CC BY
49
УДК 631 Доктор биол. наук И.А. КОСАРЕВА
([email protected]) Аспирант М.С. ВИШНЕВСКАЯ
(ФГБНУ ВИР им. Н.И. Вавилова, [email protected])
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОГЛОЩЕННЫХ ИОНОВ НАТРИЯ И КАЛИЯ В ТКАНЯХ РАСТЕНИЙ MEDICAGO SP., РАЗЛИЧАЮЩИХСЯ ПО СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ
Люцерна, солеустойчивость, концентрация ионов натрия
Засоление сельскохозяйственных почв является одной из наиболее глобальных и негативных тенденций настоящего. По данным Института мировых ресурсов (World Resources Institute), около 10% поверхности континентов покрыто засоленными почвами [1]. Засоление почвы может быть следствием повышения содержания в почвенном растворе легкорастворимых солей. Токсичными для растений при этом являются: хлориды (NaCl, CaCh, MgCh), сульфаты (Na2SO4, MgSO4), карбонаты (Na2CO3, NaHCOs) и нитраты (NaNO3, KNO3). Хлоридное засоление (хлорид натрия) является одним из наиболее токсичным для растений и распространенным на сельскохозяйственных почвах.
Пагубное действие засоления на растения заключается в ряде аспектов. Так, повышенная концентрация ионов в прикорневой зоне вызывает отток воды из клеток тканей растения, тем самым обусловливая осмотический стресс, приводящий к торможению роста и усыханию растения [2]. Поглощение растением избыточных ионов натрия и хлора приводит к токсическому стрессу, нарушению протекания биохимических реакций, в частности фотосинтеза. [3]. Результатом избыточного содержания ионов натрия и хлора в почвенном растворе является их успешная конкуренция при поступлении в клетки растения с ионами К+, Са2+ и Mg2+, что вызывает метаболический стресс и также ведет к угнетению роста, нарушению работы устьичного аппарата и гибели растения [4, 5, 6].
Изучение механизмов солеустойчивости растений необходимо для успешной селекции новых сортов. Существует несколько адаптивных стратегий, выявляемых на молекулярном, биохимическом, цитологическом и организменном уровнях. Одним из путей выживания растений в условиях солевого стресса является компартментализация избыточных ионов, например, натрия и хлора. Большая часть цитотоксичных ионов в цитоплазме клетки в результате находится в вакуолях, тем самым, минимизируя негативное влияние на протекание биохимических процессов, или активно транспортируется через мембрану в межклетники [7, 8]. В результате солеустойивые генотипы накапливают избыточные ионы натрия и хлора. В качестве осмолитов и осмопротекторов также используются синтезированные и компартментализированные клеткой глицин-бетаин, жирные кислоты, многоатомные спирты и сахара (маннитол, трегалоза), аминокислоты (пролин). В другом случае, корни выполняют защитную барьерную функцию, не пропуская избыточного количества ионов солей [9].
Так как засоление почв делает их непригодными для использования в сельском хозяйстве, актуальным является поиск солеустойчивых генотипов сидератных растений, культивирование которых может замедлить негативные тенденции развития сельскохозяйственных территорий. Люцерна (Medicago L.) является одной из важнейших мелиоративных культур, будучи среднесолеустойчивым растением. Из-за генетических особенностей люцерны (перекрестное опыление, полиплоидия) изучение полигенных признаков, таких как солеустойчивость, требует комплексного анализа на морфо-физиологическом, биохимическом и молекулярно-генетическом уровнях.
Задача нашей работы заключалась в тестировании образцов люцерны мировой коллекции ВИР на устойчивость к хлоридному засолению, выявление стратегии выживания потенциально солеустойчивых генотипов в условиях вегетационного эксперимента. Для оценки солеустойчивости испытуемых образцов измеряли количество поглощенных растением ионов натрия и калия. Для анализа были отобраны уникальные эндемичные генотипы (люцерна голубая из горных районов Дагестана, люцерна посевная из Китая, сорт Якутская желтая), а также сорта, созданные в 50-х, 70-х годах в США, Канаде, России, Украине. Данные сорта создавались для выращивания в условиях орошаемого земледелия регионов Нового света, центральных и южных районов Евразии, характеризуются высокой урожайностью. Изучение образцов, имеющих различное географическое
происхождение, адаптированных к произрастанию в различных экологических условиях, повышает вероятность обнаружения ценных для селекции солеустойчивых генотипов люцерны.
Для тестирования на солеустойчивость из мировой коллекции ВИР были отобраны 18 образцов многолетних видов люцерны. Среди них пять сортов люцерны изменчивой (M. varia Mart.), два сорта люцерны посевной (M. sativa L.), три дикорастущих местных образца люцерны посевной различного происхождения - из Казахстана, Туркмении и Китая и восемь дикорастущих образцов разных видов (M. caerulea Less. ex Ledeb., M. falcata L., M. trautvetteri Shumn.) (табл.1). Выращивание люцерны в вегетационных сосудах проводили по методике, предложенной Смитом (2011). 18 образцов люцерны выращивали 41 сут. при круглосуточном освещении в полиэтиленовых трубочках, содержащих субстрат (2:4:1 части торфа, песка и перлита). В каждой трубочке находились 2 растения. Контрольные растения весь период вегетации поливали % концентрации раствора Хоагланда. Опытные растения первые 9 сут. поливали % концентрации раствора Хоагланда, а затем тем же раствором с добавлением 1% NaCl. По истечении срока культивирования определяли содержание поглощенных растениями ионов натрия и калия.
Т а б л и ц а 1. Образцы люцерны из мировой коллекции ВИР, проанализированные по устойчивости
к засолению в ходе исследований
№ Образец Происхождение
1 M. coerulea к-12821 Дагестан, Кавказ
2 M. coerulea к-36116 Казахстан
3 M. falcata subsp. borealis Grossh. к-1467 Россия, Ленинградская обл.
4 M. falcata к-36748 Казахстан, Актюбинская обл.
5 M. falcata к-44033 Россия, Якутия
б M. falcata к-44050 Россия, Краснодарский край
7 M. sativa к-33743 Китай
S M. sativa к-38539 Казахстан, Семиреченск
9 M. sativa к-40812 сорт Надежда Украина
10 M. sativa к-42760 Deseret США
11 M. sativa к-8958 Туркмения
12 M. trautvetteri к-35023 Казахстан, Актюбинская обл.
13 M. trautvetteri к-38553 Казахстан, Джезказганская обл.
14 M. varia к-25782 сорт Тибетская Казахстан, Актюбинская обл.
15 M. varia к-27062 сорт Северная гибридная Россия, Ленинградская обл.
1б M. varia к-33299 Rambler Канада
17 M. varia к-38382 Drylander Канада
1S M. varia к-8469 Vernal США
Для определения содержания натрия и калия использовали метод, описанный Шавруковым (2009). Для каждого сорта составляли 3 выборки: а) контрольные растения; б) погибшие в опытном варианте растения; в) выжившие в опытном варианте растения. Высушенный растительный материал из каждой выборки (5 мг) помещали в пластиковые тубы, заливали 10 мл 1% HNO3, закрывали крышками и помещали на 8 ч. в термостат с температурой +850С, периодически встряхивая. Затем содержимое тубов фильтровали и анализировали вытяжку на содержание натрия и калия на пламенном фотометре (Flame photometer Jenway PFP 7, England). Концентрации получены при калибровке прибора (погрешность менее 0,5%, зависимость линейная, коэффициент корреляции 0,999). Статистическую обработку результатов производили в программе STATISTICA 7.1 (StatSoft, Inc., USA).
Среди образцов 2, 8 и 17 не было ни одного растения, выжившего в эксперименте, поэтому из общего дисперсионного анализа данные образцы были исключены и проанализированы отдельно. Содержание обоих элементов у них значимо зависело от засоления, образца и от их взаимодействия (табл. 2). При этом концентрация натрия во всех трёх образцах была выше у погибших растений, чем у контрольных, а калия - наоборот, у контрольных. Попарные сравнения по тесту Тьюки подтвердили значимость различий (p<0,001) по содержанию натрия между погибшими и
контрольными растениями для всех трёх образцов люцерны, а по содержанию калия - только для образцов 2 и 17, но не 8 (р=0,08), где содержание калия в контроле лишь незначительно превышало таковое у погибших в эксперименте растений. По отношению N8^, которое было значимо выше у погибших растений, указанные сорта не различались (табл. 2).
Похожая картина наблюдалась у остальных образцов, где были проанализированы три группы: выжившие в эксперименте растения, погибшие в эксперименте и контроль (табл. 2, рис. 1). Концентрация натрия была значимо выше в эксперименте, причём в погибших растениях она оказалась максимальной - значимо более высокой, чем у выживших. Дисперсионный анализ не обнаружил значимых различий между образцами по содержанию натрия, и взаимодействие факторов образца и засоления тоже было незначимо. Что касается содержания калия и отношения N3^, здесь значимыми были все эффекты: засоления, образца и их взаимодействия. Концентрация калия была значимо выше в контроле, чем в эксперименте, причём погибшие и выжившие растения по данному параметру не различались. Попарные сравнения по тесту Тьюки показали, что погибшие и выжившие растения ни у одного образца не различались также и по отношению Na/K (р>0.5), несмотря на отмеченные выше различия между ними по содержанию натрия.
Т а б л и ц а 2. Влияние засоления и принадлежности к образцу на содержание натрия и калия
у люцерны
Параметры Факторы
Засоление* Образец Засоление хобразец
Образцы 2, 8 и 17 (нет выживших в эксперименте)
Содержание № Б1,14=367, р<0.001 Б2,14=5, р=0.03 р2,14=6, р=0.02
Содержание К Б1,14=98, р<0.001 Р2,14=8, р=0.004 р2,14=6, р=0.01
Отношение Na/K Б1,14=144, р<0.001 Б2,14=3, р=0.08 Б2,14=2, р=0.15
Образцы 1, 3-5, 7, 9-16 и18
Содержание № р2,1б2=365,р<0.001 ^13,162=1, р=0.20 ^26,162=1, р=0.30
Содержание К ^2,162=24, р<0.001 ^13,162=3, р=0.002 р26,162=2,р<0.001
Отношение Na/K р2,1б2=195,р<0.001 ^13,162=4, р<0.001 Р26,162=3,р<0.001
* три группы: погибшие, выжившие, контроль (см. рис. 1)
5 2 г—
5.0 г
48 ф
с
&Г 11'-
а 6
§ " 8
| "3 8 ■ Й
I :'3.6 й
3.4 Щ2 3| -
^ .., ..... .-,„,.. ... - ... ,. ......... . ,
Пспгаи» цштасалн-и Е^шшпрцитлсатен« ЕЬнпюлиле Псп&И ЦЙзанчнИ! Й.ШРШ11 фИЗЯСОЛНИ Кыргсыые
Растенн лн1*р1ы ?:||'||'ПЦ.|||| |ЧП,[
Рис. 1. Результаты однофакторного дисперсионного анализа; концентрации поглощенных ионов калия (слева) и натрия (справа) у контрольных растений, а также погибших и выживших в условиях засоления, совокупно
для всех образцов
По результатам эксперимента все тестируемые образцы многолетней люцерны накапливали избыточное количество ионов натрия. При этом не выявлено четкой корреляции между содержанием натрия и солеустойчивостью образца. Если сравнить группу «выжившие» и группу «погибшие» для всех испытуемых образцов, то общее содержание ионов натрия в первой группе будет меньше, чем во второй (рис. 1). Однако образцы по отдельности такой закономерности не проявляют (рис.2). По результатам дисперсионного анализа предположительно солеустойчивые образцы (9) M. sativa с. Надежда, (14) M. varia с. Тибетская, (11) M. sativa к-8958, (16) M. varia с. Rambler, (1) M.coerulea к-12821 демонстрировали высокое содержание натрия в тканях выживших растений (нет достоверной разницы по концентрации поглощенных ионов по сравнению с погибшими растениями). С другой стороны, для образца (15) M. varia сорт Северная гибридная (предположительно солеустойчивого) было характерно значительно более низкое содержание натрия для выживших растений, чем для погибших. Три образца - (8) M. sativa, (17) M. varia Drylander, (2) M. coerulea - оказались наиболее чувствительными к засолению, среди них не было выживших растений. Для образцов 2, 8, 17 нет группы «выживших» в условиях 1% хлоридного засоления, для образца 5 в анализе не присутствовала группа контрольных растений.
—I-1-1—
—I-1-1-1—
—I-1-1-1-1—
|C¡| I _■_I_■_■_■_I_I_■_■_■_■_I_■_■_■_■_■_ i _ _
-у- Плийший
9 14 1 7 15 2 $ IS 10 11 8 11 5 12 16 4 17 ВЫЯШЯШГК
J Коншопгиий
Образец
Рис. 2. Содержание поглощенных ионов натрия в тканях тестируемых растений люцерны
По содержанию поглощенных ионов калия не было выявлено достоверной разницы между группой погибших и выживших в условиях засоления растений. Однако контрольные растения содержали больше ионов калия, чем угнетаемые хлоридом натрия, тогда как ионов натрия в них содержалось значительно меньше. Возможно, это связано с конкуренцией ионов при поступлении их в клетки корня. При повышенной концентрации в околоклеточном пространстве ионы натрия получают преимущество для транспорта внутрь клетки, что ведет к нарушению ионного баланса и угнетению растения.
Приведенные данные свидетельствуют об устойчивости отдельных образцов люцерны к избытку ионов натрия. Одна из возможных адаптационных стратегий растений солеустойчивых образцов (9, 14, 11, 1) - накопление избыточных ионов и их нейтрализация в вакуолях (компартментализация). В этом случае концентрация ионов в тканях у выживших и погибших растений не отличается достоверно, а критичным является локализация ионов.
Многолетние виды люцерны представляют большую ценность как источник солеустойчивых генотипов, перспективных в использовании для биомелиорации почв, благодаря широкому ареалу распространения, потенциальной экономической ценности посевов, благотворному влиянию данной культуры на химический, структурный и микробиологический состав почв. Выделившиеся по
результатам анализа солеустойчивые образцы M. sativa с. Надежда, M. varia с. Тибетская, M. sativa к-8958, M. varia с. Rambler, M.coerulea к-12821 могут быть рекомендованы для селекции высокоадаптивных сортов люцерны.
Л и т е р а т у р а
1. Казакова Л. А. Комплексная мелиорация орошаемых солонцовых и засоленных почв Нижнего Поволжья: Дис... доктора биол. наук. - Волгоград, 2007.
2. Бондарева А. О., Молдакимова Н. А. Влияние солевого стресса на злаковые растения// Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева. - Астана (Казахстан). URL. http://www.enu.kz. (2013).
3. Ashraf M. Some important physiological selection criteria for salt tolerance in plants //Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants. - 2004. - Т. 199. - №. 5. - С. 361-376.
4. Ковда В.А. Основы учения о почвах. Общая теория почвообразовательного процесса. Кн.2.- М. : Наука, —2014 Кн. 1.- 447 с.; Кн. 2.- 467 с.
5. Sanders, D. (2000). Plant biology: The salty tale of Arabidopsis. Current Biology, 10(13), R486-R488.
6. Zhu J.K Genetic analysis of plant salt tolerance using Arabidopsis //Plant Physiology. - 2000. - Т. 124. - №. 3. - С. 941-948.
7. Hasegawa P.M., Bressan R.A., Zhu J.K. et al. Plant cellular and molecular responses to high salinity.// Annu. Rev. Plant Physiol. 51:463-499. 2000.
8. Blumwald E., Aharon G. S., Apse M. P. Sodium transport in plant cells //Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes. - 2000. - Т. 1465. - №. 1. - С. 140-151.
9. Yokoi S., Bressan R. A., Hasegawa P. M. Salt stress tolerance of plants //JIRCAS working report. - 2002. - Т. 23. - №. 01. - С. 25-33.
УДК 630.228.3+ 630.232 + 630.811 Канд. с.-х. наук Д.А. ДАНИЛОВ
(ФГБНУ Ленинградский НИИСХ «Белогорка» Россельхозакадемии, 81о%<п200@ mail.ru) Доктор с.-х. наук В.П. ЦАРЕНКО (СПбГАУ, [email protected])
ВЛИЯНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОЧВ В ЧЕРНИЧНОМ ТИПЕ ЛЕСА НА ТАКСАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ НЕ ЗАТРОНУТЫХ РУБКАМИ ДРЕВОСТОЕВ СОСНЫ И ЕЛИ
Лесные почвы, сосново-еловые древостои, таксационные показатели насаждения, запас и товарная структура древостоя
Смешанные древостои сосны и ели занимают более 70% лесопокрытых площадей черничных типов леса в Северо-Западном регионе. В зависимости от сложения почв на них могут формироваться древостои различного состава и запаса к возрасту спелых насаждений, пригодных для рубки. В ранее проведённых исследованиях отмечалась зависимость производительности условно чистых сосновых насаждений от содержания физической глины и мощности гумусового горизонта в почве. Были разработаны различные модели связывающие рост насаждений сосны и ели с генезисом почвообразующих пород и уровнем грунтовых вод [1]. Использование естественного плодородия почв позволяет формировать высокопродуктивные и устойчивые хвойные насаждения, что требует изучения роста насаждений от момента их возникновения до возраста спелости. Однако тематика исследований этих показателей на рост смешанных сосново-еловых насаждений достаточно мало разработана.
Выращивая такие насаждения, следует дифференцированно подходить к рубкам ухода на всех этапах развития этих насаждений [2,3]. Исследуя незатронутые рубками древостои, можно понять, в каких почвенных лесорастительных условиях формируются древостои с большим запасом крупной древесины к возрасту количественной спелости древостоя [4, 5].
Целью нашего исследования являлся анализ средних таксационных показателей и товарной структуры незатронутых рубками смешанных древостоев сосны и ели в зависимости от морфологического строения почв.
