О связи реакции каллусов разных структур на засоление с солеустойчивостью культурных растений Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 581.143.5

О СВЯЗИ РЕАКЦИИ КАЛЛУСОВ РАЗНЫХ СТРУКТУР НА ЗАСОЛЕНИЕ С СОЛЕУСТОЙЧИВОСТЬЮ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ

© 2007 г. З.М. Алиева, З.А. Омарова, А.Г. Юсуфов

The complex of parameters of a morphgenesis and viability of the isolated structures of eggplant, sunflower, beet, pumpkin and string bean in vitro was investigated. The objects differ on activity of explants rhizogenesis and size of relative accumulation of a callus biomass at a salification of medium. The explants of salt resisting beet was steady at a salification. The threshold sensitivity of structures to a salification in limens of an individual varies and consequently the reaction of separate structure in vitro is not always adequate to salt tolerance of a plant.

Подходы к изучению продуктивности и устойчивости растений различны, в том числе - оценка особенностей морфогенеза и накопления биомассы тканей in vitro. При изучении действия разных факторов можно использовать как лабораторный тест метод культуры тканей и органов in vitro для оценки вероятных последствий экстремальных факторов для растений [1-4]. Применение метода позволяет проводить быструю оценку стресс-устойчивости растений, что и проводилось нами при действии засоления.

Задачи и методика

Объектами нашего исследования служили фасоль обыкновенная (Phaseolus vulgaris L.) сорта Сакс, свекла (Beta vulgaris L.) сорта Бордо 437, баклажан (Solanum melongena L.) сорта Алмаз, подсолнечник (Helianthus annuus L.) сорта ВНИИМК 8883, тыква (Cucurbita maxima L) сорта Волжская серая. Семена всех культур замачивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге. После проклевывания их сажали в ящики с промытым песком. С разновозрастных проростков брали эксплан-ты разных структур: гипокотиля, семядоли, листовой пластинки (далее ЭГ, ЭС, ЭЛ соответственно).

Параметрами оценки эффекта состояния изолированных структур служили: выживаемость, продолжительность жизни, активность процессов ризогенеза, образование каллуса, а также величина биомассы. Опыты проводили в условиях in vitro по общепринятой методике [5]. Перед стерилизацией объекта (0,1%-м раствором HgCl2) в течение 10 мин его промывали в порошковой воде, а далее несколько раз в дистиллированной. Срезанные концы экс-плантов обрабатывали парафином. По два экс-планта размером 5 - 10 мм помещали в пеницил-линовые стаканчики со средой Мурасиге - Скуга (МС) с регуляторами роста: индолилмасляной кислотой (ИМК), бензиламинопурином (БАП) в разных комбинациях, а также хлоридом натрия (NaCl). В каждом варианте - 20 + 25 стаканчиков. В работе использовали агаризованную среду.

Варианты культивирования. Минимальная среда МС без фитогормонов; среда VC + соль (NaCl - 10 г/л); МС + фитогормоны (ИМК - 0,5 и БАП - 2,5 мг/л); МС + фитогормоны +NaCl.

Результаты опытов

В опытах обнаружена специфика реакции объектов и структур на солевой стресс. У фасоли минимальная выживаемость при засолении среды характерна ЭС (табл. 1). Это наблюдалось даже при относительно невысоком уровне засоления (0,5 % №С1), тогда как у ЭЛ и ЭГ ее снижение отмечено при засолении 1 % . В целом же ЭГ у фасоли оказались менее чувствительными к засолению, чем листьев. Процент эксплантов с каллусом при 1 % засолении у гипоко-тилей снижался незначительно, а у семядолей и листьев - в 3 раза больше. Солевой стресс сильнее подавлял прирост биомассы экспланта и каллуса у ЭЛ, чем ЭГ (рисунок). При этом на среде МС с добавлением 0,5 % №С1 у ЭГ наблюдалось даже некоторое стимулирование процесса каллусообразования. Масса каллуса на 30-е сут культивирования на ЭГ составила 120, на ЭЛ - 96 % по сравнению с контролем. В варианте с засолением 1 % №С1 - 53 и 36 % соответственно. Тип каллуса менялся по вариантам. Он был более разнообразным в варианте с 0,5 % (от рыхлого до плотного, обычно желтый или белый), тогда как в варианте 1 % №С1 формировался коричневый и плотный каллус. Более чувствителен к солевому стрессу процесс корнеобразования, который подавлялся уже в

Таблица 1

Реакция эксплантов фасоли (А), подсолнечника (Б) и баклажана (В) на внесение №С1 в питательную среду

Вариант Выживаемость на 28-й день, % Каллусообразование, %

А Б В А Б В

ЭГ 1 2 3 100±10 100±10 50±9 85±10 80±10 50±8 60±11 55±8 20±9 95±10 85±10 71±10 85±9 80±10 50±8 63±11 55±10 0

ЭС 1 2 3 40±10 10±6 13±7 100±0 100±5 75±10 95±5 80±5 41±11 66±9 13±1 23±5 100±5 90±10 70±10 75±10 70±10 50±10

ЭЛ 1 2 3 70±9 70±9 27±9 60±9 50±9 40±8 100 100 100 75±10 18±7 30±5 25±5 20±5 0 90±8 86±10 86±5

Примечание. Обозначения вариантов:1 - МС+ИМК (0,5 мг/л) +БАП (2,5 мг/л); 2 - МС+ИМК+БАП+NaCl (0,5 %); 3 - МС+ИМК+БАП+NaCl (1 %)

варианте 0,5 % №С1. Суммируя все показатели, можно построить убывающий ряд чувствительности экс-плантов фасоли к солевому стрессу: ЭС, ЭЛ, ЭГ. Такая же картина наблюдалась и в опытах с культивированием структур в нестерильных условиях.

Структуры баклажана также отличались по чувствительности к солевому стрессу. Засоление (1 % №С1) приводило к высокой летальности у ЭГ (табл. 1), обычно без каллуса. У ЭС снижение показателей выживаемости, интенсивности и мощности кал-лусообразования оказалось менее значительным, чем

400 т мг

300-

I

II

200-

100-

и каллусообразование ЭЛ при введении в среду соли (1 %) составили для фасоли соответственно 39, 76 и 53 % по сравнению с контролем, а для баклажан все показатели остались на уровне контроля. У всех структур и баклажана, и фасоли в условиях засоления процесс корнеобразования сильнее ингибировался, чем каллусообразование.

Засоление приводило к снижению показателей выживаемости, роста и каллусообразования и у экс-плантов подсолнечника. При этом добавление хлорида натрия (1 %) к среде МС способствовало быстрому отмиранию всех эксплантов, а слабый каллус отмечен только у 10 % ЭС. Наблюдалась также задержка развития каллуса. Одновременное же введение регуляторов роста и соли приводило к полному подавлению каллусообразования у ЭЛ. У ЭС и ЭГ оно происходило менее активно, чем на среде без соли (рис. 2). Масса экспланта семядоли к 20-му дню культивирования в варианте без соли и регуляторов достигала 155 мг, в варианте только с солью (1 %) - 64. На среде с регуляторами и без соли масса экспланта с каллусом составила 293 мг, а с солью и регуляторами - 160 мг. Интенсивность каллусообразования ЭГ также снижалось в условиях №С1 засоления, что показано и для других его сортов [6].

Рис. 1. Прирост экспланта (I) и каллуса (II) листовых пластинок (А) и гипокотилей (Б) фасоли в условиях засоления среды. Варианты культивирования: 1) МС+ИМК+БАП;

2) МС+ЫаС1 (0,5 %); 3) МС+ЫаС1(1 %)

у ЭГ. Масса каллуса, образованного на ЭС, составила у 7- и 25-дневных эксплантов в контроле (без соли) 252 и 575 мг соответственно, а при введении 1 % -уже 86 и 153 мг (табл. 2). В контроле образование корней замечено у 33 % ЭС 7-дневных и 18 % - 25-дневных проростков. Введение соли в среду ингиби-ровало ризогенез у ЭС независимо от возраста. В варианте без засоления на каллусах ЭС и ЭГ закладывались почки, что полностью подавлялось при засолении среды. ЭЛ баклажана менее чувствительны к солевому стрессу, что проявлялось в более высоких (чем у ЭГ и ЭС) показателях выживаемости и каллу-сообразования (табл. 1). Так, выживаемость, прирост

300

200

100

□ ЭС

□ ЭГ

I

1 2

Рис. 2. Развитие каллуса на эксплантах семядолей и гипокотилей подсолнечника в условиях засоления среды. Обозначения вариантов: 1 - МС+ИМК+БАП; 2 - МС+ИМК+БАП+ЫаС! (1 %)

Таблица 2

Влияние засоления среды на сырую биомассу каллусной ткани

Вариант Фасоль Баклажан Подсолнечник Свекла Тыква

ЭС 1 - 0 155 ± 18 26 ± 5 99 ± 6

2 - 0 64 ± 23 23 ± 7 40 ± 2

3 - 575 ± 35 292 ± 46 43 ± 11 666 ± 51

4 - 153 ± 19 202 ± 20 99 ± 23 231 ± 39

ЭГ 1 0(корни) 15 ± 5 0 23 ± 3 145 ± 15

2 0(слаб. корни) 0 0 8 ± 1 81± 4

3 273 ± 46 40 ± 7 115 ± 20 15 ± 2 319 ± 48

4 146 ± 25 10 ± 3 130 ±15 20 ± 4 389 ± 73

ЭЛ 1 60 ± 10 - 64 ± 10 23± 4 21± 3

2 48 ± 13 - 15 ± 10 56 ± 10 12 ± 1

3 149 ± 39 - 76 ± 15 84 ± 11 239 ± 13

4 54 ± 11 - 66 ± 14 203 ± 3 97 ± 8

Примечание: 0)-каллус не образуется; -)- наблюдения не проводились

ьУ эксплантов свеклы внесение соли не только не снижало жизнеспособности, но в ряде случаев даже стимулировало рост каллуса. Особенно существенные различия наблюдались в массе образовавшейся каллусной ткани (табл. 2). Показательны различия разных структур в пределах одного и того же объекта. Высокую чувствительность проявили ЭГ, меньшую - ЭС, что приводило к снижению выживаемости и активности каллусообразования. Аналогичные результаты наблюдались и при культивировании эксплантов тыквы.

У всех объектов при засолении отмечено снижение показателей жизнеспособности структур. Специфика заключалась в скорости изменений показателей,

0

мг

0

особенно в падении активности накопления биомассы каллусной ткани в условиях засоления. Биомасса каллуса особенно изменялась у более солечувствительных культур (фасоли и баклажана), а менее - у устойчивой свеклы (табл. 2). В качестве показателя, характеризующего устойчивость растений к разным воздействиям, может служить относительная длина проростков [7]. В наших опытах в этих целях использована величина относительного накопления биомассы, рассчитываемая как отношение массы каллуса в варианте с солью к массе каллуса на среде без соли, выраженное в %.

Таким образом, по биомассе каллусных тканей разного происхождения преимущество оказалось у свеклы и подсолнечника. При сравнении усредненных показателей по всем тканям для каждого объекта фасоль незначительно отличалась от баклажана (45 и 26), заметно возрастал усредненный показатель у подсолнечника (90) и еще сильнее - у свеклы (202), а тыква занимала промежуточное положение (табл. 3). Это соответствует солеустойчивости целых растений [7] и свидетельствует и об органоспецифичности этого признака, что следует учитывать при разработке методов ее диагностики.

Итак, изучение in vitro комплекса показателей морфогенеза и жизнеспособности у изолированных структур разных объектов позволяет судить об органо- и объектоспецифичности реакции на засоление среды. В этом отношении наиболее отзывчивы такие показатели, как развитие корней у структур и накопление биомассы каллуса. По величине относительного накопления биомассы каллуса при засолении среды выделяется свекла как солеустойчивая культура. Отличия обнаружены и между другими объектами, хотя и менее резкие. Культивирование тканей in vitro для оценки действия экстремальных факторов на растения значимо, когда сравнение ведется с учетом результатов по разным структурам в пределах одного и того же растения. Это позволяет оценить специфику реакции сравниваемых культур с поправками на особенности отдельных структур. По реакции отдельной структуры in vitro не всегда удается определить солеустойчивость растения, так как заметно меняется пороговая чувствительность структур к засолению в пределах индивидуума [8, 9].

Пороговая чувствительность структур - важный показатель, меняющийся как последствие дифференциации организма [10]. Она значима для интеграции онтогенеза. Пороговая чувствительность структур к стрессам у растений слабо изучена, ее познание позволяет оценить последствия дифференциации и интеграции индивидуума. Используя метод культуры тканей in vitro в разных экспериментальных условиях, можно подойти и к поиску возможностей блокировки их отрицательных последствий.

Таблица 3

Относительное накопление биомассы каллусной ткани

Эксплант Фасоль Баклажан Подсолнечник Свекла Тыква

ЭС - 27 69 230 35

ЭГ 53 35 113 133 122

ЭЛ 36 - 89 242 41

Среднее* 45 26 90 202 66

*) приведены средние величины для всех эксплантов у каждой культуры

Литература

1. Косулина и др. Физиология устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. Ростов н/Д, 1993.

2. Шевелуха В.С.и др. Сельскохозяйственная биотехнология. М., 2003.

3. Алиева З.М., Прусакова Л.Д., Юсуфов А.Г. // Агрохимия, 2004. № 9. С. 74-84.

4. Алиева З.М., Прусакова Л.Д, Юсуфов А.Г. // Там же. С. 68-74.

5. Калинин и др. Методы культуры изолированных тканей в физиологии и биохимии растений. Киев, 1980.

6. Prakash A.H., Vajrana Bhaiah, Reddy P.C. // Hella. 1993. № 18. Vol. 16. P. 71-76.

7. Альдеров А.А., Баташева Б.А. //Достижения и современные проблемы развития науки в Дагестане. Махачкала, 1999. С. 249-250.

8. Алиева З.М. Реакция отделенных органов растений на солевой стресс: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2001.

9. Магомедова М.А., Юсуфов А.Г., Алиева З.М. // Вестн. ДНЦ РАН. 2003. № 14. С. 46-53.

10. Шмальгаузен И.И. // Избр. тр. М., 1982.

Дагестанский государственный университет_15 июня 2006 г.