Физиолого-биохимические процессы и морфогенез у растений после действия импульсного давления на семена тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.05, доктор биологических наук Нефедьева, Елена Эдуардовна

• Нефедьева, Елена Эдуардовна
• доктор биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации доктор биологических наук Нефедьева, Елена Эдуардовна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I ОБЗОР НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ

РАСТЕНИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ФАКТОРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.

1.1 Действие факторов окружающей среды на растения.

1.2 Основные представления о стрессе у животных и растений.

1.3 Проявление специфических и неспецифических реакций при стрессе у растений

1.4 Стадии стресса у животных и растений.

1.5 Дозовые зависимости стрессовой реакции растений.

1.6 Уровни саморегуляции у растений и их участие в стрессовой реакции.

1.7 Обобщенные представления о рецепции и трансдукции сигнала и мембранной регуляции в стрессированной клетке.

1.8 Изменение активности генов и ферментов в условиях стресса.

1.9 Особенности синтеза белка в растительной клетке при стрессе.

1.10 Цитологические изменения в растительной клетке при стрессе.

1.11 Участие дыхания, фотосинтеза и донорно-акцепторных отношений в развитии стрессовой реакции.

1.12 Участие фитогормонов в стрессовой реакции растений.

1.13 Изменение интегральных показателей растений при действии факторов различной интенсивности.

1.14 Особенности реакции целостного растительного организма на факторы окружающей среды.

Глава И. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Глава III. ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ

СЕМЯН И СТИМУЛЯЦИИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ.

3.1 Роль давления в жизни растений.

3.2 Механизмы возникновения баростресса у растений.

3.3 Использование энергии взрыва для обработки семян.

3.4 Использование особенностей ударной волны, распространяющейся в воде, в технологии обработки семян ИД.

3.5 Расчет параметров ударной волны, воздействующей на семена.

3.6 Схемы и устройства для ударно-волновой обработки семян.

3.7 Общая характеристика химических и физико-химических процессов, вызванных прохождением ударной волны.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ИД НА ПРОХОЖДЕНИЕ РАСТЕНИЯМИ ГРЕЧИХИ РАННИХ ЭТАПОВ ОНТОГЕНЕЗА.

4.1 Действие ударно-волновой обработки на всхожесть семян некоторых видов растений.

4.2 Динамика качества семян гречихи под действием ИД.

4.3 Особенности поглощения воды при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.4 Закономерности перераспределения пластических веществ при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.5 Изменение активности гидролитических ферментов при прорастании семян гречихи после обработки ИД.

4.6 Возможный механизм действия ИД на структурные особенности семян, основанный на анализе поглощения воды и изменения активности ферментов.

4.7 Влияние ИД на активность каталазы и интенсивность дыхания семян гречихи при прорастании.

4.8 Действие ИД и пониженных температур на содержание пролина в прорастающих семенах гречихи.

4.9 Изменение гормонального баланса прорастающих семян и проростков гречихи под влиянием ИД.

4.10 Особенности функционирования корневых меристем проростков гречихи после обработки ИД.

4.11 Последействие обработки семян ИД на рост и формообразовательные процессы проростков гречихи.

4.12 Влияние ИД на рост и накопление массы проростками гречихи.

Глава V. ВЛИЯНИЕ ИД НА РОСТ, РАЗВИТИЕ И ПРОДУКТИВНОСЬ

РАСТЕНИЙ ГРЕЧИХИ.

5.1 Последействие обработки семян ИД на рост растений гречихи.

5.2 Формирование боковых побегов у растений гречихи, обработанных ИД.

5.3 Влияние ИД на формирование листового аппарата растений гречихи.

5.4 Особенности формирования корневой системы растений гречихи под влиянием

5.5 Участие фитогормонов в развитии реакции растений на действие ИД в фазы цветения и плодоношения.

5.6 Донорно-акцепторные отношения и продуктивность растений после обработки семян ИД.

5.7 Влияние ИД на формирование соцветий у растений гречихи.

5.8 Влияние ИД на формирование урожая у растений гречихи.

5.9 Стратегии адаптации к стрессовым дозам факторов среды у растений.

5.10 Влияние ИД на наследование продуктивности растений гречихи первого семенного поколения и варьирование этого признака.

5.11 Изменение всхожести семян и продуктивности растений в процессе хранения семян после обработки ИД.

5.12 Продуктивность растений как результат сопряженной устойчивости к действию ИД и другим факторам среды.

Глава VI. ВЛИЯНИЕ ИД НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И

ПРОДУКТИВНОСЬ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ, ТОМАТОВ И ОГУРЦА.

6.1 Влияние ИД на прорастание семян и особенности проростков и ювенильных растений ячменя.

6.2 Влияние ИД на формирование листового аппарата ячменя.

6.3 Влияние ИД на продуктивность ячменя.

6.4 Возможности использования предпосевной обработки семян огурца ИД для выращивания растений в условиях защищенного грунта.

6.5 Влияние ИД на всхожесть семян и физиологические особенности проростков и ювенильных растений огурца.

6.6 Применение предпосевной обработки семян огурца защищенного грунта ИД для повышения продуктивности растений.

6.7 Действие ИД на содержание фитогормонов в листьях растений томатов.

6.8 Влияние предпосевной обработки ИД на рост, развитие и продуктивность томатов в условиях защищенного грунта.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 произведены- расчеты 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 стимуляцией; переходной зоны повышенной вариабельности; зоны стресса с особой динамикой физиологических процессов.

3. Реакция на уровне организма является интегральной; события 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 2083073 РФ; П. м. 85291 РФ] и устойчивости растений [Патент 2377753 РФ], а также для синхронизации клеточных делений [Патент 1Ш 2180474]. 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 ИД; урожайность 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.

Заключение диссертации по теме «Физиология и биохимия растений», Нефедьева, Елена Эдуардовна

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: 400062, г. Волгоград, Университетский проспект, 97 Тел. [phone] Факс [phone] E-mail: [e-mail] www.avtlg.ru/~vnialmi

И.Р. Грибуст gf^ А. С. Мурадян

Е.Э. Нефедьева

ФГОУ ВПО Волгоградский государственный технический университет

Адрес: 400131, г. Волгоград, просп. Ленина, 28 Тел. / факс [phone] [phone] E-mail: [e-mail] www.vstu.ru