Особенности явления иммунодефицита в устойчивости озимой пшеницы к вредителям Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Вісник Дніпропетровського університету. Біологія. Екологія. - 2008. - Вип. 16, т. 1. - С. 179-183. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology. Ecology. - 2008. - Vol. 16, N 1. - P. 179-183.

УДК 632.938.1

Н. А. Рябченко, А. А. Шубин, В. Д. Малыгина, Е. Н. Михалева, В. Г. Привалова

Донецкий национальный университет экономики и торговли им. М. Туган-Барановского

ОСОБЕННОСТИ ЯВЛЕНИЯ ИММУНОДЕФИЦИТА В УСТОЙЧИВОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ К ВРЕДИТЕЛЯМ

Установлено зниження імунітету рослин озимої пшениці до шкідників унаслідок різних мутацій, викликаних використанням інсектициду Бі-58 (новий).

N. А. Ryabchenko, А. А. Shubin, V. D. Malygina, Е. N. Mikhalyova, V. G. Privalova

M. Tugan-Baranovsky Donetsk National University of Economics and Trade

FEATURES OF IMMUNODEFICIENCY IN WINTER WHEAT’S RESISTANCE TO PESTS

Decrease in a winter wheat immunity to pests owing to various mutations, which caused by application of insecticide Bi-58 (new), is established.

Введение

Современные технологии возделывания озимой пшеницы в Украине основываются на широком использовании пестицидов, которые могут вызывать различные мутационные явления, влиять на гомеостатический уровень растительного организма [4]. Считалось общепринятым, что устойчивость растений к насекомым в ряде поколений не может генетически изменяться под влиянием химических и других факторов. В настоящее время известно, что реакцию растения на воздействие пестидов можно классифицировать как явление стресса, с которым растительный организм не сталкивался ранее [1]. Этот пестицидный стресс и приводит к увеличению мутационных явлений, а последние - к снижению иммунитета в растительном организме [6]. Мутации рассматриваются в качестве основных источников генотипической изменчивости растений, обуславливающей их адаптивный потенциал [3]. Резюмируя вышеизложенное, можно отметить, что индуцированные мутации снижают приспособленность генотипов к среде обитания, так как, по Н. П. Дубинину и др. [2], «характер и уровень мутабельности представляет собой адаптивное свойство вида».

Цель данной работы заключалась в определении мутагенной активности инсектицидов на растениях озимой пшеницы, исследовании стрессовых белков, индуцированных инсектицидами, и установлении влияния этих стрессовых белков на иммунологическую систему растения.

Материал и методы исследований

Полевые эксперименты проводились на опытных участках агрофирмы «Авиас-2000» Солонянского района Днепропетровской области в течение 2004-2007 годов. Площадь опытного участка составила 200 м2, учетного - 100 м2. Повторность вариан-

© Н. А. Рябченко, А. А. Шубин, В. Д. Малыгина, Е. Н. Михалева, В. Г. Привалова, 2008

тов - четырехкратная, размещение участков - систематическое, последовательное. Изучили мутагенную активность, вызванную инсектицидом Би-58 (новый), при помощи цитологического анализа. Временные препараты из растений озимой пшеницы, окрашенные по Фельгену, с мацерацией в пектиназе, подвергали цитологическому анализу на частоту хромосомных аббераций в поздних анафазах и ранних телофа-зах. Тестом на мутагенную активность служили хромосомные перестройки, учитываемые в анафазе первого митоза на временных ацетокарминовых препаратах из кончиков меристематических корешков растений. Тип мутагенов определяли по классификации А. Густафсона. Для выявления кариотипа мутантных растений пшеницы исследовали хромосомы по стандартной методике с последующим окрашиванием по Г. Макгрегору и Д. Варли [5]. Иммунологическую оценку устойчивости растений озимой пшеницы к злаковым мухам проводили по методике И. Д. Шапиро [8].

Результаты и их обсуждение

Установлено, что инсектицид Би-58 (новый) обладал выраженным мутагенным свойством при воздействии на растительный организм. Характер генетических изменений растения зависел от кратности применения этого инсектицида (табл. 1).

Таблица 1

Влияние инсектицида Би-58 (новый) на мутагенез растений озимой пшеницы Полукарлик 3

Варианты опыта Перестройки Типы пе рестроек

количест- во процент хромосомные хроматидные

мосты фрагменты мосты фрагменты

Контроль без обработки 3 0,42 0,18 0,21 0,29 0,12

Предпосевная обработка зерна 36 3,52 0,31 0,62 1,87 0,53

Опрыскивание растений 14 2,98 0,61 0,25 2,19 0,19

Предпосевная обработка зерна+ опрыскивание растений 48 4,03 0,87 0,75 3,65 0,72

При опрыскивании растений пшеницы инсектицидом количество перестроек составило 14, а при двукратном использовании - в 3,4 раза больше. В варианте с применением инсектицида при предпосевной обработке зерна пшеницы и опрыскивании растений процент перестроек был почти в 10 раз больше по сравнению с контролем. Характерно, что количество хроматидных перестроек в варианте с предпосевной обработкой зерна инсектицидом было в 2,8 раза больше по сравнении с хромосомными. Устойчивость растений озимой пшеницы к пестицидам тесно связана с новообразованием белков -представителей молекулярных шаперонов, которые появляются в спектрах новосинтези-рованных белков митохондрий и цитоплазмы растений. Эти белки с молекулярной массой 90 и 70 кД обладают функциями, сходными с молекулярными шаперонами срп 90, а также полипептидами на участке 17-38 кД. Пестицидоустойчивые сорта озимой пшеницы способны образовывать полипептид с молекулярной массой 120 кД. Он характеризуется высокой интенсивностью фосфориллирования в спектрах митохондриального белка. Научный интерес представляют исследования особенностей изменения синтеза полипептидов на шаперонных участках (табл. 2).

Анализ современного состояния исследований по влиянию пестицидов на бе-локсинтезирующую систему представлен в виде схемы (рис. 1).

Важная роль в адаптивной реакции растений к пестицидам принадлежат постоянству внутриклеточных физиолого-генетических механизмов регуляции, основой которых является полиморфизм ферментных систем.

Интенсивность синтеза стрессовых белков растений озимой пшеницы в шаперонных участках на инсектицидном фоне

Сорт Интенсивность синтеза белков, % к контролю (без инсектицида)

общих митохондриальных

71 кД 82 кД 71 кД 82 кД

Лузановка одесская 17,3 ± 21 167 ± 25 128± 14 115± 11

Никония 123 ± 16 118 ± 11 109 ± 11 104 ± 8

Полукарлик 3 156 ± 19 148 ± 21 118± 12 112± 10

Донецкая 46 138 ± 14 131 ± 19 107 ± 10 101± 14

р <0,01 <0,05 <0,01 <0,05

Действие пестицида

1 Г

Культурное растение

1 Г

Изменение проницаемости биомембран

1 Г

Изменение ионного гомеостатаза

1 г ■\

Процессы метаболизма пестицидов, синтез стрессовых метаболитов, конъюгация с эндогенными веществами клетки. Изменение гормонального статуса

Трансляция мРНК стрессовых белков

Синтез

стрессовых

белков

Возврат организма в состояние гомеостаза

Экспрессия генов

Трансляция мРНК индуцибельних белков долговременной онтогенетической адаптации

Изменение обмена веществ физиологических, биохимических процессов

Адаптивные

изменения

Снижение трансляции мРНК нормальних белков

Снижение синтеза нормальних белков

Мутационные

изменения

Рис. 1. Белоксинтезирующая система под действием пестицидов.

Спектр изменчивости устойчивости растений к злаковым мухам при возделывании культуры с различными способами применения инсектицидов имел характер накопления ежегодных длительных модификаций. Эти модификации приводили со временем к концентрации новых иммунологических признаков, снижающих вероятность процесса выравнивания устойчивой популяции пшеницы. Многолетнее применение инсектицида Би-58 (новый) достоверно снизило устойчивость растений пшеницы к злаковым мухам (табл. 3). Поврежденность растений злаковыми мухами при многолетнем двукратном применении инсектицида Би-58 (новый) возросла в 2007 году в 5,6 раза по сравнению с контролем. Характерно, что эта поврежденность в 2004 году была на уровне контроля.

Таблица 3

Влияние инсектицида Би-58 (новый) на устойчивость озимой пшеницы Полукарлик 3 к злаковым мухам

Период Варианты Повреждено стеблей, % F P

всего главных придаточных

2004 г. контроль без обработки 3,9 ± 0,01 0,6 ± 0,01 3,3 ± 0,05 63,9 <0,001

предпосевная обработка зерна 4,2 ± 0,02 0,3 ± 0,01 3,9 ± 0,02 57,4 <0,001

опрыскивание растений 3,2 ± 0,01 0,8 ± 0,01 2,4 ± 0,02 84,9 <0,001

предпосевная обработка зерна + опрыскивание растений 4,1 ± 0,03 0,5 ± 0,01 3,6 ± 0,01 59,2 <0,001

2005 г. контроль без обработки 3,6 ± 0,02 0,5 ± 0,01 3,1 ± 0,04 62,5 <0,001

предпосевная обработка зерна 3,8 ± 0,01 0,8 ± 0,01 3 ± 0,02 60,1 <0,001

опрыскивание растений 4,2 ± 0,03 1,1 ± 0,02 2,1 ± 0,01 85,7 <0,001

предпосевная обработка зерна + опрыскивание растений 3,7 ± 0,03 0,5 ± 0,01 3,2 ± 0,01 63,1 <0,001

2006 г. контроль без обработки 3,8 ± 0,05 0,8 ± 0,02 3 ± 0,02 60,7 <0,001

предпосевная обработка зерна 6,2 ± 0,03 1,4 ± 0,04 4,8 ± 0,02 87,1 <0,001

опрыскивание растений 5,3 ± 0,02 1,7 ± 0,01 3,6 ± 0,01 92,4 <0,001

предпосевная обработка зерна + опрыскивание растений 7,8 ± 0,02 2,3 ± 0,01 5,5 ± 0,03 96,9 <0,001

2007 г. контроль без обработки 3,2 0,7 ± 0,1 2,5 ± 0,01 62,4 <0,001

предпосевная обработка зерна 9,8 2,1 ± 0,01 7,7 ± 0,03 73,5 <0,001

опрыскивание растений 12,9 4,7 ± 0,02 8,2 ± 0,03 3,9 <0,01

предпосевная обработка зерна + опрыскивание растений 18,3 5,8 ± 0,04 12,5 ± 0,04 4,5 <0,01

Индуцированные мутационные явления, возникающие в растительном организме, вызывают в последующем поколении морфологические, цитологические, биохимические, генетические, иммунологические и другие изменения. Они приводят к ускорению онтогенетической сопряженности вредителя с растением вследствие нарушения экологической адаптационной способности, которая играет важную роль при эколого-генетическом характере наследования устойчивости [7; 9].

Выводы

Явление иммунодефицита на организменном уровне характеризуется снижением функций иммунологических барьеров путем перехода системы устойчивости в неординарные триггерные состояния. На популяционном уровне иммунодефицит выражается в формировании различных по устойчивости биотипов растений, которые и нарушают генотипическую динамику структуры его популяций, проявляющу-

юся в степени общих адаптационных, морфофизиологических и иммунологических

возможностей агроценоза.

Библиографические ссылки

1. Адаптогенез растений к пестицидам / Н. А. Рябченко, Н. П. Коцюбинская, Е. В. Домаш-нева и др. - Д.: Пороги, 2000. - 193 с.

2. Дубинин Н. П. Взаимодействие естественных и химических мутагенов / Н. П. Дубинин, В. К. Щербаков // Доклады АН СССР. Серия биол. - М.: Мир, 1968. - 216 с.

3. Жученко А. А. Рекомбинация и эволюция в селекции / А. А. Жученко, А. Б. Король. -М.: Наука, 1985. - 400 с.

4. Коцюбинская Н. П. Эколого-физиологические аспекты адаптации культурных растений к антропогенным условиям среды. - Д.: Изд-во ДГУ, 1995. - 172 с.

5. Макгрегар Г. Методы работы с хромосомами / Г. Макгрегар, Д. Варли. - М.: Мир,

1968. - 216 с.

6. Пестицидный стресс озимой пшеницы / Н. А. Рябченко, С. М. Лисицкая, В. В. Мочалов и др. - Д.: Пороги, 2006. - 379 с.

7. Сусидко П. И. Эколого-генетический характер наследования устойчивости озимой пшеницы к шведским мухам / П. И. Сусидко, Н. А. Рябченко // Доклады ВАСХНИЛ. - 1990. -№ 7. - С. 2-4.

8. Шапиро И. Д. Методические рекомендации по оценке устойчивости сельскохозяйственных культур к вредителям. - Л.: ВИЗР, 1987. - 46 с.

9. Шапиро И. Д. Устойчивость растений к вредным организмам с эколого-генетических позиций / И. Д. Шапиро, Н. А. Вилкова, Н. А. Рябченко // Вестник с.-х. науки. - 1991. -№ 4. - С. 151-153.

Надійшла до редколегії 10.06.2007