CC BY
5М.И. Азаркович,
Л.В. Назаренко
Влияние семядолей и семенной кожуры на прорастание рекальцитрантных семян
Изолированные оси покоящихся рекальцитрантных (неустойчивых к высыханию) семян каштана конского (Aesculus hippocastanum L.) не имеют собственного покоя и могут расти при инкубации на воде. Изучалось влияние экстрактов семенной кожуры и семядолей на рост зародышевых осей, изолированных на разных сроках стратификации. В ходе работы было выявлено, что вытяжки из семядолей и семенной кожуры свежеопавших семян тормозили рост осей, тогда как кожура прорастающих семян не влияла на рост осей, выделенных из тех же семян, а также из свежесобранных семян урожая следующего года.
Ключевые слова: Aesculus hippocastanum L.; рекальцитрантные семена; покой семян; прорастание.
Чтобы выполнить свою физиологическую функцию и обеспечить успешное развитие проростка, семена должны прорасти, то есть возобновить метаболическую и ростовую активность зародыша и продолжить развитие индивидуального растения по новой генетической программе, предусматривающей превращение зародыша семени в проросток, а затем в самостоятельный автотрофный организм.
Однако вполне жизнеспособное семя может не прорастать, поскольку различные факторы могут привести к приостановке роста зародыша. Обычно различают две формы приостановки роста зародыша или покоя семени. Приостановку роста, вызванную неблагоприятными условиями окружающей среды, называют вынужденным покоем, а приостановку роста, обусловленную активным эндогенным ингибированием, — органическим (или глубоким физиологическим) покоем.
Семена, находящиеся в состоянии вынужденного покоя, быстро прорастают под действием неспецифических факторов, активирующих пусковые механизмы, например: достаточная влажность и благоприятная температура. Семена, находящиеся в состоянии глубокого физиологического покоя, не прорастают даже в условиях, которые благоприятны для роста. Эти семена требуют от окружающей среды специфического стимула, который не действует постоянно, а лишь запускает процесс прорастания. Семена каштана конского (Aesculus hippocastanum L.) после опадения с деревьев находятся в состоянии глубокого физиологического покоя и нуждаются в длительной холодной влажной стратификации для индукции прорастания.
Другая особенность семян каштана состоит в том, что эти семена не подвергаются глубокому обезвоживанию (или высыханию) при завершении созревания на материнском растении. Известно, что семена могут различаться по степени их устойчивости к высыханию. Семена, развитие которых на завершающем этапе созревания сопровождается генетически детерминированным высыханием (снижением влажности до 10 %) без потери жизнеспособности, относят к ортодоксальному типу, а семена, созревание которых не сопровождается глубоким обезвоживанием и которые утрачивают жизнеспособность при снижении влажности ниже определенного уровня (30-50 %), относят к рекальцитрантному типу [15].
Молекулярные механизмы, обеспечивающие устойчивость к высыханию ортодоксальных семян, как и причины чувствительности к дегидратации ре-кальцитрантных семян, все еще до конца не выяснены.
Рекальцитрантные семена распространены среди видов, обитающих в тропиках и субтропиках, климатические условия позволяют семенам прорастать сразу после опадения. Рекальцитрантные семена немногочисленных видов умеренного климата (таких, как дуб, каштан) для выживания в зимних условиях нуждаются в состоянии глубокого покоя. Тем не менее состояние глубокого покоя может быть свойственно семенам обоих типов, то есть ортодоксальным и рекальцитрантным. Физиолого-биохимические механизмы, обеспечивающие состояние покоя и его преодоление при стратификации, исследованы преимущественно на семенах ортодоксального типа. Рекаль-цитрантные семена с глубоким покоем исследованы очень мало. В отличие от ортодоксальных семян они уходят в покой с высоким уровнем влажности и сохраняют при этом метаболическую активность и неизмененную ультраструктуру клеток, но лишены способности прорастать [3, 4].
Имеются данные о том, что покой у семян конского каштана, по-видимому, обусловлен покоем самого зародыша, а не инициирован семенной кожурой, поскольку интактные семена и семена с удаленной семенной кожурой, т. е. зародыши, прорастают сходным образом [13, 14]. По другим данным, роль семенной кожуры весьма существенна, и ее вклад является основным на протяжении всей стратификации, а покой самого зародыша сохраняется только в первой половине периода стратификации [5]. Покой зародыша может быть следствием собственного покоя зародышевой оси, а может быть результатом воздействия семядолей. Ингибирующее действие семядолей на рост зародышевой оси показано на семенах лещины Corylus avellana [10], клена Acer saccharum [9] и других видов ортодоксальных семян, нуждающихся в холодной стратификации для выхода из покоя [7]. Предполагается, что в ходе холодной стратификации ингибирующее действие семядолей каким-то образом снимается, и это может быть связано с репрессией синтеза определенных белков в семядолях [8]. В семенах подсолнечника Helianthus annuus [11], как и в семенах клена татарского A. tataricum [2], оси сами находятся в состоянии покоя, и удаление семядолей не влияет на их физиологическое поведе-
ние. Для семян конского каштана вопрос о взаимодействии осей и семядолей в поддержании покоя зародыша пока остается открытым.
Имеются противоречивые данные и различные точки зрения на роль семенной кожуры и семядолей в поддержании состояния покоя рекальцитрантных семян [1].
Ранее было показано, что зародышевые оси, выделенные из покоящихся семян, не имеют собственного покоя и способны расти in vitro на воде при 27 °С и становиться по ряду показателей адекватными осям в проклюнувшихся семенах [3, 4]. Это делает данную систему удобной моделью для изучения начальных этапов прорастания и возможных механизмов регуляции и преодоления покоя.
Целью настоящей работы было выяснение влияния водных вытяжек из семядолей и семенной кожуры на ростовую активность изолированных осей семян конского каштана.
Методика
Семена каштана конского (Aesculus hippocastanum L.) собирали после опадения с деревьев в дендропарке Главного ботанического сада им. Н.В. Цицина Российской академии наук. В работе использовали как свежесобранные семена, так и стратифицированные во влажном песке при +5 0С в темноте. В этих условиях семена проклевывались через 18-20 недель.
В течение двух вегетационных сезонов зародышевые оси изолировали из семян в разные сроки стратификации: в начале (0-2 нед.), в середине (810 нед.) и в конце (16-18 нед.) и выращивали на воде или экстрактах семенной кожуры или семядолей в течение трех суток при 27 °С в темноте в присутствии хлорамфеникола (50 мкг/мл) для поддержания стерильности среды. Все опыты имели три биологические повторности с пятью осями в каждой. Каждые сутки измеряли сырой вес осей. Результаты подвергали статистической обработке.
Для приготовления экстрактов семенной кожуры и семядолей в разные сроки стратификации с пяти семян каштана вручную с помощью скальпеля снималисеменную кожуру изаливали ее стерилизованнойбидистиллированной водой (50 мл), очищенные от семенной кожуры семядоли мелко нарезали и также заливали их стерилизованной бидистиллированной водой (50 мл) и давали экстрактам настояться в течение двух часов. Если кожуру и семядоли не использовали немедленно, их пробы замораживали и хранили при -20 °С до использования.
Результаты и обсуждение
Вытяжки из семядолей и семенной кожуры в начале стратификации заметно тормозили рост осей (табл. 1, 2), к концу стратификации ингибирующее действие этих вытяжек исчезало, причем тормозящее действие семядольных экстрактов сохранялось дольше, чем действие экстрактов семенной кожуры.
Зародышевые оси, выделенные из покоящихся семян каштана конского, способны расти при инкубации на воде при 27 °С. Скорость этого процесса возрастает с удлинением срока стратификации. Так, в осях, выделенных из свежесобранных семян или на начальных сроках стратификации, увеличение сырого веса происходило довольно медленно. После более длительного периода стратификации (7-9 нед.) сырой вес осей увеличивался гораздо быстрее. В конце стратификации на 16-17 нед. (табл. 4) изолированные оси достигали веса в 100 мг (примерный вес одной оси из проклюнувшихся семян) меньше, чем за 24 часа.
Таблица 1
Вес зародышевых осей (5 штук), выделенных из свежесобранных семян каштана конского и проращиваемых in vitro при 27 °С, мг
Вариант опыта Продолжительность выращивания, часы
0 24 48 72 94
Контроль 229 336 417 492 619
Экстракт кожуры 230 313 359 415 478
Экстракт семядолей 226 316 351 382 446
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян 229 311 350 391 453
Таблица 2
Вес зародышевых осей (5 штук), выделенных из семян каштана конского в ходе стратификации (8 недель) и проращиваемых in vitro при 27 °С, мг
Вариант опыта Продолжительность выращивания, часы
0 24 48 72 94
Контроль 227 366 518 628 716
Экстракт кожуры 263 404 560 692 835
Экстракт семядолей 253 345 416 456 516
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян 244 366 518 615 713
АБК (10-5 М) 253 296 318 334 357
Таблица 3
Вес зародышевых осей (5 штук), выделенных из непроклюнувшихся семян каштана конского после 16-17 недель стратификации и проращиваемых in vitro при 27 °С, мг
Вариант опыта Продолжительность выращивания, часы
0 24 48 72
Контроль 263 658 787 827
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян 322 646 681 725
Экстракт кожуры свежесобранных семян 314 636 680 708
АБК (10-5 М) 274 574 591 713
Таблица 4
Вес зародышевых осей (5 штук), выделенных из проклюнувшихся семян каштана конского после 16-17 недель стратификации и проращиваемых in vitro при 27 °С, мг
Вариант опыта Продолжительность выращивания, часы
0 24 48 72
Контроль (вода) 420 691 710 722
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян 460 786 823 907
Экстракт кожуры свежесобранных семян 534 620 630 674
АБК (10-5 М) 530 830 855 880
Полученные результаты полностью подтвердили наблюдения [3] относительно ингибирующего действия экзогенной АБК на способность к росту выделенных осей и снижение чувствительности к АБК в конце стратификации. При действии экзогенной АБК в концентрации 10-5 М увеличение сырого веса осей, выделенных из свежеопавших или покоящихся семян, практически полностью предотвращалось. Оси, выделенные из семян на второй неделе стратификации, а также после 7-9 и 16 недель стратификации и выращиваемые в присутствии АБК, сохраняли сырой вес на уровне, близком к исходному или немного превышающем его (см. рис. 1, 2). Сырой вес осей, выделенных в конце стратификации (16-17 недель) из еще не проклюнувшихся семян, увеличивался хотя и медленнее, чем в контрольных осях, но на третий день вес почти достиг контрольного уровня (табл. 3). Рост осей, выделенных из уже проклюнувшихся семян (табл. 4), не зависел от того, присутствовала АБК в среде или нет. Таким образом, можно утверждать, что действие экзогенной АБК напрямую зависит от времени стратификации и от того, находятся ли семена, из которых выделены оси, в состоянии покоя или уже проклюнулись. Вполне вероятно, что к моменту проклевывания нативных семян может меняться чувствительность их клеток к АБК [6: с. 267].
Наблюдения в течение двух вегетационных сезонов позволили нам оценить влияние семенной кожуры проклюнувшихся семян на свежеопавшие семена урожая следующего года и наоборот. Экстракт кожуры свежесобранных (покоящихся) семян тормозил рост осей, выделенных из свежесобранных и стратифицируемых (но не проклюнувшихся) семян, а экстракт кожуры проклюнувшихся семян не влиял на рост как собственных осей, так и осей, выделенных из свежеопавших семян урожая следующего года. То есть экстракт кожуры проклюнувшихся семян не влиял на рост осей вне зависимости от срока стратификации.
В целом зародышевые оси, выделенные из семян каштана конского в начале стратификации, были более чувствительны к изученным воздействиям, чем в конце, что может свидетельствовать об их различном физиологическом состоянии.
Свежевыделенные оси
Контроль
н 1М»И» г
> >»> / о
* і І.. . ,*■ Й я
Экстракт семенной кожуры
I. V
Экстракт семядолей
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян
к -
АБК
АБК
' ;*'(( кЩ
Экстракт семенной кожуры Экстракт семядолей
■0(^»ап
Экстракт кожуры проклюнувшихся семян
Таким образом, исследование ростовой активности изолированных осей выявило сложный характер взаимодействия между частями семени, при котором и семенная кожура и семядоли вносят свой вклад в становление и поддержание глубокого покоя семян каштана.
Литература
1. Азаркович М.И., Барышева Ю.А., Обручева Н.В., Живухина Е.А., Гумилевская Н.А. Влияние физиологически активных веществ на ростовую способность зародышевых осей, изолированных из покоящихся рекальцитрантных семян конского каштана // Материалы VI Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». Т. 1. М.: РУДН, 2005. С. 175-177.
2. Бабенко Л.М., Мусатенко Л.И. Белковый синтез при нарушении покоя в семенах клена татарского // Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 877-881.
3. Гумилевская Н.А., Азаркович М.И. Способность к росту зародышевых осей, изолированных из покоящихся и прорастающих семян конского каштана, и влияние экзогенной АБК // Физиология растений. 2004. Т. 51. № 1. С. 86-98.
4. Гумилевская Н.А., Азаркович М.И. Физиолого-биохимическая характеристика рекальцитрантных семян (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2007. Т. 43. № 3. С. 366-375.
5. Обручева Н.В., Антипова О.В. Общность физиологических механизмов подготовки к прорастанию у семян с различным типом покоя // Физиология растений. 1999. Т. 46. С. 426-431.
6. Bewley D.J., Bradford K.J., Hilhorst H.W.M., Nonogaki H. Seeds. Physiology of Development, Germination and Dormancy. Third Edition. New-York, Heidelberg, Dordrecht, London: Springer, 2013. 392 p.
7. Come D., Thevenot C. Environmental Control of Embryo Dormancy and Germination // The Physiology and Biochemistry of Seed Development, Dormancy and Germination / Ed. Kahn A.A. Amsterdam: Elsevier Biomedical Press. 1982. P. 271-298.
8. Hance B.A., Bevington J.M. Changes in Protein Synthesis during Stratification and Dormancy Release in Embryos of Sugar Maple (Acer saccharum) // Physiol. Plant. 1992. V. 86. P. 36-371.
9. Janerette C.A. An In Vitro Study of Seed Dormancy in Sugar Maple // Forest Sci. 1978. V. 24. P. 43-49.
10. Jarvis B.C., Wilson D.A. Factors Influencing Growth of Embryonic Axes from Dormant Seeds of Hazel (Corylus avellana L.) // Planta. 1978. V. 138. P. 189-191.
11. Le Page-Degivry M.Th., Garello G. In Situ Abscisic Acid Synthesis: A Requirement for Induction of Embryo Dormancy in Helianthus annuus L. // Plant Physiol. 1992. V. 98. P. 1386-1390.
12. Obroucheva N.V., Antipova O.V Physiological Characteristics of Dormant and Germinating Horse Chestnut Seeds // Tree Seeds 2002 / Ed. Thanos C.A., Athens: Univ. Athens. 2002. P. 109-115.
13. Pritchard H.W., Steadman K.J., Nash J.V., Jones C. Kinetics of Dormancy Release and the High Temperature Germination Response in Aesculus hippocastanum Seeds // J. Exp. Bot. 1996. V. 50. P. 1507-1514.
14. Pritchard H.W., Tompsett P.B., Manger K. Development of a Thermal Time Model for the Quantification of Dormancy Loss in Aesculus hippocastanum L. Seeds // Seed Sci. Res. 1996. V. 6. P. 127-135.
15. Tompsett, PB. and Pritchard, H.W. The Effect of Chilling and Moisture Status on the Germination, Desiccation Tolerance and Longevity of Aesculus hippocastanum L. Seed // Ann. Bot. 1998. V. 82. P. 249-261.
16. Vertucci C.W., Farrant J.M. Acquisition and Loss of Desiccation Tolerance // Seed Development and Germination / Eds Negbi M., Kigel J. N.Y.: Macel Dekker, 1995. P. 237-271.
Literatura
1. Azarkovich M.I., Bary’sheva Yu.A., Obrucheva N.V., Zhivuxina E.A., Gumilev-skaya N.A. Vliyanie fiziologicheski aktivny’x veshhestv na rostovuyu sposobnost’ zarody’shevy’x osej, izolirovanny’x iz pokoyashhixsya rekal’citrantny’x semyan konskogo kashtana // Materialy’ VI Mezhdunarodnogo simpoziuma «Novy’e i netradicionny’e ras-teniya i perspektivy’ ix ispol’zovaniya». T. 1. M.: RUDN, 2005. S. 175-177.
2. Babenko L.M., Musatenko L.I. Belkovy’j sintez pri narushenii pokoya v semenax klena tatarskogo // Fiziologiya rastenij. 1997. T. 44. S. 877-881.
3. Gumilevskaya N.A., Azarkovich M.I. Sposobnost' k rostu zarody’shevy’x osej, izolirovanny’x iz pokoyashhixsya i prorastayushhix semyan konskogo kashtana, i vliyanie e’kzogennoj ABK // Fiziologiya rastenij. 2004. T. 51. № 1. S.86-98.
4. Gumilevskaya N.A., Azarkovich M.I. Fiziologo-bioximicheskaya xarakteristika rekal’citrantny’x semyan (obzor) // Prikladnaya bioximiya i mikrobiologiya. 2007. T. 43. № 3. S.366-375.
5. Obrucheva N.V., Antipova O.V Obshhnost’ fiziologicheskix mexanizmov podgo-tovki k prorastaniyu u semyan s razlichny’m tipom pokoya // Fiziologiya rastenij. 1999. T. 46. S. 426-431.
6. Bewley D.J., Bradford K.J., Hilhorst H.W.M., Nonogaki H. Seeds. Physiology of Development, Germination and Dormancy. Third Edition. New-York, Heidelberg, Dordrecht, London: Springer, 2013. 392 p.
7. Cöme D., Thevenot C. Environmental Control of Embryo Dormancy and Germination // The Physiology and Biochemistry of Seed Development, Dormancy and Germination / Ed. Kahn A.A. Amsterdam: Elsevier Biomedical Press. 1982. P. 271-298.
8. Hance B.A., Bevington J.M. Changes in Protein Synthesis during Stratification and Dormancy Release in Embryos of Sugar Maple (Acer saccharum) // Physiol. Plant. 1992. V. 86. P. 36-371.
9. Janerette C.A. An In Vitro Study of Seed Dormancy in Sugar Maple // Forest Sci. 1978. V. 24. P. 43-49.
10. Jarvis B.C., Wilson D.A. Factors Influencing Growth of Embryonic Axes from Dormant Seeds of Hazel (Corylus avellana L.) // Planta. 1978. V. 138. P. 189-191.
11. Le Page-Degivry M.Th., Garello G. In Situ Abscisic Acid Synthesis: A Requirement for Induction of Embryo Dormancy in Helianthus annuus L. // Plant Physiol. 1992. V. 98. P. 1386-1390.
12. Obroucheva N.V., Antipova O.V. Physiological Characteristics of Dormant and Germinating Horse Chestnut Seeds // Tree Seeds 2002 / Ed. Thanos C.A., Athens: Univ. Athens. 2002. P. 109-115.
13. Pritchard H.W., Steadman K.J., Nash J.V., Jones C. Kinetics of Dormancy Release and the High Temperature Germination Response in Aesculus hippocastanum Seeds // J. Exp. Bot. 1996. V. 50. P. 1507-1514.
14. Pritchard H.W., Tompsett P.B., Manger K. Development of a Thermal Time Model for the Quantification of Dormancy Loss in Aesculus hippocastanum L. Seeds // Seed Sci. Res. 1996. V. 6. P. 127-135.
15. Tompsett, P.B. and Pritchard, H.W. The Effect of Chilling and Moisture Status on the Germination, Desiccation Tolerance and Longevity of Aesculus hippocastanum L. Seed // Ann. Bot. 1998. V. 82. P. 249-261.
16. Vertucci C.W., Farrant J.M. Acquisition and Loss of Desiccation Tolerance // Seed Development and Germination / Eds Negbi M., Kigel J. N.Y.: Macel Dekker, 1995. P. 237-271.
M.I. Azarkovich,
L.V Nazarenko
Germination of Recalcitrant Seeds:
Effects of Cotyledons and Seed Coat
Excised axes of dormant recalcitrant (susceptible to drying) horse chestnut (Aesculus hippocastanum L.) seeds are devoid of innate dormancy and can grow during incubation on water. Effects of seed coat extracts and cotyledon extracts on growth of axes excised after different time of stratification. Extracts from cotyledons and seed coat of freshly-fallen seeds suppressed the growth of axes. Seed coat of germinating seeds did not affect the growth of axes detached from the same seeds, as well as from freshly-harvested next year seeds.
Keywords: Aesculus hippocastanum L.; recalcitrant seeds; seed dormancy; germination.
