и количеству корней на 1 ИС) объекты располагаются в следующем убывающем порядке: дыня>кабачок>огурец>арбуз, то порядок чередования объектов в таком же ряду по ПЖ меняется: арбуз>дыня>огурец>кабачок. Сравнение 1- и 5-суточных ИС показывает, что возрастной контроль более чётко проявляется в сроках развития и по числу корней, чем в ПЖ.

Условия культивирования (освещение и засоление среды) более значимы для ПЖ семядолей, чем укореняемость, сроки развития и число корней. Так, при культивировании ИС в полной темноте развитие корней у части объектов происходит довольно активно, но это не предотвращает отмирания их пластинок. Более того, ИС арбуза при таком культивировании с низкой активностью ризогенеза в ПЖ не уступают другим объектам, семядоли которых лучше укореняются (рис. 1, табл. 1).

Для сравнительной оценки наследственного фактора в регуляции жизнеспособности семядолей можно использовать сравнение показателей жизнеспособности у объектов в нормальных условиях и степень их изменения под влиянием условий. В нашей работе для этого проводится оценка изменения жизнеспособности семядолей различных объектов в условиях засоления и темноты. Генетическая обусловленность жизнеспособности определяет её пределы, т. е. высшие или оптимальные (в благоприятных условиях) и низшие (под влиянием стрессовых факторов) показатели жизнеспособности. При низших показателях жизнеспособности, определяемыми условиями культивирования, между объектами проявляется меньшая разница, тогда как в благоприятных условиях (естественное освещение, бессолевая среда), она выражена более чётко.