Активность фотосинтетических пигментов в условиях стресса

Пшеница – одна из важнейших злаковых культур, которая представлена большим разнообразием видов, их более 20. Однако практическое значение имеют два вида – мягкая и твердая. В Азербайджане возделываются оба вида пшеницы, поскольку природные условия нашей республики благоприятны для выращивания зерновых культур. Однако характерные для многих регионов нашей страны засуха, высокая температура, неустойчивость естественного увлажнения и почвенное засоление отрицательно сказываются на урожайности пшеницы. Получение высоких стабильных урожаев зерна в первую очередь ограничивается воздействием таких стресс-факторов внешней среды, как засуха и засоление [3, с. 94]. Кроме того, в последние годы отмечены глобальные изменения погодно-климатических условий во всем мире, в связи с чем вопросы повышения устойчивости растений к абиотическим факторам среды стали особенно актуальными. Исходя из этого, целью наших исследований являлось выявление устойчивости образцов различных разновидностей пшеницы к воздействию таких абиотических стрессоров, как засуха, засоление и высокая температура.

В качестве материала исследования использовались 18 образцов мягкой пшеницы (Тriticum aestivum L.), из них: 15 разновидностей, 2 стандартных (Aran и Bezostaya-1) и сорт-маркер (Anza). Уровни устойчивости образцов к засухе и засолению определяли по изменению содержания хлорофилла и каротиноидов в листьях. Для выявления взаимосвязи между содержанием хлорофилла и устойчивостью генотипов к засухе и засолению, у выращенных в поле образцов изолировали верхние листья, которые в лабораторных условиях были подвергнуты воздействию обоих видов стресса. Учитывая предел устойчивости мягкой пшеницы, в наших опытах использовали для создания солевого стресса, раствор NaCl (14 атм), а для засухи – раствор сахарозы (20 атм) [2, с. 61]. Оптическую плотность хлорофилла измеряли при длине волны 665 nm (xл a) и 649 nm (xл b), оптическую плотность каротиноидов – при 450 nm.

Определяли процентное соотношение содержания фотосинтетических пигментов опытных вариантов при засухе и засолении по отношению к контролю и это соотношение было принято за единицу измерения для выявления устойчивых к стрессовым факторам образцов. Образец считался более устойчивым, чем выше были полученные результаты. Данные об изменении содержания хлорофилла и каротиноидов в исследованных листьях приведены в таблице 1 и 2.

Таблица 1

Оценка устойчивости фотосинтетических пигментов образцов мягкой пшеницы к засухе и засолению

Исследована особенность прорастания мягкой пшеницы в осмотических растворах и после воздействия теплового фактора. Подсчитан процент прорастания 100 семян в условиях засухи (16 aтм сахарозы), засоления (NaCl 14 атм) и при температуре 55°С (время экспозиции 25 мин). Результаты приведены в таблице 3. Индекс устойчивости к общей засухе рассчитывали по формуле [2, с. 25]:

L=2a+B

L – индекс устойчивости к общей засухе, а – процент прорастания семян в растворе сахарозы, b – процент прорастания семян после термической обработки.

Образцы были поделены на группы: I. устойчивые – выше 110%; II. умеренно устойчивые – 70-110%; III. чувствительные – ниже 70%.

Таблица 2

Определение степени устойчивости образцов мягкой пшеницы к засухе и засолению лабораторными диагностическими методами

Известно, что на большей части посевных земель нашей республики уровень засоления значительно выше нормы. Этот фактор сопровождается также сухим и жарким климатом. По этой причине в период вегетации растения подвергаются воздействию засухи и засоления. При этом, в первую очередь, происходит изменение водного баланса [4, с. 113]. Чтобы не допустить потери воды в жаркую погоду, у растений включаются защитные механизмы: прежде всего, с целью предотвращения транспирации, закрываются устьица. Но известно, что посредством устьиц происходит не только регулирование воды, но и газообмен. Долгое закрытие устьиц препятствует проникновению CO₂ в растения, что приводит к снижению интенсивности фотосинтеза, уменьшению содержания органических веществ, синтезируемых в хлоропластах. А это, в свою очередь, замедляет рост и развитие растений [1, с. 261]. Особый интерес представляют изменения, которые происходят у фотосинтетических пигментов, составляющих основную структуру фотосистемы и осуществляющих процесс фотосинтеза в нормальных и стрессовых условиях. Поэтому немаловажное значение придается изучению содержания хл а и хл b в растительных объектах, подвергнутых различным видам стресса.

Показатели суммы хл (a+b) и соотношение (a/b) в листьях образцов мягкой пшеницы, подвергнутых условиям засухи и засоления, приведены в таблице 1.

Xл (a+b). У контрольных растений этот показатель изменился в пределах от 3,71 до 9,76 µг/мм². Максимальное значение суммы хлорофиллов принадлежало образцам разновидности var. lütescens k-18, а минимальное var. fulfocinercum k-48. Из исследованных разновидностей образцы var. ferrugineum k-8, var. barbarossa k-23, var. albidum k-25, var. hostianum k-26, var. leucospermum k-33, var. hostianum k-50, var. delfi k-79 и стандарт Aran имели достаточно высокие значения по этому показателю: 7,3; 7,0; 7,24; 7,67; 7,67; 7,74; 7,03 и 8,04 (µг/мм²) соответственно.

В условиях засухи значение суммы хл(a+b) менялось в диапазоне 4,9 – 10,81 µг/мм², а при засолении – 4,39-10,53 µг/мм². Образцы var. lütescens k-18 имели высокое значение суммы хлорофиллов при засухе, низкое содержание хлорофиллов было отмечено у образцов сорта-маркера Anza. В процентах по отношению к контролю максимальный показатель принадлежит образцам var. hostianum k-27 (123%), а минимальные результаты наблюдались у образцов var. delfi k-79 (94%).

При воздействии солевого стресса значение хл(a+b) варьировало в широком диапазоне. Так, сумма хлорофиллов менялась в интервале 4,39-10,53µг/мм², максимальный показатель принадлежал опять же образцам var. lütescens k-18, а минимальный – образцам сорта-маркера Anza. В процентном к контролю соотношении образцы var. bengalense k-46 и var. fulfocinercum показали самый высокий (124%), а опытный вариант var. delfi k-79 – самый низкий результаты (85%).

Xл a/b. За время эксперимента соотношение хлорофилла а и b в достаточной степени менялось, также как и сумма пигментов. В контрольных вариантах эксперимента соотношение xл a/b менялось в интервале 1,4-3,0, при этом высшее значение было у растений стандарта Aran, а наименьшее – у var. delfi k-79. Привлекает внимание тот факт, что у образцов var. delfi k-79 под влиянием обоих стрессовых факторов содержания хл b уменьшается (в контроле 2,96; при засухе1,94; при засолении 1,83). Это связано с тем, что, хотя соотношение xл a/b высокое при стрессе, сумма пигментов имеет низкое значение (при засухе 94%; при засолении – 85% относительно контроля).

Под влиянием засухи соотношение хл a/b подвергалось изменениям от 1,5 (сорт-маркер Anza) до 3,14 (var. bengalense k-46). В процентном отношении к контролю показатель хл a/b составлял 173% для образцов k-79 var. delfi, 126% для образцов var. bengalense k-46, 122% для образцов var. hostianum k-27, 120% для образцов var. velutinum k-30.

При засолении из исследованных образцов высокие показатели соотношения хл a/b были отмечены для var. delfi k-79 (164%), var. hostianum k-27 (131%) и var. hostianum k-26 (131%), а самое низкое значение в процентах по отношению к контролю получено для var. fulfocipercum k-48 (82%).

В исследовании изучалось не только изменение содержания хлорофилла а и b в условиях стресса, но и содержание каротиноидов, которые занимают важное место в пигментной системе растений. Каротиноиды – это вспомогательные фотосинтетические пигменты и являются носителями защитных и структурных функций: 1) как дополнительные пигменты, принимают участие в поглощении спектров низкой длины волны света и с высокой эффективностью мигрируют свет в хлорофилл а; 2) защищают кислород и молекулы хлорофилла от фотоокисления. В ряде работ дается информация о важной роли каротиноидов в защите фотосинтеза и об их антиоксидантной способности [4, с. 77].

Стрессовые условия также оказали влияние на изменение в содержании каротиноидов (таблица 2). Так, наблюдались неоднократные рост и снижение в содержании каротиноидов по отношению к контролю. Следует отметить, что в засушливых условиях наблюдалось больше спадов, а при засолении – рост. При засухе содержание каротиноидов изменялось в диапазоне 68-268% отношению к контролю. Максимальное значение имели образцы разновидности var. delfi k-79, а минимальное – образцы var. velutinum k-30. При засолении этот показатель менялся в диапазоне 48-284%. Самые высокие показатели опять же отмечены у образцов var. delfi k-79 и низкие у растений var. velutinum k-30. Примечательно, что у образцов этой разновидности, как при засухе, так и при засолении, содержание каротиноидов было ниже по отношению к контролю. Несмотря на то, что у образцов варианта var. velutinum к-30 содержание каротиноидов было значительно ниже по отношению к контролю, этот вариант имел высокие показатели по содержанию хлорофиллов.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующий вывод: по количеству фотосинтетических пигментов (хлорофилла и каротиноидов) в стрессовых условиях образцы разновидностей var. ferrugineum k-8, var. erythrospermum k-10, var. lutescens k-18, var. albidum k-25, var. hostianum k-26, var. hostianum k-27, var. hostianum k-28, var. hostianum k-50, var. barbarossa k-23 проявили себя как устойчивые, а остальные образцы как среднеустойчивые.

Полученные результаты по прорастанию семян в осмотических растворах (таблица 3) показали, что образцы var. hostianum k-26 и var. hostianum k-27 не прорастали в условиях засухи, а образцы var. bengalense k-46 после воздействия теплового фактора, а у образцов var. hostianum k-28 и var. fulfocinercum k-48 число проросших семян было низким: 9 и 7 соответственно.

Таблица 3

Оценка прорастания семян мягкой пшеницы в осмотических растворах и после теплового эффекта

Надо отметить, что минимальные количества проросших семян при засолении имели следующие образцы: var. bengalense k-46 – 18 семян, var. hostianum k-26 – 7 семян и var. fulfocinercum k-48 – 3 семени. Из других образцов варианты опыта var. barbarossa k-23, var. velutinum k-30, var. hostianum k-50 можно считать умеренно устойчивыми, а var. hostianum k-28, var. fulfocinercum k-48 чувствительными к фактору общей засухи. Оставшиеся образцы проявили себя устойчивыми к засухе, засолению и повышению температуры.

Итак, исследование образцов разновидностей мягкой пшеницы к засухе, засолению и влиянию высокой температуры по содержанию фотосинтетических пигментов и прорастанию семян в стрессовых условиях показало, что образцы разновидностей var. ferrugineum k-8, var. erythrospermum k-10, var. lutescens k-18, var. albidum k-25, var. hostianum k-50, var. barbarossa k-23 можно считать устойчивыми к стрессовым факторам.