CC BY
16УДК 633.262+633.31(571.56-191.2)
Влияние предпосевного у-облучения семян костреца безостого (Bromopsis inermis Leyss.) и люцерны серповидной (Medicago falcate L.) на выживаемость в условиях высокой щелочности почв Центральной Якутии
Г. В. Филиппова, К. И. Ксенофонтова
Исследовано влияние предпосевного однократного у-облучения (в диапазоне доз 0,5+250,0 Гр) семян костреца безостого (Bromopsis inermis Leyss.) и люцерны серповидной (Medicago falcate L.) на выживаемость в условиях произрастания на слабощелочной, щелочной и сильнощелочной почвах. Установлено, что наиболее эффективным в данных условиях является предпосевное у-облучение исходных семян костреца безостого в интервале доз от 0,5 до 50,0 Гр. Для люцерны серповидной на почвах со слабощелочной и щелочной реакцией среды таким интервалом является диапазон доз от 1,0 до 10,0 Гр.
Influence of a single fore sowing y-irradiation (range from 0,5+250,0 Gy) of seeds of Bromopsis inermis Leyss. and Medicago falcate L. on survival under vegetation conditions on weakly alkaline and strongly alkaline soils was investigated. It was established that most efficient are fore sowing y-irradiation of seeds of Bromopsis inermis Leyss. at doses range from 0,5+50 Gy. For Medicago falcate L. on weakly alkaline soils are doses range from 1+10 Gy.
Ключевые слова: кострец безостый, люцерна серповидная, предпосевное облучение семян, выживаемость растений.
Большая часть лугов в Центральной Якутии подвергнута засолению. При засолении почв факторами, лимитирующими развитие растений, являются: высокая концентрация солей в почвенном растворе, заплывание почвы при развитии процессов солонцевания и высокая щелочность почвы [6]. Создание стабильной кормовой базы в условиях интенсификации лугопастбищного кормопроизводства требует использования высокоурожайных видов и сортов трав, обладающих устойчивостью к неблагоприятным факторам.
На сегодня известно множество воздействий на организм, способствующих увеличению неспецифического адаптивного потенциала и, как следствие, увеличению устойчивости организма [11]. Одним из методов активизации является предпосевное облучение семян [5, 9].
Цель данной работы — изучение влияния предпосевного острого у-облучения семян костреца безостого и люцерны серповидной на выживаемость в условиях за-щелачиваемых почв Центральной Якутии.
Материал и методики
В работе использованы семена костреца безостого (Bromopsis inermis Leyss.) сорта «Камалинский-14», хорошо зарекомендовавшего себя при создании высокопродуктивных сеяных сенокосов в условиях Якутии, и семена люцерны серповидной (Medicago falcate L.) сорта «Якутская желтая» [1, 4, 14]. Данный сорт применяется при травосеянии в Якутии, является ценной кормовой культурой, содержит большое количество белка.
Для определения диапазона стимуляционных доз, которые позволят повысить выживаемость и урожайность в условиях Центральной Якутии, семена данных сортов были подвергнуты воздействию у-квантами 60Со в диапазоне доз от 0,5 до 250,0 Гр на биофизической станции п. Заречный Института экологии растений и животных УрО РАН. Предварительно, в лабораторных условиях, произведена оценка физиологических и цитолого-био-
химических характеристик облученных семян костреца и люцерны при проращивании в нейтральной среде (дистиллированная вода, рН=6,85). Посев проводили в чашках Петри при комнатных условиях, в 4 повторностях по 100 семян. В качестве основных физиолого-биохимических параметров анализировали: выживаемость проростков на 30-й день [3], содержание низкомолекулярных антиок-сидантов [2], ферментативную активность пероксидазы [13] и супероксиддисмутазы [2], а также проводили подсчет митотического индекса клеток корешков проростков [12]. В полевых условиях выживаемость люцерны серповидной определяли по количеству растений, прошедших все фенофазы к концу вегетационного периода. Снятие показателей выживаемости костреца безостого производили в конце вегетационного сезона второго года жизни, так как для данного вида растения именно за этот период происходит полное развитие организма [14].
Посев облученных семян производился на опытном участке стационара «Мархинский», где почвы относятся к мерзлотным пойменным, слоистым, легким по механическому составу. Опытные участки закладывались вдоль склона, по мере накопления солей и увеличения рН почв. Делянки на соответствующих участках для каждого варианта облучения распределялись по принципу рандомизации в 2 повторностях по 100 семян в каждой.
В табл. 1 представлена характеристика почв опытных участков. Результаты анализа показали, что степень засоления и солонцеватости почв опытных участков слабая. Например, сумма солей в почве участка №1 составляет 0,033—0,037%, участка №2 — 0,041—0,047%. Средне- и сильнозасоленными почвами считаются почвы, содержащие сумму солей 0,2—0,4% и 0,4—0,8% соответственно. Следовательно, лимитирующим фактором для произрастания растений в данных условиях является рН почвенной среды. Опытным участкам соответствуют следующие рН почвенной среды: №1 — слабощелочная, №2 — щелочная и №3 — сильнощелочная. Средняя арифметическая и стандартная ошибка среднего рассчитывались по [10].
ФИЛИППОВА Галина Валерьевна — к.б.н., н.с. ИБПК СО РАН; КСЕНОФОНТОВА Клара Ивановна — к.б.н., н.с. ИБПК СО РАН.
Таблица 1
Показатели водной вытяжки мерзлотной пойменной слоистой почвы полевого опытного участка
стационара «Мархинский»
№ участка отбора проб Глубина, см Сумма солей, % НСО3- С1- §042- Са2+ МЙ2+ РН водной суспензии
мг-экв/100 г почвы
1 0—10 0,033 0,15 0,20 0,16 0,25 0,13 0,02 7,48
10—20 0,037 0,15 0,40 0,08 0,25 0,25 0,05 7,41
2 0—10 0,047 0,30 0,35 0,09 0,38 0,25 0,05 8,07
10—20 0,041 0,25 0,30 0,09 0,25 0,25 0,10 7,97
3 0—10 0,167 0,45 0,85 1,78 0,38 0,25 2,42 8,36
10—20 0,145 0,45 0,70 1,32 0,25 0,13 2,17 8,57
Таблица 2
Влияние предпосевного у-облучения семян костреца безостого на физиолого-биохимические показатели проростков
Доза облучения, Гр Выживаемость лабораторная, % Сумма низкомолекулярных антиоксидантов, (НМАО) мэкв.кверц./г Активность супероксиддис-мутазы (СОД), мкмоль/г мин Активность пероксидазы, мкмоль/г-мин Митотический индекс, %
0 51,0±5,0 1,88±0,02 2,13±0,02 11,4±0,1 3,5±0,4
0,5 43,0±4,0 1,88±0,02 1,32±0,01 16,9±0,2 5,6±0,6
1,0 54,0±5,0 2,44±0,02 5,20±0,05 12,5±0,1 7,0±0,7
5,0 45,0±4,0 2,5±0,03 2,95±0,03 8,6±0,1 5,1±0,5
10,0 35,0±3,0 2,2±0,02 1,04±0,01 12,5±0,1 7,6±0,8
50,0 52,0±5,0 3,7±0,04 5,75±0,06 7,4±0,1 7,5±0,8
100,0 33,0±3,0 3,39±0,03 3,29±0,03 9,3±0,1 4,2±0,4
250,0 24,0±2,0 3,1±0,03 3,00±0,03 5,1±0,05 3,0±0,3
Результаты и обсуждение
Кострец безостый. Оптимальной для костреца безостого считается слабокислая почвенная среда рН=4,6^5,9 [14].
Для выяснения возможных механизмов стимуляцион-ного действия острого облучения проведены биохимические исследования некоторых из основных антиок-сидантных защитных систем при проращивании семян в лабораторных условиях. В работах многих авторов неоднократно указывалось, что увеличение неспецифического адаптивного потенциала происходит за счет увеличения количества низкомолекулярных антиоксидантов (НМАО), активности ферментов пероксидазы и суперок-сиддисмутазы, а также изменения скорости репликатив-ных процессов [7, 8]. В табл. 2 приведены значения данных показателей в проростках исходных семян. Количество НМАО у проростков семян, облученных в диапазоне 1,0^250,0 Гр, выше, чем в контроле, причем максимальное содержание НМАО (в 2 раза выше, чем в контроле) зафиксировано при дозе в 50,0 Гр. Активность фермента супероксиддисмутазы достигает максимальных значений, возрастая более чем в 2 раза (5,2 и 5,75 мкмоль/ г-мин) у проростков семян, облученных в диапазоне сти-муляционных доз (1,0 и 50,0 Гр соответственно). Активность фермента пероксидазы увеличивается на 50% при 0,5 Гр и на 10% при дозах облучения 1,0 и 10,0 Гр.
Митотический индекс и, следовательно, скорость процессов репликации также возрастают в 2 и 2,2 раза при дозах облучения 1,0 и 10,0 Гр соответственно.
Таким образом, при дозе облучения семян 0,5 Гр возрастают только значение митотического индекса и активность фермента пероксидазы. При дозе 1,0 Гр прослеживается увеличение всех исследуемых биохимических показателей. Доза в 10,0 Гр приводит к повышению скорости репликативных процессов, активности пероксида-зы и количества НМАО. При 50,0 Гр наблюдается максимальное увеличение всех исследованных параметров, кроме пероксидазной активности, значение которой оказалось в 1,5 раза ниже, чем в контроле.
Результаты проведенных лабораторных исследований позволяют заключить, что острое облучение в диапазоне доз 0,5^1,0 и 10,0^50,0 Гр приводит к активизации внутриклеточных защитных систем проростков семян костреца безостого, функционирующих во взаимодополняющем режиме. Очевидно, что именно в данном диапазоне доз острого облучения и будет происходить увеличение неспецифического адаптивного потенциала семян растений.
Для данного вида растения рН почвенной среды стационара «Мархинский» на трех опытных делянках превышает границу оптимальной.
В условиях слабощелочной рН почвенной среды
ВЛИЯНИЕ ПРЕДПОСЕВНОГО у-ОБЛУЧЕНИЯ..
острое облучение в интервале 0,5^50,0 Гр вызывало увеличение выживаемости костреца безостого на 20—60%, по сравнению с контролем (табл. 3). Доза в 100,0 Гр оказала угнетающее действие, что привело к снижению выживаемости на 50% от уровня контрольных растительных организмов в данных почвенных условиях. Повышение дозы облучения до значения 250,0 Гр во всех данных почвенных условиях привело к полной потере жизнеспособности семян костреца безостого.
При повышении щелочности почвенной среды до рН=8,0 (участок №2) выживаемость контрольного варианта без воздействия облучения снижалась до 3%. Наиболее устойчивыми по отношению к данным условиям произрастания были растительные организмы, выра-
щенные из семян, получивших однократное острое облучение в дозах 0,5 и 1,0 Гр. Значение выживаемости в данных вариантах составляло 7 и 9% соответственно. Их продуктивность (отношение массы полученных семян к количеству плодоносящих растений) была в 3,4^5,7 раза выше, чем в контрольном варианте при соответствующих условиях почвенной среды.
Повышение щелочности почв до уровня сильнощелочных показателей (рН>8,0) вызывало увеличение значения выживаемости растительных организмов при облучении исходных семян в интервале от 0,5 до 50,0 Гр, по сравнению с контролем. На этом фоне продуктивность этих растений оказалась ниже контрольного уровня на 26—80%.
Таблица 3
Полевая выживаемость и вес семян костреца безостого в зависимости от почвы произрастания, дозы острого у-облучения
Доза облучения, Гр Полевая выживаемость, % / вес полученных семян, г
Участок №1 т семян/п растений* Участок №2 т семян/п растений* Участок №3 т семян/п растений*
0 10±0,5/51±0,5 5,1 3±0,1/2±0,02 0,7 8±0,4/12±0,1 1,5
0,5 16±1,1/80±0,8 5,0 7±0,3/28±0,2 4,0 14±1,0/15±0,1 1,0
1,0 16±1,1/60±0,6 3,75 9±0,5/22±0,2 2,4 16±1,1/4±0,04 0,3
5,0 11±0,7/55±0,5 5,0 6±0,3/7±0,07 1,2 12±0,8/12±0,1 1,0
10,0 13±0,9/64±0,6 4,9 8±0,4/8±0,08 1,0 14±1,0/13±0,1 0,9
50,0 12±0,8/92±0,9 7,6 7±0,3/8±0,08 1,1 14±1,0/16±0,1 1,1
100,0 5±0,2/27±0,2 5,4 4±0,2/4±0,04 1,0 2±0,1/2±0,02 1,0
250,0 — — —
* — отношение массы полученных семян к количеству растений
Таблица 4
Влияние предпосевного у-облучения семян люцерны серповидной на физиолого-биохимические показатели проростков
Доза облучения, Гр Выживаемость, % Содержание НМАО, мкг*экв /г кверцетна проростка Активность СОД, мкмоль/ (мин*г ) проростка Активность пероксидазы, мкмоль/(мин* г ) проростка МИ, %
0 70,5±6,3 0,079±0,007 0,1012±0,001 16,56±0,2 4,2±0,4
0,5 8,5±0,4 0,393±0,03 0,3366±0,03 21,51±0,2 5,4±0,5
1,0 23,0±1,8 0,161±0,01 0,1720±0,01 23,37±0,2 5,2±0,5
5,0 17,5±1,2 0,109±0,01 0,1555±0,01 17,46±0,2 3,5±0,3
10,0 22,0±1,7 0,095±0,01 0,1875±0,02 19,04±0,2 4,9±0,5
50,0 5,0±0,2 0,227±0,02 0,3235±0,03 22,54±0,2 6,2±0,6
100,0 24,0±1,9 0,075±0,007 0 20,70±0,2 5,7±0,5
250,0 19,5±1,6 0,084±0,008 0,1024±0,01 24,32±0,2 2,7±0,2
Люцерна серповидная. Оптимальным условием произрастания для данного вида растения считаются почвы с нейтральной или слабокислой реакцией среды рН=6^7 [4]. Как видно из данных, приведенных в табл. 4, при проращивании семян люцерны в лабораторных условиях выживаемость контрольного варианта (без облучения) составила 70,5%. Острое облучение в диапазоне 0,5^250,0 Гр вызывало снижение этого показателя до 14
раз. Минимальная выживаемость люцерны серповидной наблюдалась при облучении 0,5 Гр и 50,0 Гр и составила 8,5% и 5,0% соответственно. Изучение антиоксидантных систем проростков показало, что жизнеспособность в данном случае поддерживалась за счет повышенного содержания НМАО, уровень которых превышал контроль в 4,9 и 2,8 раза соответственно, а также увеличением активности супероксиддисмутазы (СОД) в 3,3 и 3,2 раза со-
ответственно. При посеве в грунт полевая выживаемость к концу вегетационного сезона люцерны серповидной без воздействия облучения составила 5—14% (табл. 5).
В условиях слабощелочной почвенной среды острое облучение семян привело к повышению выживаемости растительных организмов на 40—220% по сравнению с контролем. Максимальное количество растений, прошедших все фенофазы развития, отмечалось в вариантах облучения дозами 1,0; 5,0 и 250,0 Гр. Эти растения хорошо плодоносили, и вес их семян превышал контрольный уровень. На участке №2 (щелочная рН почвенной среды) также наблюдалось увеличение выживаемости расти-
Выводы
Наиболее эффективным в условиях слабощелочных, щелочных и сильнощелочных почв является предпосевное у-облучение исходных семян костреца безостого в интервале доз от 0,5 до 50,0 Гр. Облучение семян в данном диапазоне доз приводит к активизации внутриклеточных защитных систем и, как следствие, к увеличению неспецифического адаптивного потенциала растительных организмов. Для люцерны серповидной на почвах со слабощелочной и щелочной реакцией среды таким интервалом является диапазон доз от 1,0 до 10,0 Гр. Стимуляционный эффект по критерию выживаемости при сильном защела-чивании почв проявляется при облучении семян данного вида растения в дозе 0,5 Гр.
Литература
1. Абрамов А.Ф., Андросов Н.Е., Барашкова Н.В. Состав и питательность кормов в Якутии. — Новосибирск, 1993. — 132 с.
2. Асатиани В.С. Ферментные методы анализа. — М.: Наука, 1969. — 740 с.
3. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур.
тельных организмов на 14—157%. Данные растения выращены из облученных семян, получивших однократную дозу от 0,5—50,0 Гр. Следует отметить, что по весу семян превышение контрольного уровня отмечалось только в вариантах 5,0 и 10,0 Гр.
В условиях сильнощелочных почв выживаемость люцерны серповидной при остром облучении исходных семян в интервале доз 1,0—50,0 Гр снизилась на 14—57%, по сравнению с контролем. При этом вес полученных семян увеличился на 5—8%. Облучение 0,5 Гр привело к повышению выживаемости на 21% при одновременном улучшении качества семенного потомства.
Таблица 5
4. Гончаров П.Л., Лубенец П.А. Биологические аспекты возделывания люцерны. — Новосибирск: Наука, 1985. — 253 с.
5. ГродзинскийД.М. Радиобиология растений. — Киев: Нау-кова думка, 1989. — 380 с.
6. Еловская Л.Г. Классификация и диагностика мерзлотных почв Якутии. — Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. —172 с.
7. Журавская А.Н. Радиочувствительность семян растений Якутии: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. — Екатеринбург, 1993. — 32 с.
8. Кершенгольц Б.М. Неспецифические биохимические механизмы адаптации организмов к экстремальным условиям среды // Наука и образование. — 1996. — №3. — С. 130—137.
9. Кузин А.М. Стимулирующее действие ионизирующего излучения на биологические процессы. — М.:Атомиздат, 1977. — 134 с.
10. Лакин Г.Ф. Биометрия. — М.: Высшая школа, 1980. — 293 с.
11. Меерсон Ф.З. Общий механизм адаптации и роль в нем стресс-реакции, основные стадии процесса // Физиология адаптационного процесса. — М.: Наука, 1986. — 168 с.
12. Паушева З.Н. Практикум по цитологии растений. — М.: Колос, 1974. — 288 с.
13. Рогожин В.В. Методы биохимических исследований: Учебное пособие. — Якутск, 1999. — 113 с.
14. ЦвелевН.Н. Злаки СССР. — Л.: Наука, 1976. — 788 с.
Полевая выживаемость и вес семян люцерны серповидной в зависимости от почвы произрастания, дозы острого у-облучения
Доза облучения, Гр Полевая выживаемость, % / вес 1000 семян, г
участок №1 участок №2 участок №3
0 5±0,2 / 1,52±0,08 7±0,3 / 1,61±0,08 14±1,0/1,57±0,08
0,5 9±0,5 / 1,54±0,08 8±0,4 / 1,49±0,07 17±1,2/1,69±0,08
1,0 16±1,1 / 1,88±0,09 18±1,4 / 1,53±0,08 7±0,3/1,69±0,08
5,0 14±1,0 / 1,80±0,09 11±0,7 / 1,79±0,09 6±0,2/1,65±0,08
10,0 9±0,5 / 1,78±0,09 14±1,0 / 1,84±0,09 11±0,7/1,69±0,08
50,0 9±0,5 / 1,80±0,09 8±0,4 / 1,47±0,07 12±0,8/1,71±0,09
100,0 7±0,3 / 1,95±0,10 4±0,2 / 1,36±0,07 13±0,9/1,82±0,09
250,0 10±0,6 / 1,83±0,09 7±0,3 / 1,34±0,07 13±0,9/1,78±0,09
