CC BY
22
11. Gostin I. Effects of different plant hormones on Salvia officinalis cultivated in vitro // Int. J. of Botany. - 2008. - V.4, N4. - P. 430-436.
12. Grzegorczyk I., Wysokinska H. Micropropagation of Salvia officinalis L. by shoot tips // Biotechnologia. - 2004. - N 2. - P. 212-218.
13. Huang L.D., Van Staden J. Salvia chamelaeagnea can be micropropagated and its callus induced to produce rosmarinic acid // S. Afr. J. Bot. - 2002. - V. 68. -P. 177-180.
14. Regeneration of Salvia sclarea via organogenesis / Liu W., Chilcott C.E., Reich R.C., Hellmann G.M. // In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant. - 2000.- V.36, N3. -P.201-206.
15. Makunga N. P. , Van Staden J. An efficient system for the production of clonal plantlets of the medicinally important aromatic plant: Salvia africana-lutea L. // Plant Cell Tiss Organ Cult. - 2008. - V. 92, N1. - P. 63-72.
16. Determination of phenolic antioxidant compounds produced by calli and cell suspensions of sage (Salvia officinalis L.) / Santos-Gomes P.C., Seabra R.M., Andrade P.B., Fernandes-Ferreira M. // J. Plant Physiol. - 2003. - V. 160, N9. - P. 1025-1032.
17. Skala E., Wysokinska H. In vitro regeneration of Salvia nemorosa L. from shoot tips and leaf explants // In vitro Cell. Dev. Biol.- Plant. - 2004. - V. 40, N 6. -P. 596-602.
18. Tawfik A. A., Mohamed M. F. Regeneration of salvia (Salvia officinalis L.) via induction of meristematic callus // In Vitro Cell.Dev.Biol.-Plant. - 2007.-V. 43, N1. - P. 21-27
ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ УСЛОВИЯМИ ПИТАНИЯ
НАПЕРСТЯНКИ ШЕРСТИСТОЙ (DIGITALISLANATA L.), СО2ГАЗООБМЕНОМ и основными факторами
ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
О.А. ИЛЬНИЦКИИ, доктор биологических наук;
С.В. БОНДАРЧУК, кандидат биологических наук;
И.Н. ПАЛИЙ
Никитский ботанический сад - Национальный научный центр
Введение
Наперстянка шерстистая (Digitalis lanata L.) - многолетнее травянистое растение семейства норичниковых (Scrophulariaeeae). Видовое определение произошло от латинского «ланатус» (покрытый шерстью, волосатый) и связано с войлочно-опушенными цветочной остью и цветками растения. D. lanata - лекарственное растение высотой 60-80 см с одиночным прямым, внизу голым стеблем, равномерно олиственным.
Листья длиной от 6 до 20 см, шириной 1,5-3,5 см. Нижние листья, отмирающие к началу цветения, продолговато-яйцевидные, тупо-заостренные, голые, цельнокрайние, зеленые с обеих поверхностей. Главная и крупные боковые жилки на нижней поверхности листа голые; верхние листья ланцетовидные, сидячие, постепенно уменьшающиеся и переходящие в прицветник. Соцветие - густая, длинная, пирамидальная, густоопушенная кисть [4]. Цветки буровато-желтые, с лиловыми жилками. Венчик шаровидно вздутый, с сильно выдающейся вперед средней лопастью нижней губы. Цветет в июле-августе. В диком виде О. ¡апМа встречается на Балканах, Молдавии и Закарпатье, на Украине и Северном Кавказе [8, 9]. О. ¡апа1а - светолюбивое засухоустойчивое растение [2].
В культуру О. ¡апа1а введена в Венгрии, Швеции, на Украине и Северном Кавказе. Урожай воздушно-сухих листьев может достигать 11,5т. с гектара. Большой интерес представляет собой использование семян в качестве сырья, урожай которых, в среднем, составляет 10-12 ц с гектара
[5].
В лечебных целях используют розеточные листья первого года и стеблевые - второго года развития растения. Они содержат около 50 сердечных гликозидов, в том числе ряд лантозидов, дигитоксин, дигоксин, группу стероидных гликозидов, органические кислоты и другие вещества. В медицинской практике [12] также используют индивидуальные гликозиды, получаемые из листьев О. ¡апа1а, - целанид, дигоксин, а также препарат, содержащий несколько гликозидов этого вида наперстянки, «лантозид». Препараты О. ¡апа1а действуют подобно препаратам наперстянки пурпуровой, однако они быстрее всасываются, меньше накапливаются в организме, обладают несколько большим диуретическим эффектом [10, 11]. Промышленностью выпускаются препараты О. ¡апа1а\ «дигоксин» в таблетках по 0,25 мг и в ампулах по 1 мл 0,025%-ного раствора; «целанид» в таблетках по 0,25 мг, в каплях по 10 мл 0,05% раствора для приема внутрь и в ампулах по 1 мл 0,02%-ного раствора. Этот же препарат под названием «изоланид» поступает из Венгрии. Все лекарственные травы и препараты О. ¡апа1а применяют только по назначению врача.
Физиология О. ¡апа1а и агротехника выращивания [14] в настоящее время изучены слабо и требуют дальнейшего изучения [1, 15, 16]. Известно, что увеличение концентрации углекислого газа увеличивает накопление сухой массы и концентрацию дигитоксина в тканях листьев [15]. Дефицит почвенной влаги приводит к снижению водного потенциала листьев с -0,7 до -2,5МП, при этом снижается концентрация хлорофилла и увеличивается содержание каротиноидов [16]. Предполагается, что эти процессы приводят к ускоренному старению листа. Агротехника выращивания О. ¡апа1а также требует дальнейших исследований, т.к. имеются данные, что при внесении органических удобрений (навоз)
увеличивается концентрация белка в листьях, повышается устойчивость к неблагоприятным условиям. Однако при этом снижается накопление гликозидов [1].
В связи с вышеизложенным, цель наших исследований заключалась в выявлении особенностей динамики СО2-газообмена у О. ¡апа1а в контролируемых условиях на фоне различного корневого питания.
Объекты и методы исследований
Для изучения взаимосвязей между условиями питания О. ¡апа1а с СО2-газообменом [7] и основными факторами внешней среды была проведена серия экспериментов в климатической камере и в условиях вегетационного опыта.
В наших исследованиях применялись 4 варианта внесения удобрений:
1. Внесение навоза (навоз 40 т/га) и минеральных удобрений, Кб0Рб0;
2. Внесение только, навоза 40 т/га;
3. Внесение только минеральных удобрений, Кб0Рб0;
4. Контроль.
Растения О. ¡апа1а выращивались в вегетационных сосудах емкостью 10 л. Опыты проводились в 3-кратной повторности.
Были изучены зависимости интенсивности СО2-газообмена О. ¡апа1а от основных факторов внешней среды:
■ интенсивности солнечной радиации;
■ температуры воздуха;
■ влажности воздуха;
■ влажности почвы (водного потенциала почвы).
Для проведения экспериментов была использована фитометрическая система «Экоплант» [3, 5, 6], позволяющая регистрировать параметры внешней среды и растения. Получаемая информация поступала в базу данных компьютера и затем обрабатывалась различными пакетами прикладных математических программ (Ехе1, 31а1!81:1са и др.). Система позволяет измерять температуру листьев растения, разность температур лист-воздух, относительную скорость [6] ксилемного потока в побегах (стеблях) растений и изменение их тургесцентности (диаметра), устьичное сопротивление листа, биоэлектрическую разность потенциалов, водный потенциал листьев и другие параметры. При получении зависимостей интенсивности СОг-газообмена от основных факторов внешней среды: ФЬ=Щ); ФЬ=Д \|/.поч); ФЬ=ДТвоз.); ФЬ=ДЪа) один из параметров является независимой переменной, а остальные стабилизируются. Такая методика измерений описана в литературе [3, 6]. Изменяя независимую переменную, находят искомую зависимость. Листовые камеры системы «Экоплант» для измерения интенсивности СО2-газообмена автоматически закрываются на
90 сек. За такой промежуток времени лист не успевает перегреться, что доказано специально проведенными экспериментами.
Водный потенциал почвы измерялся психрометрическим методом при помощи датчиков установки «Экоплант» [6]. Датчики \|/ поч. и Тпоч. находились в зоне корневой системы, на глубине 3 и 11см.
\|/ поч. рассчитывался автоматически по программе «Экоплант -WP» с помощью компьютера, входящего в состав системы, через определенные промежутки времени (не менее 600 сек).
В систему, кроме фитометрических преобразователей, перечисленных выше, входили несколько алгоритмических датчиков (измерение суммарной солнечной радиации, диффузионного сопротивления листа, водного потенциала листьев и почвы), расчет показаний которых проводился по специальным программам, включал в себя несколько измерений, и требуемое временя составило не меньше 600 сек.
Результаты и обсуждение
Естественный ход интенсивности СО2-газообмена листьев О. ¡апМа для четырех различных вариантов внесения удобрений и их реакцию на включение-выключение света (остальные факторы внешней среды стабилизированы) представлен на рис. 1. Разница между вариантами внесения удобрений достигает 4 единиц в сторону оптимального внесения удобрений. Дисперсионный анализ показал достоверность различий между вариантами питания растений при освещении растений. При выключении света в камере (дыхание растений) эти различия не достоверны. Стрелками на рисунке обозначено включение и выключение света в климатической камере.
Рис. 1. Зависимость СО2-газообмена листьев наперстянки шерстистой от вариантов внесения удобрений, где 1-4 варианты внесения
удобрений
При включении-выключении света в зоне опыта изменяется концентрация СО2 вследствие изменения процесса «фотосинтез-дыхание».
При выключении света концентрация СО2 в зоне опыта повышается при выделении его растением с 280 до 315 ррт, а при включении света снова снижается до 275 ррт вследствие поглощения СО2 в процессе фотосинтеза (рис. 2).
Е о. а
320 310 300 290 280 270 260 250
/
\
1 \
/
N ч
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 1 2 3 4 5 6 7
Свет Выкл.
I
время, час.
Г
9 10 11 12
Вкл,
Рис. 2. Изменение концентрации СО2 в зоне опыта Б. ЬапМа
Включение-выключение света в зоне опыта приводит к изменению температуры листа вследствие изменения его транспирации (рис. 3). При этом разность температур лист-воздух достигает 3оС.
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
-0,5 -1
[
.г"
I
15 1 3 1 7 1 8 1 Э 2 Э 2 1 22 23 2 4 1 ■ т ! ! 1 Э 1 1 1
Свет Выкл,
Вкл,
время, час. ^
Рис. 3. Изменение разности температур лист-воздух вследствие включения-выключения света
При изучении зависимости СО2-газообмена от освещенности ФЬ=1"(1) в климатической камере влажность почвы равнялась 90-70% НВ, Твоз. = 22-24 оС; Иа = 0,7 - 0,8 . На рисунке 4 приведена зависимость ФЬ = : (I) для
4х вариантов внесения удобрений. Как видно из этого рисунка, световые кривые СО2-газообмена приближаются к плато насыщения при освещенности 0,4 - 0,5 квт/м , различие между вариантами достигает 4 мг.
Л
СО2*дм /час. Двухфакторный дисперсионный анализ подтвердил достоверность различий между вариантами опыта.
Рис. 4. Зависимость интенсивности СО2-газообмена от освещенности при различных вариантах питания растений 1-4
При определении зависимости интенсивности С02-газообмена от влажности почвы ФЬ = (\|/ поч) температура воздуха поддерживалась 22-24С°, относительная влажность воздуха - 70-80%, освещенность - 80 вт/м2.
Зависимость ФЬ = поч) для 4-х вариантов внесения удобрений (1-4 см. выше) приведена на рис.5. Как видно из рисунка, зависимости по форме близки к экспоненте. Разница в интенсивности СО2-газообмена составляет 1-2 единицы. Двухфакторный дисперсионный анализ подтверждает достоверность различий между вариантами питания
растении.
Рис. 5. Зависимость интенсивности СО2-газообмена от водного потенциала почвы для различных вариантов питания растений
При определении зависимости интенсивности СО2-газообмена от температуры воздуха освещенность в зоне опыта поддерживалась 80 вт/м , влажность воздуха Иа = 0.6-0.8, влажность почвы в вегетационном сосуде ^Ъоч = 70-90% НВ.
Зависимость интенсивности СО2-газообмена от температуры воздуха при 4 вариантах питания растений представлена на рис. 6. Переход от фотосинтеза к дыханию происходит при температуре примерно 30°С. Разница в интенсивности фотосинтеза между вариантами достигает примерно 3 единицы.
Как видно из рисунка, оптимум фотосинтеза соответствует температуре 28-30 оС.
После достижения оптимума фотосинтеза при дальнейшем повышении температуры воздуха кривые зависимости практически сливаются в одну линию, что возможно связано с генетической устойчивостью данного вида (сорта) к действию повышенных температур.
Дисперсионный анализ показал, что различия между вариантами достоверны лишь до достижения критических температур.
Зависимость интенсивности видимого фотосинтеза от влажности воздуха определяли при температуре воздуха в камере 24-25оС, влажности
л
почвы 70-90% НВ, освещенности - 80 вт/м .
На рисунке 7 показана эта зависимость. Из графика видно, что с понижением относительной влажности воздуха от 0,8 до 0,4 интенсивность СО2-газообмена ФЬ во всех вариантах уменьшается, однако эти изменения не очень значительны.
Рис. 6. Зависимость интенсивности СО2-газообмена от температуры воздуха при различных условиях питания растений
0 -2
о (0
Z -4
(Ч
1-6 О
-10
-12
Рис. 7. Зависимость СО2-газообмена от относительной влажности воздуха при различных условиях питания растений
Дисперсионный анализ подтвердил достоверность этих различий.
Таким образом, проведенные исследования позволили определить оптимальные и ограничивающие условия интенсивности СО2-газообмена (фотосинтез плюс дыхание), что позволит найти пути к получению максимальной биомассы растений О. ¡апМа и, следовательно, эфирного масла.
Выводы
1. Применение методологии и приборной базы фитомониторинга позволило решить ряд задач по изучению физиологических особенностей и условий корневого питания О. ¡апа1а .
2. Установленные зависимости между СО 2-газообмена листьев растения и основными факторами внешней среды (интенсивностью солнечной радиации, температурой воздуха, влажностью воздуха и влажностью почвы) позволили определить оптимальное и ограничивающее воздействие этих факторов на процесс, определяющий продуктивность растений.
3. Применение различных вариантов корневого питания растения позволило определить оптимальный, что дает возможность повысить урожайность О. ¡апа1а.
4. Результаты проведенных исследований могут быть рекомендованы для практического выращивания О. ¡апа1а.
Список литературы
1. Иващенко А.А. Влияние удобрений на урожай и качество продукции дигиталиса // ОтчетУЗОС за 1935 г. - К., 1955. - С. 23-31.
2. Иванина Л.И. Род Digitalis и его практическое применение //Труды Ботан. ин-та им. Комарова АН СССР. - 1955. - Вып. 2. - С. 21-28.
3. Ильницкий О.А., Щедрин А.Н., Грамотенко А.П. Экологический мониторинг. - Донецк, 2010. - 293 с.
4. Катуков Г.Н. К вопросу о введении в культуру наперстянки и подофилла //Труды Ботан. ин-та им. Комарова АН СССР. - 1959. - Вып. 7. - С. 14-19.
5. Катуков Г.Н. Культивируемые и дикорастущие лекарственные растения. - К.: Наукова думка, 1974. - 166 с.
6. Основы фитомониторинга (мониторинг физиологических процессов в растениях) / Ильницкий О.А., Бойко Н.Ф., Федорчук М.И. и др. - Херсон, 2005. - 345 с.
7. Лайск А.Х. Кинетика фотосинтеза и фотодыхания С3 - растений. -М.: Наука, 1977. - 195 с.
8. Лекарственные растения юга Украины / Бондаренко А.К., Чуб В. Г., Бондаренко Б.С., Овдиенко О. А. - К.: Ассоциация украинских экспортеров печатной продукции, 1992. - 262 c.
9. Гаммерман А.Ф., Кидаев Г.Н., Яценко -Хмелевский А.А. Лекарственные растения / - М.: Высшая школа, 1984. - 400 c.
10. Максютина М.Д. Растительные лекарственные средства. - К.: Здоровье. - 1984. - 349 с.
11. Машковский М.Д. Лекарственные средства. - М.: «Медицина», 1986. - 624 с.
12. Работягов В.Д., Ушкаренко В.А., Федорчук М.И. Эфиромасличные и пряновкусовые растения в народной медицине. -Херсон: Айлант, 1998. - 78 с.
13. Фитомониторинг в растениеводстве / Ильницкий О.А., Лищук А.И., Ушкаренко В.А. и др. - Херсон, 1987. - 235 c.
14. Чернавин А.С. Руководство по применению удобрений под лекарственные и эфироносные растения. - М.-Л., 1933. - 82 с.
15. Stuhefauth T., Fock H.P. Effectof a medicinalplant Digitalis //Z. Acker.-und Pflangenban. - 1990. - V. 164, №3. - P. 168-173.
16. Stuhefauth T., Stuer B., Fock H.P. Chlorophylls and carotenoides under water stress and heir relation to primaru metabolism //Photosynthetica. - 1990. - V. 24, №3. - Р. 412-418.
