Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена

Актуальность работы.

Важнейшей задачей физиологии растений как фундаментальной, науки является создание теоретической основы растениеводства. Новые прогрессивные направления биотехнологии и биоинженерии растений призваны обеспечивать высокую продуктивность и устойчивость растений.

Задача повышения продуктивности растений решается путем выведения новых сортов и гибридов, получения генетически модифицированных организмов, совершенствования агротехнологий, разработки способов защиты растений от вредителей и болезней и методов оптимизации условий их выращивания, а также применения различных стимуляторов роста растений. В частности, последние методы заключаются в использовании химических веществ, биологически активных веществ или физических стимуляторов. Ультразвук [369], лазерный свет [124- 535], электрические и магнитные поля [63- 138], ионизирующее излучение [63- 153- 279], ультрафиолетовое [1- 141- 300] и инфракрасное [294- 351] излучения, низкие температуры [115- 362], ионизированная и магнитоактивированная вода [32- 51] являются эффективными стимуляторами метаболизма, роста и развития растений [32- 350].

Известны зависимости биологического эффекта от дозы воздействия, однако существует проблема разнонаправленного действия больших и малых доз физических факторов, вызывающих соответственно неадаптивные (повреждение) или адаптивные реакции. В последнем случае развивается запрограммированная реакция, дающая возможность приспособиться к внешним условиям [334]. Проблеме стимулирующего действия малых доз посвящены многочисленные исследования [31- 51- 107- 124- 149- 153- 221- 279- 369- 439]. Кроме того, в настоящее время во многих работах исследуются молекулярные и клеточные механизмы реакции растений на внешнее воздействие [391- 402- 406- 418- 422- 436- 444- 453- 464- 504- 507- 512- 517- 532- 539- 547- 548;

557- 559- 598- 71- 76- 77- 111- 260- 158- 315], но их результаты не дают возможность объяснить сложность реакции на организменном уровне. В связи с этим актуален целостный подход к анализу реакции растения на внешнее воздействие.

Вкачестве фактора, действующего на растения, было выбрано импульсное давление (ИД). Давление влияет на различные процессы у растений. Быстрые изменения осмотического давления могут вызывать некоторые неспецифические стрессовые симптомы в растениях, в то время как нормальное осмотическое давление — важный фактор в клеточном развитии, росте и поглощении воды [426]. Флоэмный транспорт веществ [427] и транспорт газов в стеблях погруженных водных растений [372] управляются градиентами давления, а натяжение водных нитей вызывает биоэлектрическую реакцию [236]. Почвенное сжатие также оказывает влияние на растения [329]. Давление и механические воздействия также являются факторами регуляции роста и развития растений [421- 488]. Особенности ИД заключаются в том, оно представляет собой объемное сжатие в течение 15−25 мксек, поэтому не приводит к грубым механическим нарушениям.

Важно отметить, что обработка семян, находящихся в состоянии покоя, импульсным давлением вызывает последующие ростовые изменения. Принято считать, что физические воздействия в малых дозах оставляют в семенах скрытые повреждения, которые реализуются во время перехода клеток в жизнедеятельное состояние [153]. Следовательно, при рассмотрении физиологических эффектов следует учитывать, что они являются следствием процессов, произошедших и индуцированных в семенах в момент обработки ид.

Цель и задачи исследования

Целью работы является разработка научных основ эпигенетического управления морфогенезом растений на основании выявленной зависимости биохимических, морфофизиологических, цито-генетических особенностей и продуктивности растений от параметров ИД и создание на этой базе научно обоснованной технологии повышения продуктивности растений.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи.

Проанализированы способы физической стимуляции и особенности физиологических реакций растений на разных уровнях организации живой материи.

2. Разработан метод обработки семян ИД и произведенырасчеты параметров ударной волны (УВ) на поверхности обрабатываемых семян.

3. Изучено детально влияние режимов обработки на биологические особенности растений различных видов, используя анатомические, физиолого-биохимические и цитогенетические методы.

4. Установлены закономерности изменения физиологических особенностей растений в зависимости от интенсивности воздействия УВ.

5. Разработан комплекс научно обоснованных технологических процессов обработки семян ИД с целью повышения продуктивности и устойчивости растений.

Защищаемые положения.

1. Способ воздействия на семена импульсным давлением, позволяющий влиять на межмолекулярные связи растительной ткани, а также режимы воздействия и метод их расчета.

2. Существование на уровне целого организма зоны гормезиса с нормальной динамикой физиологических процессов и небольшой стимуляциейпереходной зоны повышенной вариабельностизоны стресса с особой динамикой физиологических процессов.

3. Реакция на уровне организма является интегральнойсобытия на уровне клетки инициируют структурные и физиологические перестройки в апикальных меристемах, которые приводят к гормональным и донорно-акцепторным изменениям, способствующим торможению роста и ускорению развития.

4. Увеличение продуктивности и устойчивости растений дает возможность управлять продукционным процессом в различных условиях выращивания.

Научная новизна. Новым научным положением, направленным на раскрытие механизма реакции растения на внешнее воздействие на уровне организма, является выявление контрастирующих дозовых стратегий, развивающихся под влиянием доз ИД, позволяющих получить непрерывную зависимость физиологических функций от его величины.

Экспериментально доказано, что действие на семена ИД 5−20 МПа в течение чрезвычайно малого времени (12−25 мксек) не вызывает их острой летальности, а способствует полимодальному изменению динамики широкого спектра физиологических процессов растений. Впервые показано существование в дозовой зависимости на уровне целого растения трех контрастирующих зон: общей стимуляции — гормезиса, переходного состояния и стресса. В первой зоне при' действии ИД 5−20 МПа увеличение устойчивости и продуктивности растений на 15−25% является результатом преимущественного накопления гормонов-активаторов и активизации физиологических процессов без изменения динамики. В стрессовом состоянии под действием ИД свыше 26 МПа обнаружено нарушение нормальной динамики физиологических процессов растений, приводящее к торможению роста, связанному с преобладанием гормонов-ингибиторов, и изменению донорно-акцепторных отношений с преимущественным оттоком ассимилятов в плоды, приводящему к 2−3-кратному увеличению продуктивности. Доказано, что увеличение вариабельности признаков на целостном уровне при ИД 20−26 МПа соответствует переходному состоянию от гормезиса к стрессу.

Выявлено, что переход в состояние стресса на организменном уровне заключается в интеграции сигналов на уровне апикальных меристем и усилении их формообразовательных и акцепторных свойств. Анализ взаимосвязи биохимических, биофизических, анатомо-морфологических и физиологических особенностей растений позволил создать гипотетическую модель запуска реакции на организменном уровне в зависимости от дозы ИД, что открывает новые подходы к исследованию продукционного процесса и выживаемости растений в неблагоприятных условиях.

Практическая значимость. Проведенные расчеты и исследования физиологических процессов растений позволили создать технологию обработки семян ИД для повышения продуктивности [Патент 2 083 073 РФП. м. 85 291 РФ] и устойчивости растений [Патент 2 377 753 РФ], а также для синхронизации клеточных делений [Патент 1Ш 2 180 474]. В совхозе «Тепличный» г. Пензы проведены производственные опыты по исследованию морфофизио-логических особенностей и урожайности томатов и огурца защищенного грунта после обработки семян ИД, оформлен Протокол (1995 г). Использование метода в производстве позволило в 1995 г. получить фактический годовой экономический эффект 364 млн 440 тыс. руб. Имеется Акт о внедрении (форма Р-10). На растениеводческой базе ФГУП «Пензенское» по искусственному осеменению и реализации сельскохозяйственных животных в 2003 г проведены полевые исследования, на основании которых выданы Протоколы экспертизы морфофизиологических особенностей и урожайности гречихи сортов Аромат и Саулык, пшеницы сортов Безенчукская-139 и Пирамида после обработки семян ИД, в которых подтверждено увеличение продуктивности растений на 9−85%. В 2008 г проведены полевые опыты в ВНИИ агролесомелиорации (г. Волгоград), по результатам которых оформлен Протокол экспертизы урожайности растений ячменя сорта Донецкий 14 после обработки семян ИДурожайность растений увеличивалась на 38−58%.

Апробация работы. Материалы работы доложены на 5 межвузовских, 7 всероссийских совещаниях и конференциях- 18 международных конференциях и симпозиумах, в том числе на: I, II и IV Межвузовской научной конференции «Влияние физических и химических факторов на рост и развитие сельскохозяйственных растений», 1993, 1996, 2007 (Орехово-Зуево) — Межвузовской НПК «Биология и экология в системе современного педагогического образования», 1994 (Санкт-Петербург) — III, IV, V, VI Международной конференции «Регуляторы роста и развития растений», 1995, 1997, 1999, 2001 (Москва) — I Всероссийской конференций фотобиологов, 1996 (Пущино) — Международном симпозиуме «Physical-Chemical Basis of Plant Physiology», 1996 л s (Пенза-Пущино) — Международном симпозиуме «International Symposium on.

Stress and Inorganic Nitrogen Assimilation & the 2nd Fohs Biostress Symposium", 1996 (Москва) — III, IV ежегодном симпозиуме «Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология», 1997, 1999 (Москва) — 7-м координационном совещании преподавателей физиологии растений вузов России «Проблемы и достижения современной' физиологии растений и их использование в вузовском и школьном преподавании», 1997 (Пермь) — Всероссийской молодежной конференции «Растение и почва: проблемы агрофизики, агрохимии и фитофизиологии», 1999 (С.-Петербург) — III Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких сельскохозяйственных растений», 2000 (Пенза) — Годичном собрании ВОФР- 2001 (Уфа) — Международной научной конференции «Биотехнология на рубеже двух тысячелетий», 2001 (Саранск) — Международном симпозиуме «Plant under environmental stress», 2001 (Москва) — научной конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков», 2003 (Ярославль) — V съезде ОФР России и Международной конференции «Физиология растений — основа биотехнологии», 2003 (Пенза) — Международной научной конференции «Проблемы физиологии растений Севера», 2004 (Петрозаводск) — Международной конференции «Физиологические и молекулярно-биологические аспекты сохранения биоразнообразия», 2005 (Вологда) — 7-м Международном симпозиуме «Shoclc-assisted Synthesis and Modification of Materials», 2006 (Москва) — 2-м и 3-м Международных форумах «Актуальные проблемы современной науки», 2006, 2007 (Самара) — Годичном совещании ОФР России и конференции «Физиология растений — фундаментальная основа современной агробиотехнологии», 2006 (Ростов-на-Дону) — VI съезде ОФР России и Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до биосистем», 2007 (Сыктывкар) — Международном Форуме по проблемам науки, техники и образования, 2007 (Москва) — IV Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз», 2008 (Москва), а также на научных семинарах в ПГПУ и ВолгГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 77 работ, в том числе 1 монография (в соавторстве), 23 статьи, в том числе 10 в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов докторских диссертаций, 3 изобретения, 3 полезных модели.

Структура работы. Диссертация написана на 414 страницах, включает введение, обзор литературы (глава I), описание объектов и методов исследования (глава II), изложение полученных результатов (глава III, IV, V, VI), выводы, список литературы и приложение. Текст иллюстрирован 39 таблицами и 74 рисунками.

Список литературы

включает 369 отечественных и 240 зарубежных работ. В приложении содержатся результаты исследования всхожести и продуктивности растений в течение 17 лет, копии акта внедрения и протоколов испытаний.

5. Выводы и рекомендации.

Результаты проведенных* исследований? показали значительное, повышение продуктивности ячменя сорта Донецкий? 14 и яровой пшеницы Саратовская 42. Рекомендуется высев промышленной партии семян, обработанных УД.

Исполнители: Профессор, д-р биол. наук, зав. сектором защиты растений от вредителей и болезней ВНИАЛМИ.

Канд. биол. наук, инженер сектора защиты растений от вредителей и болезней ВНИАЛМИ.

Студент гр. ЭКО-646 ВолгГТУ.

М.Н. Белицкая.

Канд. биол. наук, доцент каф. ПЭБЖ ВолгГТУ.

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агролесомелиорации РАСХН Адрес: 400 062, г. Волгоград, Университетский проспект, 97 Тел. (8442) 46−25−67 Факс (8442) 46−25−10 E-mail: [email protected] www.avtlg.ru/~vnialmi.

И.Р. Грибуст gf^ А. С. Мурадян.

Е.Э. Нефедьева.

ФГОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет.

Адрес: 400 131, г. Волгоград, просп. Ленина, 28 Тел. / факс (8442) 23−00−76 (8442)23−41−21 E-mail: [email protected] www.vstu.ru.