Geum.ru

Кандрашина татьяна Федоровна

Вид материалаДокументы

Содержание


Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1. Физиолого-биохимические основы прорастания семян
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   17

ВВЕДЕНИЕ


Ведущей отраслью сельского хозяйства Таджикистана является хлопководство. Последние годы во всех хозяйствах страны резко снизилась урожайность хлопчатника, сократилось применение минеральных удобрений, химических средств защиты растений от болезней и вредителей, а также стимуляторов роста. В связи с этим, искусственное регулирование роста и развития хлопчатника становится важным направлением и наиболее эффективным средством получения выокого урожая хлопка-сырца [1,2].

Основа нормального роста и развития растений закладывается при получении полноценных и дружных всходов, залогом которых являются хорошие посевные качества семян. При прорастании качественного посевного материала осуществляется быстрый переход зрелого жизнеспособного семени из состояния вынужденного покоя к состоянию активной жизнедеятельности, завершающемуся интенсивным ростом проростка [3,4]. Поэтому во всем мире придается большое значение исследованию различных сторон физиологии прорастания семян, разработке современных методов их предпосевной обработки.

Особый практический интерес вызывают новые приемы, которые могут помочь растению использовать его потенциальные способности к росту, развитию и продуктивности. Новейшие методы и технологии могут быть разработаны только на основе достижений современной физиологии растений, которая развивается в тесной связи с различными областями естественных наук, при сочетании не только классических методов исследования и теоретических основ, но и новых подходов с применением последних достижений генетики, биохимии, фитопатологии, физико-химической биологии, биокоординационной химии.

В практике хлопководства распространено использование некачественных семян и проведение сева повышенными нормами, в среднем на один гектар расходуется в 4-5 раз больше, чем при точном севе. Расход семян при севе по высоким нормам приводит к загущению рядков и необходимости ручного прореживания проростков до стандартной густоты стояния - 100-110 тыс/га, что требует больших затрат. При ранних сроках сева или резком похолодании и после продолжительных дождей наблюдается загнивание семян, поражение неокрепших проростков патогенными микроорганизмами [5-7]. Во избежание массового заражения хлопковых полей используется большое количество фунгицидов, что требует дополнительных финансовых расходов и с другой стороны, ухудшает экологическое состояние окружающей среды. Поэтому большое внимание исследователей привлекает разработка новых технологий и способов предпосевной обработки семян хлопчатника, гарантирующих:

- повышение посевных качеств семян;

- стимулирующих физиолого-биохимические процессы роста и развитя проростков;

- обеспечение длительного хранения семян без потерь посевных качест;

- возможность осуществить точный сев и снизить расход посевного материала;

- повышение устойчивости проростков к пониженной температуре, высокой влажности и патогенным микроорганизмам;

- совмещение фунгицидов и биостимуляторов-доноров жизненно-важных микроэлементов и биоактивных лигандов, воздействующие на физиологические процессы.

Решение перечисленных проблем является актуальным для современной физиологии.

Существуют многочисленные химические и физические методы предпосевной обработки семян, стимулирующих их прорастание [8]. В практике сельского хозяйства чпсто используется предпосевное увлажнение семян, их опудривание химическими тимуляторами и протравителями [9], обработку электрическим током [10], магнитным полем [11], природным газом [12].

Необходимо отметить, что качество посевных семян во многом зависит не только от способа их подготовки, но и технологии ее осуществления, где важны простота, экономичность, защищенность семян от почвенной инфекции,неблагоприятных погодных условий, их пригодность для точного сева. Для решения перечисленных задач последние 30 лет используют капсулирование семян различными полимерными составами [13,14,15,16].

Успехи биокоординационной химии последних лет позволяют получить биологически активные координационные соединения металлов с заданными свойствами. Такие соединения являются как донорами жизненно важных элементов, так и стимуляторами различных физиологических процессов, повышают устойчивость растений к болезням, неблагоприятным и экстремальным условиям среды. Органические лиганды координационных соединений, не ионородные для растений, способствуют транспорту необходимых металлов и их быстрому усвоению.

В связи с изложенным настоящая работа посвящена исследованию возможного использования полимеров метилцеллюлозы (МЦ), карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), оксиметилцеллюлозы (ОЭЦ) для капсулирования семян хлопчатника и одновременного использования в составе композиции биоактивного координационного соединения железа (FeГА) и протравителя, разработке технологии капсулирования, изучению воздействия полимерной композиции на прорастение семян, рост, развитие растений и формирование урожая хлопка-сырца.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Физиолого-биохимические основы прорастания семян


Изучение закономерностей регуляции процессов формирования, созревания и прорастания семян постоянно находятся в центре внимания физиологов и биохимиков растений. Роль семян обусловлена тем, что они являются для растения структурами воспроизводства и генеративного размножения. Семя определяют как развившуюся после оплодотворения семяпочку, заключающую зародыш и запасы питательных веществ. Формированием и полным созреванием семени единожды плодоносящего растения завершается жизненный цикл последнего. С момента биологического отчленения семени от материнского растения начинается жизнь нового поколения. Поэтому семя – это своеобразный носитель жизни определенного генотипа. И как носитель жизни семя характеризуется жизнеспособностью – способностью сохранения жизни, размножения вида. Первым видимым проявлением жизнеспособности семян является их прорастание - сложное биологическое явление, механизмы которого во многом еще не познаны [17].

Закономерности прорастания семян привлекают внимание не только в силу важности этого процесса в сельскохозяйственной практике, но и в связи с его большим теоретическим значением. Прорастание представляет собой очень быстрый переход зрелого жизнеспособного воздушно-сухого семени от почти неактивного состояния покоя к активации процессов метаболизма. Для понимания физиологии и биохимии прорастания в первую очередь необходимо выяснить, каким образом регулируется столь быстрый запуск физиолого-биохимических процессов, обеспечивающих и осуществляющих начало роста зародыша [18,19]. С запуском роста связаны основные процессы метаболизма и, в первую очередь, считывание генетических программ. О том, что программа на прорастание имеется и может быть считана еще в созревающих семенах, говорят хорошо известные факты прорастания семян в плодах [20].

Биохимиков и физиологов растений все больше привлекает внимание изучение физиологических процессов, прежде всего, метаболизма белков в период позднего эмбриогенеза и раннего созревания, т.к. именно на заключительном этапе созревания происходит переключение метаболической программы, приводящая к тому, что синтез запасных веществ в семенах сначала затухает (в связи с обезвоживанием), а затем, при прорастании сменяется их гидролизом. Высказывается точка зрения на прекращение синтеза запасных веществ в период позднего эмбриогенеза не только исключительно возрастающим обезвоживанием, но и разрушением соответствующих мРНК [21-23]. Имеются отдельные указания на присутствие в зрелых семенах некоторых растений мРНК [24,25]. Что касается их функционирования при прорастании, то по существующим представлениям, оно либо вовсе не имеет места, либо осуществляется в течение краткого периода и в очень незначительном масштабе [26,27]. Наряду с этим появились работы, указывающие на то, что абсцизовая кислота (АБК) может стимулировать синтез некоторых запасных белков при культивировании изолированных семядолей зрелых семян горчицы белой на питательной среде [28], а также в зародышах прорастающих зерновок пшеницы [29].

Для семян многих видов культурных растений соприкосновение с водой при определенных условиях температуры и аэрации оказывается достаточным для активации временно подавленных метаболитической и ростовой активности зародыша, для инициации генетических программ развития, превращающих зародыш в росток, а затем в самостоятельный автотрофный организм [30]. Способностью к росту обладают только зародышевые осевые органы семян, но чтобы рост продолжался после начальных стадий прорастания, необходима мобилизация запасных отложений, которые составляют значительную часть семени и у многих видов локализованы в специализированных тканях самого зародыша [31].

Таким образом, переход от эмбриогенеза к прорастанию для осевых органов зародыша выражается в первичном увеличении размеров и числа клеток, а для запасающих органов зародыша – в коренном изменении направленности метаболических процессов, в формировании нового катаболического типа обмена, обеспечивающего мобилизацию и транслокацию запасных отложений. По современным представлениям, переключение программ развития происходит путем репрессии и дерепрессии определенных генов и выражается в качественных и количественных изменениях наборов транслируемых мРНК и синтезируемых белков. То есть, изменения в клеточной морфологии и физиологии являются отражением изменений в наборе экспрессируемых генов. Совершенно очевидно, что подходом к пониманию молекулярных механизмов, делающих возможным переход зародыша от стадии эмбрионального развития к стадии прорастания, является всестороннее исследование процессов транскрипции и трансляции в различных органах зародыша на разных этапах формирования и прорастания семян. Определенный интерес в этом плане представляют начальные стадии прорастания, предшествующие видимому прорастанию и подготавливающие его. Эти стадии включают в себя период набухания и время лаг-фазы, по прошествии которого начинается рост зародыша. Синтез белка, протекающий в этот период в осевых органах зародыша, является обязательным атрибутом прорастания и абсолютно необходим для возобновления ростовой активности зародыша. Более того, между уровнем синтеза белков и нуклеиновых кислот в этот начальный период прорастания и энергией прорастания семян наблюдается положительная корреляция [32].

Для понимания последовательности молекулярных событий, лежащих в основе прорастания, необходимо знание закономерностей развития и механизмов регуляции белок – и РНК-синтезирующей активностей в тканях зародыша при его переходе от состояния покоя к активному метаболизму при прорастании. Выход семян из состояния покоя необходимо рассматривать в неразрывной связи с активностью эндогенных регуляторов роста, синтезом нуклеиновых кислот и формированием белок-синтезируюших систем.

Особый интерес для изучения «пускового» механизма выхода семян из состояния покоя представляет синтез НК и белков на самых ранних этапах набухания и прорастания семян. Что касается хлопчатника, то первый шаг в этом направлении – установление зависимости между поглощением воды семенами, формированием белок-синтезирующих систем и синтезом нуклеиновых кислот был сделан в результате многочисленных лабораторных исследований, проведенных коллективом сотрудников Института физиологии растений и генетики АН РТ [32]. Как было ими установлено, период прорастания и набухания состоит из 3 фаз. В первую фазу (0 – 30 мин) происходит быстрое набухание семян, что приводит к увеличению сырого веса семян на 52 % по сравнению с весом покоящихся семян. Для второй фазы (0 – 4 ч.) характерен замедленный темп поглощения воды – 20 %. С началом прорастания семян поглощение воды вновь увеличивается и сырой вес в 3 фазе (4 – 28 ч.) увеличивается на 40 %. Общий вес семян за 28 ч. прорастания увеличивается на 162 %. Аналогичные результаты были получены рядом авторов [33-35] при проращивании семян клещевины и люпина. Неодинаковая скорость поглощения воды семенами дает основание говорить о различающихся по направлению в них биохимических процессов. Анализ изменения сырого веса семян хлопчатника в течение 14-дневного прорастания показывает, что как осевые органы, так и семядоли характеризуются высокими темпами поглощения воды [36].

Увеличение сырого веса семядолей происходит до 72 ч. прорастания, затем начинается его снижение. Следует отметить очень высокий прирост сырого веса в первые 4 ч. (68%) замачивания, а максимум прироста наблюдается у 3-дневных проростков, после чего происходило постепенное его снижение. Динамика содержания воды в семядолях также изменяется по мере прорастания, достигая максимума у 3-дневных проростков. Все последующее время остается практически на одном уровне и незначительно снижается к 14 дню прорастания. Снижение сырого веса семядолей происходит в результате утилизации запасных веществ на процессы роста осевых органов. Сырой вес осевых органов увеличивается на протяжении всего периода прорастания, уже на третий день увеличиваясь в 9 раз, а к концу периода (14 дней) – в 15 раз. После 5 дней прорастания уровень поглощения воды уменьшается, но сырой вес осевых органов увеличивается, вероятно за счет использования запасных веществ семядолей. Таким образом, прирост сырого веса осевых органов по сравнению с семядолями гораздо выше.

Обратная закономерность наблюдается в снижении сухого веса семядолей по мере прорастания. Резкое снижение наблюдается в первые 4 ч, главным образом за счет интенсивного расходования веществ в процессе дыхания, а после 10 дней прорастания объясняется усилением транспорта метаболитов в растущие осевые органы.

Синтез белков начинается в семенах пшеницы при влажности примерно 55 % [37], интенсивность дыхания резко возрастает в набухающем семени гороха при влажности около 45% [38], распад крахмала начинается при такой же оводненности ткани, а мобилизация запасного белка начинается при 50% влажности [39].

Процессы метаболизма, обеспечивающие рост при достижении осевыми органами оводненности 45-55%, т.е. ниже 60 % недостаточны для инициации клеточного растяжения.

Первым физиологическим механизмом, участвующим в в подготовке к растяжению клеток, является накопление осмотически активных веществ – различных сахаров и ионов калия и хлора в осевых органах, что дает возможность поглотить дополнительное количество воды [40]. Вторым физиологическим механизмом, подготавливающим начало растяжения клеток, является активация протонной плазмалемной АТФфазы, начинающейся при влажности осевых органов 68 % и ведущей к подкислению и, тем самым, к разрыхлению клеточных стенок. Оба физиологических механизма не зависят от синтеза белков и начинаются при более высоких уровнях влажности (65-68 %), что дает клеткам возможность поглотить дополнительное количество воды и начать растягиваться, а растяжение является ведущим процессом роста при наклевывании семян [41].

В покоящихся семенах хлопчатника имеются все необходимые для белкового синтеза компоненты, на что указывают многие авторы [42,43], и синтез белков начинается чрезвычайно быстро после начала поглощения воды семенами. Синтез белков в прорастающих семенах контролируется синтезом мРНК, т.к. после поглощения воды семенем начинается синтез мРНК и происходит образование полирибосом. Рибосомы связаны с мРНК, но она не активна из-за отсутствия специфических факторов инициации белкового синтеза, недостатка или отсутствия предшественников РНК, а также из-за снижения активности ферментов, участвующих в синтезе белка.

Имеются данные, что трансляция мРНК в сухих семенах контролируется природным регулятором роста - абсцизовой кислотой (АБК), присутствующей в семенной оболочке [44], действие которой снижается при замачивании семян в воде. Многочисленные данные [45-46] говорят о том, что начало белкого синтеза коррелирует с быстрой трансформацией значительной части монорибосомной популяции в полирибосомы. Предполагается, что этот процесс включает активацию уже образованной заранее мРНК. Изучение синтеза белков отдельно в осевых органах и семядолях семян хлопчатника показало, что содержание белков увеличивается с возрастом проростков.

Снижение темпов синтеза наблюдается лишь в 14-дневных семядольных листьях, которые к этому периоду свою основную функцию как запасающего органа уже исчерпали. В осевых же органах по мере их роста содержание белков увеличивается. Это может быть как результатом оттока метаболитов из семядолей, так и собственного синтеза. Хотя в семядолях имеет место синтез белков, но тем не менее их распад происходит интенсивнее, чем синтез, что приводит к снижению содержания белков и увеличению фонда свободных аминокислот. По мере прорастания семян происходят существенные изменения фонда свободных аминокислот: синтезируется гистидин, тирозин, валин, лейцин, триптофан, резко увеличивается содержание аминокислот, играющих важную роль в процессах аминирования и переаминирования (аспарагин, глутамин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты, аланин, пролин) [48]. Cинтез РНК в прорастающих семенах хлопчатника начинается в первые часы намачивания семян в воде. Это обстоятельство свидетельствует о присутствии в зрелых семенах всех компонентов, необходимых для новообразования РНК. Вполне возможно, что синтезу РНК и активации рибосом в начинающих набухать семенах предшествует лишь реактивация и синтез некоторых видов белков. Приведенные факты хорошо согласуются с современными представлениями о «пусковом» механизме ростовых процессов, с необходимостью синтеза мРНК и активизации метаболических процессов, происходящих при прорастании.

Содержание РНК изменяется очень быстро при прорастании семян. В осевых органах содержание РНК увеличивается с началом прорастания, а в запасающих, по данным ряда авторов [49-50], не изменяется в первые 10 дней.

Данные о времени начала синтеза ДНК в семенах при выходе из покоя довольно противоречивы и в значительной степени это, очевидно, объясняется спецификой изучаемых объектов. Но во всех случаях синтез белков и РНК предшествует новообразованию ДНК.

Имеющиеся в литературе данные по изменению содержания ДНК в период прорастания указывают на то, что во время прорастания содержание ДНК в расчете на целые семена мало изменяется, но в то же время наблюдается увеличение ее содержания в растущих осевых органах и уменьшение в запасающих тканях семени. Так, по данным Г.И. Семененко с сотрудниками [51], происходит уменьшение количества ДНК в эндосперме и семядолях и увеличение в осевых органах пшеницы и гороха, причем накопление ДНК и РНК в проростках опережает темп убыли из питающих частей семени. За 10 дней прорастания содержание НК увеличивается в 1,5 раза по сравнению с покоящимися семенами и синтезируются они не только за счет продуктов их распада в запасающих органах, но и синтеза de novo в проростках. По данным экспериментов Е.В. Будницкой [52] на семенах пшеницы, Ю.С. Славенаса [53] на семенах кукурузы, О.Н. Кулаевой, Г.П. Микулович [54] на изолированных семядолях тыквы, повышение содержания ДНК частично происходит за счет удвоения количества ДНК при делении клеток семядолей, но основная часть ДНК увеличивается за счет возникновения в клетках изолированных семядолей полиплоидных ядер.

Х.Х. Каримов с сотрудниками [55] изучали содержание ДНК в семядолях и осевых органах семенах хлопчатника в процессе прорастания. По их данным, сухие семена содержат около 0,1 мг ДНК на одно семя. В пересчете на один орган в семядолях ДНК в 10 раз больше, чем в осевых органах, в то время как сухой вес семядолей превышает вес осевых органов в 22 раза. В семенах хлопчатника синтез ДНК начинается через 18-24 ч. после начала проращивания, т.к. с этого времени синтез ДНК связан как с дальнейшим ростом осевых органов, так и с активацией метаболических процессов в семядолях. Возможно, синтез ДНК в семядолях является результатом полиплоидизации ДНК.

Наряду с формированием белок-синтезирующей системы и синтезом НК процессы созревания, прорастания и покой семян регулируются соотношением физиологически-активных веществ (ФАВ), стимулирующих или ингибирующих прорастание [56,57]. В общем балансе фитогормонов важную роль играет гормон ингибирующего действия - абсцизовая кислоты (АБК). По данным М.Г. Рафиевой [58], проводившей испытания на содержание ИУК и АБК в зародышах и семенной кожуре семян хлопчатника, ИУК содержится во всех иследованных пробах зародыша, в то время как в семенной кожуре присутствует только в пробе, взятой на 35-й день от цветения. АБК обнаруживается в довольно большом количестве на всех этапах созревания как в зародышах, так и в семенной кожуре. Максимум ее в зародышах наблюдается на 35 и 45 дни от цветения, а в кожуре на 35-й день, как это показано Dure [59].

Влияние АБК на созревание и прорастание семян люпина желтого показывает, что АБК стимулирует синтез запасных белков, обеспечивая в целом формирование семени люпина и подавляя при этом преждевременное прорастание семян. Можно сказать, что АБК играет важную роль в эмбриогенезе: регулируя дифференциальную экспрессию генома, она обеспечивает реализацию генетической программы, связанной с биосинтезом запасных белков и одновременно блокирует программу прорастания семян [60]. Роль абсцизовой кислоты, как регулятора синтеза запасных белков в семядолях зрелых семян горчицы и зерновок пшеницы и кукурузы описана в многочисленных работах [61,62], которые подтверждают предположение о том, что блокирование генов запасных белков, образующихся при созревании, во время прорастания не является необратимым и может быть полностью или частично снято под влиянием высоких доз АБК.

Таким образом, процесс прорастания семян можно разделить на отдельные этапы [63], где первый этап представляет собой активацию метаболизма и длится от начала контакта с водой до завершения физического набухания (55-60 %). Активация первичного метаболизма начинается уже при 20-25 % влажности. Этот этап характеризуется активацией дыхания, синтезом белков и нуклеиновых кислот, подготовкой энергетического обеспечения дальнейших процессов и началом гидролиза запасных веществ. Второй этап занимает период между завершением физического набухания и наклевыванием семян и характеризуется накоплением осмотически-активных веществ и активацией плазмалемной Н+ -АТФазы, приводящей к подкислению клеточных оболочек, что в свою очередь облегчает последующее растяжение клеток. И, наконец, третий этап – рост осевых органов проростка. Он начинается с наклевывания семени, в результате растяжения базальных клеток самого корня (при надземном прорастании) или клеток гипокотиля (при подземном прорастании). Рост осевых органов обеспечивается интенсивным дыханием, синтезом белков, нуклеиновых кислот, фитогормонов и другими процессами, характерными для активнорастущих органов. Он поддерживается притоком веществ из семядолей, снабжающих растущие клетки метаболитами для синтеза, субстратами дыхания и осмотически активными веществами, влияющих на дальнейшее поступление воды.

Урожайность сельхозяйственных культур определяется многими факторами, в том числе такими, как температура, влажность, освещенность. В некоторые годы, при неблагоприятных погодных условиях то или иное количество высеянных семян не дают полноценных всходов. Но тот факт, что часть семян все же дают всходы при действии неблагоприятных условий, дает основание полагать, что есть возможность выявления особенностей таких семян, способных прорастать и давать нормальные всходы.

Это дает возможность понять механизмы устойчивости прорастающих семян к неблагоприятным факторам и на основе этого разрабатывать технологии повышения их устойчивости, поддержания и нормализации физиологических процессов при прорастании.