CC BY
49
Биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Ло баче вского, 2009, № 5, с. 118-122
УДК 577.37
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ПОВЫШЕННОГО РАДИАЦИОННОГО ФОНА НА СОЛЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ
© 2009 г. О.В. Орлова, В. С. Сухов, В.А. Воденеев
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]
Постипила вседакцию 07.04.2009
Исследована возможность использования разности электрических потенциалов между корнем и побегом для оценки солеустойчивости проростков пшеницы, выращенных из контрольных и обработанных ионизирующим излучением (источник - 90Sr -90Y; мощность дозы - 0.40 и 0.50 мГр/час; экспозиция - 60 час) семян. Показано, что внутри каждой из групп у проростков наблюдалась достоверная положительная линейная корреляция между разностью потенциалов и временем жизни в насыщенном растворе NaCl (солеустойчивостью). При этом у проростков, выращенных из облученных семян, наблюдалось как снижение разности потенциалов между корнем и побегом, так и уменьшение времени жизни в насыщенном растворе NaCl, причем связь между средними по группе значениями этих показателей (в опытах и контроле) также имела линейный характер.
Ключевые слова: разность потенциалов, солеустойчивость, ионизирующее излучение.
Введение
Способность к генерации электрических потенциалов (биоэлектрогенез) является универсальным свойством живых систем [1, 2]. У растений биоэлектрогенез тесно связан с транспортом ионов через плазматическую мембрану [1, 2], фотосинтезом [1, 3, 4], дыханием [5] и многими другими процессами, протекающими в растительном объекте. Зависимость растительного биоэлектрогенеза от метаболизма открывает возможность применения показателей процессов электрогенеза для оценки состояния растения, в том числе - его устойчивости к действию неблагоприятных факторов.
В литературе имеются работы, обосновывающие использование потенциалов покоя (а также обусловленных ими показателей, включая разность потенциалов (РП) между участками растения) и потенциалов возбуждения для оценки устойчивости растительных объектов к действию стресс-факторов [6-8]. Однако относительно слабо изученной остается возможность применения РП в качестве показателя устойчивости растений к действию тех или иных стресс-факторов при исследовании влияния на такую устойчивость различных модулирующих условий. Среди последних особый интерес представляют малые дозы ионизирующих излучений, так как данные об их действии на
устойчивость растений к другим стресс-факторам остаются противоречивыми [9, 10].
Таким образом, целью настоящей работы стал анализ возможности использования РП между корнем и побегом для оценки устойчивости проростков пшеницы к действию стресс-факторов (на примере солеустойчивости) в нормальных условиях и в условиях повышенного радиационного фона.
Экспериментальная часть
В качестве объекта исследования использовали проростки пшеницы (ТгШсит aestivum L.), выращенные на половинной среде Хоглэнда-Арнона [11] при 12-часовом световом дне из облученных и необлученных семян.
Облучение проводили контрольным источником 91^г -90У с активностью 90 кБк. Расчетная мощность дозы составляла 0.5 и 0.4 мГр/час, изменение мощности достигалось при помощи удаления источника от семян. Обработка семян проводилась в течение 60 час после замачивания (общая доза составляла 30 и 24 мГр), что позволяло воздействовать на растения в период наиболее активного деления клеток (первые 48 час [12]).
РП между корнем и побегом растения измеряли с помощью стандартной электрофизиологиче-ской установки для экстраклеточного отведения
биопотенциалов, включающей в себя хлорсереб-ряные неполяризующиеся электроды ЭВЛ-1М и высокоомного цифрового комбинированного милливольтметра Щ-4300 [1]. При измерении электрод сравнения контактировал через стандартный раствор с корнем проростка, измерительный - с кончиком побега. Время между закреплением проростка для измерения РП и собственно измерением составляло не менее 15 мин, что в данных условиях было достаточно для установления стационарных значений потенциала.
Для оценки солеустойчивости проростков их погружали в насыщенный раствор NaCl (19-21°С), после чего определяли время, которое предшествовало потере тургора у растения. При последующем отмывании и возвращении в исходную среду потерявших тургор проростков их восстановления не происходило. На основании этого время, в течение которого объект сохранял тургор, рассматривали как время жизни проростка в насыщенном растворе NaCl. Так как время жизни организма в условиях действия какого-либо стресс-фактора применяется для определения его устойчивости к такому фактору [13], данный показатель был использован для оценки солеустойчивости растения.
Учитывая высокую вариабельность значений РП у проростков пшеницы, при изучении связи между величиной РП и солеустойчивости дополнительно был использован специальный алгоритм обработки первичных результатов. На первом этапе результаты, полученные на отдельных растениях, располагали по возрастанию величины РП. На втором - полученные данные последовательно разбивали на группы по 5 растений, у которых находили среднюю величину РП и времени жизни. В дальнейшем анализе использовали уже найденные усредненные величины.
Обработку полученных результатов осуществляли методами вариационной статистики [14]. Биологическая повторность составляла 58 (контроль) и 47-60 (опыт).
Результаты и их обсуждение
Из рис. 1а видно, что для необработанных проростков между величиной РП и временем жизни в насыщенном солевом растворе наблюдалась достоверная положительная линейная корреляция (R = 0.73, p < 0.01), что свидетельствует о связи между этими величинами. Сходная корреляция наблюдалась и для проростков, выращенных из облученных семян: R = 0.66, p < 0.05 при обработке дозой 24 мГр (рис. 1б) и R = 0.63, p = 0.05 при обработке дозой 30 мГр
(рис. 1в). Полученные результаты показывают, что значения мембранного потенциала могут достаточно хорошо характеризовать солеустой-чивость проростков пшеницы как при нормальном, так и при повышенном радиационном фоне.
На следующем этапе исследования было изучено влияние обработки семян ионизирующим излучением на средние значения РП и солеустойчивости. При этом показано, что у выращенных из облученных семян проростков наблюдалось как снижение средней РП между корнем и побегом (рис. 2а), так и уменьшение среднего времени жизни в насыщенном растворе NaCl (рис. 2б). Обнаруженный эффект нелинейно зависел от дозы излучения - для проростков, выращенных из семян, обработанных 24 мГр, снижение времени жизни и РП было достоверно большим, нежели для растений, на семена которых действовала доза 30 мГр.
Для более точной оценки связи между соле-устойчивостью и РП в условиях обработки ионизирующим излучением, приведенные на рис. 2 результаты представлены в форме зависимости среднего времени жизни проростков опытных и контрольной групп в насыщенном растворе NaCl от среднего значения РП в этих группах. Как видно из рис. 3, такая зависимость очень близка к линейной (R2 = 0.96). Такой результат свидетельствует о том, что изменения РП между корнем и побегом могут отражать не только величину солеустойчивости растений внутри контрольной или опытной группы, но и изменения устойчивости, вызванные действием ионизирующего излучения.
Полученные результаты показывают, что РП между корнем и побегом может быть использована в качестве показателя солеустойчивости как для необлученных, так и для обработанных ионизирующим излучением проростков пшеницы. Можно предположить, что связующим звеном между изменениями РП и солеустойчиво-сти (которая, вероятно, отражает возрастание неспецифической устойчивости растения) служит величина энергизации клетки. В пользу этого предположения свидетельствует, с одной стороны, сильная зависимость потенциала покоя растений от метаболизма, в частности от энергизации [1, б], благодаря чему метаболические процессы могут оказывать значительное влияние и на РП, а с другой - показанное в ряде работ положительное влияние возрастания содержания АТФ на устойчивость растительных объектов к действию стресс-факторов [1З, 1б].
В качестве отдельного результата следует отметить и немонотонную зависимость солеустойчивости и РП проростков пшеницы от
Оч
И
а
И
70
60
50
40
10
20
30 РП, мВ
50
40
30
ч
В
20
0
10
20
30 РП, мВ
Рис. 1. Зависимость времени жизни в насыщенном растворе №С1 от РП между корнем и побегом для проростков пшеницы в различных экспериментальных группах (а - контроль, б - 24 мГр, в - 30 мГр)
К
Рч
Рис. 2. РП между корнем и побегом (а) и время жизни в насыщенном растворе №С1 (б) у проростков пшеницы различных групп. * -р < 0.05 при сравнении с контролем; # -р < 0.05 при сравнении с 30 мГр
10 12.5 15 17.5 20
РП, мВ
Рис. 3. Зависимость среднего времени жизни в насыщенном растворе №С1 от средней РП между корнем и побегом для контрольной и опытных групп
дозы ионизирующего излучения (рис. 2). Механизмы такой зависимости требуют дальнейшего изучения, однако, опираясь на некоторые общие гипотезы о причинах многофазной зависимости «доза - эффект» при действии ионизирующего излучения [17], можно предположить, что при более высоких дозах излучения происходит активация защитных систем растения, которые и снижают угнетающее действие радиации.
Заключение
На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что РП между корнем и побегом, вероятно, может быть использована для оценки солеустойчивости как необлучен-ных проростков пшеницы, так и проростков, выращенных из обработанных ионизирующим излучением семян.
Список литературы
1. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. М: Наука, 1991. 213 с.
2. Stahlberg R. Historical Introduction to Plant Electrophysiology / In: Plant Electrophysiology. Theory and Methods / Ed. A.G. Volkov. Berlin-Heidelberg: Springer, 2006. P. 3-14.
3. Булычев А.А. // Физиология растений. 1989. Т. 36. № 3. С. 479-486.
4. Bulychev A.A., Vredenberg V.J. // Physiol. Plant. 1995. V. 94. P. 64-70.
5. Пятыгин С.С., Воденеев В.А., Опритов В.А. // Успехи современной биологии. 2005. Т. 125. № 5. С. 534-542.
6. Гунар И.И., Паничкин Л.А., Маслов А.П. // Доклады АН СССР. 1970. Т. 185. С. 1230-1232.
7. Ретивин В.Г., Опритов В.А. // Физиология растений. 1992. Т. 39. № 6. С. 1224-1231.
8. Ретивин В.Г., Опритов В.А. // Доклады Акад. наук. 1993. Т. 331. № 4. С. 524-526.
9. Грейб Р. Влияние малых доз радиации на людей, животных и деревья. М.: Мир, 1994. 263 с.
10. Пивоваров Ю.П., Михалев В.П. Радиационная экология. М.: Академия, 2004. 240 с.
11. Гродзинский А.М., Гродзинский Д.М. Краткий справочник по физиологии растений. Киев: Наукова думка, 1973. 591 с.
12. Обручева Н.В., Антипова О.В. // Физиология растений. 1999. Т. 46. № 3. С. 363-368.
13. Хомутов А.Е., Ягин В.В. // Вестник Нижегородского ун-та. Сер. Биология. 2005. Вып. 2 (10). С. 152-156.
14. Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1973. 343 с.
15. Allakhverdiev S.I., Nishiyama Y., Takahashi S. et al. // Plant Physiol. 2005. V. 137. P. 263-273.
16. Сухов В.С., Воденеев В.А., Орлова О.В. // Вестник Нижегородского ун-та. Сер. Биология. 2005. Вып. 2 (10). С. 218-224.
17. Бурлакова Е.Б., Конрадов А.А., Мальцева Е.Л. // Химическая физика. 2003. Т. 22. № 2. С. 243-247.
AN ANALYSIS OF THE POSSIBILITY TO USE AN ELECTRIC POTENTIAL DIFFERENCE TO ESTIMATE THE INFLUENCE OF AN ENHANCED RADIATION BACKGROUND ON SALT TOLERANCE OF WHEAT SEEDLINGS
O. V. Orlova, V.S. Sukhov, V.A. Vodeneev
A possibility has been studied to use the electric potential difference between root and shoot to estimate the salt tolerance of wheat seedlings grown from control seeds and irradiated ones (source - 90Sr-90Y; dose rate - 0.45 and 0.5 mGy/h; exposure duration - 60 hours). A reliable positive linear correlation has been shown to exist between the electric potential difference and the lifetime in NaCl saturated solution (salt tolerance) for both groups of seedlings. The seedlings grown from the irradiated seeds haMy shown a decrease in the electric potential difference together with a decrease in the lifetime in the NaCl saturated solution. The relation between group average values of these factors (control and experimental ones) also had a linear character.
Kewwords: electric potential difference, salt tolerance, ionizing radiation.
