CC BY
68
Водный экстракт плодов укропа как фактор, индуцирующий покой семян горчицы сарептской и капусты японской
А. Ф. Бухаров, д.с.-х.н., Д.Н. Балеев, к.с.-х.н., ВНИИ овощеводства
Покой семян — важнейшее явление, которое наблюдается у большого числа растений. Многолетние исследования привели к появлению целого ряда концепций, объясняющих принципы, лежащие в основе индукции покоя и выхода из него. Разработка и развитие концепций в разное время велись в различных направлениях. Доминирующая одно время гипотеза сменялась другой, якобы совершенно иной, или оказывалась несостоятельной. Основными следует назвать гипотезы барьерного эффекта семенных покровов, активной и неактивной форм фитохрома, изменений на молекулярном уровне [1, 2, 8].
Барьерный эффект семенных покровов может быть связан с явлением твёрдосемянности. Оно наблюдается у самых разнообразных растений. Наиболее часто встречается у видов из семейств ГаЬаевав, ЬШаевав и других [3].
Теоретически, так как экспериментальных доказательств пока нет, возможно существование механического барьера твёрдых покровов для роста зародыша. В. Крокер [1] связывает барьерный эффект семенных покровов с затруднённым поступлением воды к зародышу, например у косточковых культур. Ряд исследователей на это предположение возражают. В косточке имеется микропилярное отверстие, через которое вода беспрепятственно может поступать к зародышу. Возможно, в этом случае задержка прорастания связана не только с механическим сопротивлением росту зародыша,
но и с присутствием ингибиторов, вымывание которых затруднено [2].
Барьерный эффект покровов (околоплодник, семенная кожура или эндосперм) приводит к снижению газопроницаемости. У семян дурнишника, например, покой вызывается недостаточной газопроницаемостью [12]. Доказательством является снятие покоя у семян этого растения под влиянием повышенного содержания кислорода в атмосфере.
Многие семена, покой которых связан с пониженной газопроницаемостью покровов, реагируют на свет. На процессы прорастания свет действует через пигментную систему — фитохром. Это связано с его влиянием на работу ферментов [9].
На сегодняшний день наиболее популярно предположение о том, что роль регуляторов прорастания, а соответственно и состояния покоя, выполняют физиологически активные соединения. К ним относятся фитогормоны и природные ингибиторы роста [2].
Попытки связать возникновение состояния покоя различных семян с действием физиологически активных веществ — экстрактов из различных органов растений или чистых веществ, — делались неоднократно. Однако всё ограничивалось констатацией эффекта торможения прорастания, но не индукции покоя. Определённые результаты были достигнуты при изучении действия /9-индолилуксусной кислоты [2].
Мы полагаем, что исследования, направленные на решение задач, связанных с физиологией прорастания семян, являются актуальными, дают
возможность ответить на некоторые принципиальные вопросы, касающиеся этого важнейшего процесса в жизни растений. Сильное торможение прорастания семян под действием экстракта из семян Anethum graveolens различной концентрации (от 2,5 до 10%) фиксировалось в наших предыдущих опытах [4].
Поэтому была поставлена цель: индуцировать состояние покоя у семян легкопрорастающих культур (в частности, Brassica chinesis var. japónica, Brassica júncea) под действием комплекса аллелопатически активных веществ высокой (15,0 %) концентрации, полученных из плодов Anethum graveolens.
Материалы и методы. В качестве объекта — донора для проведения эксперимента — использовали семена укропа (Anethum graveolens), сорт Кентавр. Для приготовления водной вытяжки (концентрация 15,0%) к 15 г навески семянок добавляли 100 мл дистиллированной воды. Экспозиция экстракции составляла 1 час при t = 28 — 30° С, после чего проводили фильтрацию через бумажный фильтр. В качестве тестера использовали семена капусты японской (Brassica chinesis var. japónica) и горчицы сарептской (Brassica júncea). Семена раскладывали в чашки Петри на фильтровальную бумагу, приливали экстракт и выдерживали в термостате при постоянной температуре (23° С) в течение 20 суток. Каждые третьи сутки экстракт менялся, во избежание образования болезнетворной микрофлоры и загнивания семян-тестеров.
По истечении 20 суток нахождения в экстракте семена B. japónica и B. juncea промывали и переносили в холодильную камеру для прохождения стратификации при постоянной температуре (+ 3° С) на различный по длительности период (схема представлена в табл.). После стратификации семена испытуемых культур переносили на чистую фильтровальную бумагу, смоченную дистиллированной водой, и проращивали в термостате при постоянной температуре (+ 23° С). В качестве контроля использовали семена, не подвергнутые обработке в экстракте. Повторность опыта трёхкратная. Статистическая обработка данных выполнена по Б. А. Доспехову [5].
Результаты исследования и обсуждение. При нахождении в 15-процентном водном экстракте из плодов An. graveolens семена тестерных культур не прорастали, однако, находясь в экстрактах достаточно длительное время, сохраняли жизнеспособность. Это подтверждено с помощью метода окрашивания по ГОСТу 12039 — 82.
Промытые и перенесённые на фильтровальную бумагу, смоченную водой, жизнеспособные семена сохраняли способность прорастать. Причём доля проросших семян находилась на уровне контроля (семян, не подвергавшихся воздействию экстрактов) или незначительно снижалась. Тем не менее процесс прорастания происходил с заметной задержкой по сравнению с контролем, где семена прорастали в среднем за одни сутки.
Прорастание тестеров, обработанных экстрактом из семян Лпв^ыт gravвolвns, в зависимости от длительности холодной (+3° С) стратификации
Культура Продолжительность холодной стратификации, сут. Средняя скорость прорастания, сут. Доля проросших семян, %
всего из них
нормальные аномальные
B. juncea контроль 1,0±0,05 99 99 0
0 33,7±3,75 93 12 81
10 20,6±1,70 90 13 77
30 7,9±0,74 97 79 18
60 3,2±0,42 95 93 2
B. japónica контроль 1,0±0,02 99 99 0
0 19,6±3,30 93 19 74
10 13,0±1,86 96 38 58
30 5,7±0,63 95 84 11
60 3,0±0,27 93 93 0
НСР05 2,8
Под действием экстрактов из плодов An. graveolens у семян B. juncea и B. japonica после перенесения их в благоприятные условия существенно задерживалось прорастание (табл.). Средняя скорость прорастания, по сравнению с контролем, у семян B. juncea и B. japonica была больше на 32,7 и 18,6 суток соответственно. В контроле все семена тестеров прорастали быстро и формировали совершенно нормальные проростки. У подвергнутых обработке экстрактом семян нами выявлены морфологические нарушения роста и развития проростков — явление физиологической карликовости (табл.). Это говорит о том, что изменения, происходящие под действием экстрактов из плодов A. graveolens, достаточно глубоки и затрагивают развитие зародыша.
Под влиянием пониженной температуры продолжительность прорастания тестерных культур сократилась.
Если семена B. juncea, не подвергнутые воздействию пониженных температур, прорастали в среднем 33,7 суток, а B. japonica 19,6 суток, то уже после десяти суток пребывания под влиянием пониженных температур период прорастания сокращается до 20,6 и 13,0 суток соответственно. Дальнейшее воздействие ещё больше сокращает период прорастания. Но даже 60 суток холодной стратификации не снимают полностью эффект торможения прорастания у исследуемых культур.
Процент проросших семян в различных вариантах опыта варьировал от 90 до 97% у B. juncea и от 93 до 96% у B. japonica. При увеличении длительности холодной стратификации процент аномальных проростков снижался. Семена B. juncea, не подвергнутые пониженным температурам образовывали 81% аномальных проростков, а после действия холодной стратификации в течение 60 суток этот показатель снизился до 2%.
Подобная картина наблюдается и у семян B. japonica. Пониженные температуры положительно подействовали на их прорастание. Без обработки семян экстрактом карликовых проростков образовывалось 74 из 93% проросших семян. Под действием в течение десяти суток пониженных температур процент аномальных проростков B. japonica сократился до 58%, а через 30 суток — до 11%. Используя приём холодной стратификации в течение 60 суток, нам удалось получить нормальные проростки у 100% проросших семян.
Под действием пониженной температуры темп прорастания семян увеличивался (рис.).
Переходя к обсуждению результатов наших исследований, необходимо схематично представить прорастание семян у видов, не имеющих покоя. Прорастание начинается с роста гипоко-тиля, затем или одновременно увеличиваются
и зеленеют семядоли, после чего образуется корень и трогается в рост почечка.
Иначе ведут себя семена, находящиеся в состоянии глубокого покоя. При прорастании у них отмечаются различные отклонения в развитии. Часть семян вообще не прорастает.
Изучению физиологической карликовости зародышей, преимущественно плодовых растений, посвящено много исследований [6, 11]. Значительно меньше сведений об этом явлении у других растений. Особенно у легкопрорас-тающих культур.
Основными признаками отклонения в росте глубокопокоящихся семян можно назвать следующие: зеленеет и растёт одна семядоля, гипокотиль не растёт; зеленеют и растут обе семядоли, гипокотиль не растёт; зеленеют и растут обе семядоли и растет гипокотиль, но корень не образуется [2]. В наших опытах присутствуют все перечисленные типы естественной физио-
Рис. - Динамика прорастания семян а) Brassica juncea; б) Brassica chinesis var. japonica в зависимости от длительности холодной стратификации
При нахождении семян в состоянии покоя покой собственно зародышей относителен. Как правило, при попадании изолированных зародышей из покоящихся семян в благоприятные условия они трогаются в рост. Но рост их замедлен и аномален. У проростков затруднено перемещение питательных веществ и нарушена корреляция роста. Некоторые авторы связывают физиологическую карликовость с недостатком гиббереллиноподобных веществ. Другие исследователи, в частности М. Г. Николаева [2], указывают на то, что покой зародышей проявляется не столько в отсутствии или замедлении роста, сколько в аномальном его характере. Это указывает на связь состояния покоя не с недостатком стимуляторов, а с присутствием в зародышах ингибиторов роста. Физиологическая карликовость проростков является следствием нарушения координации роста в результате неравномерного распределения абсцизовой (АБК) и индолилуксусной кислот. По своим характеристикам семена с индуцированным покоем приближаются к состоянию глубокопо-коящихся семян: их зародыши на время теряют способность к нормальному росту, а способность к прорастанию приобретают только под действием охлаждения.
Таким образом, изменения, происходящие с семенами B. juncea и B. japonica под влиянием экстракта из плодов A. graveolens в проведённых нами опытах, соответствуют перечисленным обязательным условиям возникновения индуцированного покоя.
Выход семян как одной, так и другой культур из состояния индуцированного покоя в процессе холодной стратификации происходит постепенно. В зависимости от продолжительности воздействия пониженной температурой выход изменялся от 33,7 до 3,2 суток у B. juncea и от 19,6 до 3,0 суток у B. japonica.
Рассуждая о причинах индуцированного покоя, следует отметить, что интенсивное торможение прорастания семян может приводить к снижению газопроницаемости покровов семени. При этом в семенах наступает частичный анаэробиоз, что в свою очередь вызывает интоксикацию зародыша продуктами анаэробного дыхания, в частности уксусным альдегидом. Ингибиторы могут накапливаться в клетках самого зародыша, что также тормозит прорастание семени [7, 12].
При определённых условиях (повышение углекислого газа в атмосфере в течение длительного времени) Ф. Кид и К. Вест [10] индуцировали состояние покоя у горчицы, семена
которой вообще не имеют покоя. При этом наблюдались отклонения в росте и развитии проростков. Однако это происходит не у всех культур и не при любых условиях. На сегодняшний день имеется всего несколько сообщений такого рода. У Chenopodium album даже после двухнедельного пребывания семян в растворе абсцизовой кислоты не наблюдалось возникновения состояния покоя: как только семена переносили в благоприятные условия, снимался эффект торможения, вызванный этим фитогормоном, и они сразу прорастали [2].
Тем не менее предположение о том, что ингибиторы, находящиеся в семенах, связаны с возникновением состояния покоя, что под влиянием холодной стратификации они разрушаются или образуются вещества, устраняющие действие тормозящего механизма, вполне логично.
Вопрос о химической природе веществ, содержащихся в плодах A. graveolens, об ответственности их за состояние покоя и о механизме действия не прост, а ответ на него не однозначен и требует дальнейшего изучения.
Выводы. Путём воздействия водным экстрактом, полученным из плодов A. graveolens, на семена B. juncea и B. japonica индуцировано состояние покоя. При прорастании покоящихся семян тестерных культур обнаружен высокий процент проростков, имеющих аномальное развитие. Прерывание и снятие симптомов индуцированного покоя у семян B. juncea и B. japonica эффективно проходит под действием длительной стратификации при t = + 3° С.
Литература
1. Крокер В. Рост растений. М.: ИЛ, 1950. 359 с.
2. Николаева М.Г., Лянгузова И.В., Поздова Л.М. Биология семян. СПб: НИИ химии, 1999. 232 с.
3. Попцов А.В. Твёрдые семена // Труды Главного ботанического сада АН СССР. №3. С. 58 - 105.
4. Балеев Д. Н., Бухаров А.Ф., Бухарова А.Р. Влияние экстрактов из семян сельдерейных на лабораторную всхожесть овощных культур // Вестник Р1АЗУ. 2010. №9 (14). С. 28 - 31.
5. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиз-дат, 1985. 351 с.
6. Некрасова Т.В. Влияние гибберелловой кислоты на рост сеянцев персика, абрикоса и лимона // Известия АН СССР. 1961. №1. С. 51 - 60.
7. Кефели В.И. Природные ингибиторы роста и фитогормоны. М.: Наука, 1974. 253 с.
8. Bewley J. D. Seed Germination and Dormancy // The Plant Cell. 1997. Vol. 9. Р. 1055 - 1066.
9. Borthwick H.A., Hendricks S.B., Toole E.H. Action of light on lettuce seed germination // Bot. Gaz. 1954. Vol. 115. P. 205 - 225.
10. Kidd F., West C. On the production of secondary dormancy in seeds of Brassica alba following treatment with carbon dioxide and the relation of this phenomenon to the question of stimuli in growth process //Ann. Bot. 1917. V. 31. P. 457 - 487.
11. Taylor J. W. Growth of non-stratified peach embryos // Proc. Amer. Soc. Hort. Sci. 1957. №69. Р. 148 - 151.
12. Thornton N. Factors influencing in cocklebur seeds // Contribs. Boyce Thompson Inst. 1935. V. 7(8). P. 447 - 496.
