Агрохимия, 2020, № 2, стр. 84-91

ВВЕДЕНИЕ

Проблема солеустойчивости растений давно привлекает внимание исследователей. Засоленными, по средним оценкам, являются до 25% возделываемых почв, а в некоторых регионах, в частности, в Дагестане – до 38%. Наблюдается и постоянный рост уровня вторичного засоления, которое развивается при нерациональном орошении [1, 2]. В условиях засоления отмечено изменение комплекса физиолого-биохимических параметров, что приводит к подавлению роста и продуктивности растений. По степени и направленности этих изменений судят об солеустойчивости растений, разрабатывая на их основе различные методы ее диагностики.

Засоление вызывает в растениях осмотический стресс и ионный дисбаланс, связанный с избыточным содержанием ионов. Повышение содержания Na⁺ в цитоплазме растительных клеток определяет токсические эффекты, а системы транспорта Na⁺, поддерживающие его низкое содержание в цитоплазме при засолении, играют ключевую роль в устойчивости растений [3]. Одним из критериев оценки солеустойчивости растений служит накопление пролина, уровень которого при стрессе значительно возрастает. Пролин – один из самых типичных осмолитов – наиболее изученный протектор и осморегулятор. Интенсивное накопление в тканях пролина рассматривается как критерий солеустойчивости генотипов или как показатель их адаптивности к стрессовому воздействию [4].

Изучение солеустойчивости особенно актуально для широко возделываемых злаковых культур. Многочисленные работы посвящены изучению солеустойчивости пшеницы [5–8], ячменя [9, 10], ржи [11]. В то же время солеустойчивость такой ценной и перспективной культуры, как тритикале (Triticosecale Wittm.), имеющего высокую продуктивность и устойчивость к стрессам, остается малоизученной. В Дагестане озимое тритикале выращивают в низменных районах, где засоленность почвы достаточно высока, что делает актуальным изучение его солеустойчивости и выявление устойчивых сортообразцов. Однако исследования, посвященные этой проблеме, пока немногочисленны [12–15].

В связи с этим цель работы – изучение сравнительной солеустойчивости проростков сортообразцов озимого тритикале с применением различных морфометрических и физиологических методов оценки.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования были выбраны 3 сортообразца озимого тритикале (×Triticosecale Wittm.) – Алмаз, Сотник и ПРАГ530л-1934 из коллекции Дагестанской опытной станции ВИР им. Н.И. Вавилова. Для оценки прорастания семян их проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге [16], смоченной растворами хлорида натрия и дистиллированной водой (контроль). В связи с ограниченностью исследований солеустойчивости тритикале для оценки сортообразцов проростки культивировали в широком диапазоне концентраций NaCl (85–350 мМ). Объем выборки составлял 50 семян в трехкратной повторности в каждом варианте. Чашки Петри помещали на 7 сут в климатическую камеру (Sanyo MLR–352H, Япония) для моделирования условий: температура 24 ± 1°С, освещение – 3000 лк и влажность 80%. Энергию прорастания (на 3-и сут) и всхожесть (на 7-е сут) определяли согласно ГОСТ 12038–84. Число, длину и массу корней, длину и массу надземной части определяли на 7-е сут в вариантах засоления 85 и 165 мМ NaCl. Сырую и сухую (после фиксации материала при 105°С в течение 3 ч и доведения до постоянного веса) биомассу растительного материала оценивали гравиметрическим методом.

Содержание свободного пролина определяли по методу [17], в модификации Калинкиной с соавт. [18]. Навеску растительного материала массой 100 мг растирали в 5 мл дистиллированной воды. Брали по 5 проб, каждую в 3-х повторностях. Содержимое пробирки кипятили в течение 10 мин и охлаждали, затем центрифугировали 20 мин при 6 тыс. об./мин. К 2 мл надосадочной жидкости добавляли 2 мл нингидринового реактива (1.25 г нингидрина, 20 мл 6 М Н₃РО₄, 30 мл ледяной уксусной кислоты) и 2 мл ледяной уксусной кислоты. Полученный раствор тщательно перемешивали, инкубировали в течение 1 ч на кипящей водяной бане и охлаждали на ледяной бане. В контрольном образце экстракт заменяли 2 мл дистиллированной воды. Оптическую плотность полученных окрашенных растворов измеряли на спектрофотометре (Beckman Coulter DU–730, США) при длине волны 520 нм. Содержание пролина рассчитывали по калибровочной кривой. Для анализа брали по 5 проростков из 3-х чашек Петри каждого варианта.

Определение содержания ионов Na⁺ в надземной части и корнях проводили в водной вытяжке [19]. Для определения содержания ионов Na⁺ надземную часть и корни высушивали при температуре 105°С, измельчали в ступке до порошкообразного состояния и разводили 10 мл дистиллированной воды. Измерения проводили в 3-х повторностях для 4-х проб на атомно-адсорбционном спектрометре (МГА–915 МД, Россия).

Статистическая обработка данных. Обработку данных проводили с помощью программы Microsoft Excel 2007. Для сравнения независимых выборок использовали параметрический t-критерий Стьюдента (р < 0.05). В таблицах и рисунках приведены средние арифметические и их стандартные ошибки.

Исследование выполнены на базе биологического факультета и Центра коллективного пользования “Аналитическая спектроскопия” Дагестанского государственного университета. Часть исследования проведена на Дагестанской опытной станции ВИР им. Н.И. Вавилова в рамках работы по теме НИР 0662–2019–0006.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты лабораторных опытов показали, что интенсивность снижения энергии прорастания и всхожести семян в условиях засоления зависела от сортообразца и от концентрации соли. В диапазоне концентраций 85–250 мМ NaCl бóльшую чувствительность проявил сортообразец Алмаз, чем образцы Сотник и ПРАГ530л-1934. Всхожесть и энергия прорастания семян у этого сортообразца при засолении снижались на 10–25%, тогда как у образцов Сотник и ПРАГ530л–134 – на 5–10%. Выраженное снижение энергии прорастания и всхожести семян у всех сортообразцов наблюдали, начиная c концентрации 250 мМ. При проращивании семян тритикале в этом варианте энергия прорастания в среднем составляла 70, всхожесть – 55%. При действии высокой концентрации NaCl (350 мМ) более сильное уменьшение всхожести также отмечено у сортообразца Алмаз (рис. 1).

Рис. 1.

Влияние засоления NaCl на энергию прорастания (а) и всхожесть (б) семян сортообразцов озимого тритикале.

Одним из наиболее чувствительных и интегральных физиологических процессов, отражающих состояние растений в условиях стресса, является их рост [20]. В растворе NaCl с концентрацией 85 мМ выраженных различий между сортообразцами по ростовым показателям не наблюдали. Только у сортообразца Сотник длина корня уменьшалась в меньшей степени. Ростовые показатели под влиянием 165 мМ хлорида натрия в меньшей степени ингибировались у проростков сортообразцов ПРАГ530л-1934 и Сотник: длина корня составила у них 43% по сравнению с контролем, высота надземной части – 46 и 44% соответственно. Наиболее сильное ингибирование роста в этом случае наблюдали у сортообразца Алмаз: длина корня составляла 30, высота надземной части – 32% к контролю (табл. 1).

Снижение сырой биомассы корней и надземной части в условиях засоления в большей степени было выражено также у образца Алмаз. Например, в варианте 165 мМ NaCl сырая биомасса корней и надземной части у проростков этого сортообразца снижалась в 2.4 и 2.0 раза, Сотник – в 2.4 и 1.8 раза, ПРАГ530л-1934 – в 2.3 и 1.4 раза по сравнению с контролем (табл. 2). По такому показателю, как накопление сухой биомассы в условиях засоления, преимущество имел сортообразец Сотник: в варианте 85 мМ NaCl накопление биомассы надземной части снизилось у него на 5%, в варианте 165 мМ NaCl – на 24% по сравнению с контролем, тогда как снижение этого показателя у сортообразца Алмаз составило 26 и 41%, у ПРАГ530л-1934 – 25 и 42% соответственно. В варианте засоления 85 мМ NaCl биомасса корня у сортообразца ПРАГ530л-1934 снижалась в меньшей степени, чем у образца Сотник.

Следует отметить, что у всех изученных сортообразцов корневая система проявила большую чувствительность к засолению, чем надземная часть проростков: рост и накопление биомассы корней в условиях всех вариантов засоления снижались в большей степени (табл. 1, 2). При этом достоверных различий в количестве корней выявлено не было.

В литературе встречаются многочисленные сведения о более интенсивном накоплении пролина как в устойчивых, так и в чувствительных сортах [4, 9, 21]. В наших опытах в условиях низкого уровня засоления (85 мМ NaCl) содержание свободного пролина в большей степени повышалось в растениях сортообразцов ПРАГ530л-1934 (с 1.5 до 9.7 мкмоль/г) и Сотник (с 0.8 до 3.1 мкмоль/г, или в 3.8 раза), в меньшей степени – в растениях сортообразца Алмаз (с 0.8 до 2.3 мкмоль/г, или в 2.8 раза) (табл. 3). При концентрации 165 мМ NaCl абсолютные величины и интенсивность накопления пролина были наиболее высокими в сортообразце ПРАГ530л-1934 (с 1.5 до 21.8 мкмоль/г). Таким образом, более высокая пролинобразующая способность листьев в условиях как более слабого, так и сильного уровня засоления была больше у образцов ПРАГ530л-1934 и Сотник. Эти сортообразцы проявили бóльшую устойчивость при оценке роста и накопления биомассы проростков. Полученные данные согласуются с литературными сведениями о том, что в листьях более чувствительных к стрессу сортов содержание пролина повышается в меньшей степени по сравнению с устойчивыми [9].

Известно, что процессы поступления ионов Na⁺ в растение и его распределение в клетках и тканях строго контролируются на разных уровнях организации – от клеточного до организменного [3, 22, 23]. Низкая концентрация Na⁺ в цитоплазме и компартментация его в вакуоли поддерживается различными транспортными белками плазмалеммы и тонопласта [24, 25]. У высших растений клеточные механизмы дополняются механизмами дальнего транспорта. Большинство гликофитов стремится ограничить накопление Na⁺ в метаболически активных надземных органах путем торможения его транспорта из корней в побеги, накопления в старых листьях и стеблях, рециркуляции из побега в корни, компартментации избытка ионов в вакуолях и в свободном пространстве клеток корня или стебля [22, 24, 26]. В целом более высокое накопление ионов натрия характерно для чувствительных сортов [26, 27]. Устойчивые сорта часто характеризуются высокой эффективностью барьерной функцией корней и поддерживают относительно низкий уровень натрия в надземной части [26, 28–30]. Однако такая картина отмечена не для всех видов и сортов [31, 32].

В наших опытах в условиях засоления содержание ионов натрия значительно повышалось в проростках всех сортообразцов уже в варианте 85 мМ NaCl (табл. 4). В наибольшей степени его содержание при засолении возрастало как в корнях, так и в надземной части у чувствительного сортообразца Алмаз. У проростков этого образца в варианте 85 мМ NaCl в надземной части содержание NaCl составило 17.5, в корнях – 49.0 мг/кг. Проростки образцов Сотник и ПРАГ530л-1934 характеризовались более низким и почти одинаковым содержанием Na⁺ и в надземной части (6.0 и 6.3 мг/кг), и в корнях (29 и 26 мг/кг).

Увеличение концентрации раствора соли существенно не влияло на дальнейшее повышение содержания ионов Na⁺ в тканях надземной части проростков у всех сортообразцов – его уровень в варианте 165 мМ возрастал по сравнению с вариантом 85 мМ на 0.6–1.6 мг/кг. Повышение интенсивности засоления в большей степени влияло на содержание ионов Na⁺ в корнях. В этом случае проявилась и сортовая специфика: содержание ионов Na⁺ в сортообразце ПРАГ530л-1934 возрастало на 7.0, Сотник – на 5.5 мг/кг, максимальным было в чувствительном сортообразце Алмаз – на 11.5 мг/кг по сравнению с вариантом слабого засоления.

Большее содержание ионов Na⁺ во всех сортообразцах при засолении наблюдали в корнях, меньшее – в надземной части. При этом наиболее интенсивным его накоплением как в условиях слабого, так и сильного засоления, характеризовался чувствительный сортообразец Алмаз. У него в большей степени возрастала и интенсивность накопления Na⁺ по сравнению с контролем. Например, в надземной части этот показатель вырос у сортообразца Алмаз в варианте 85 мМ NaCl в 79, в корнях – в 53 раза. Наименьшее накопление было отмечено у образца ПРАГ530л-1934, у которого показатель возрастал в 57 раз в надземной части, в 44 раза – в корнях.

Различия в накоплении натрия между сортообразцами были более выражены в надземной части проростков по сравнению с корнями: в варианте засоления 85 мМ NaCl у чувствительного сортообразца Алмаз в надземной части проростков содержание натрия (17.5 мг/кг) превышало показатели устойчивых образцов ПРАГ530л-1934 (6.0 мг/кг) и Сотник (6.3 мг/кг) в 2.8 и 2.9 раза, в корнях – соответственно в 1.7 и 1.9 раза. Подобную закономерность наблюдали и при более сильном засолении.

Варьировало также у сортообразцов соотношение содержания Na⁺ в корнях к содержанию Na⁺ в надземной части. Например, в условиях слабого засоления (85 мМ NaCl) в корнях проростков сортообразца Сотник натрия накапливалось в 5 раз больше, чем в надземной части (29 и 6 мг/кг соответственно), у образца ПРАГ530л-1934 – в 4.1 раза (26 и 6.3 мг/кг), у образца Алмаз – в 2.8 раза (49.5 и 17.5 мг/кг соответственно). В условиях более интенсивного засоления (165 мМ NaCl) наиболее высоким соотношением содержания натрия в корнях к содержанию в надземной части также характеризовался сортообразец Сотник, у которого оно возрастало в 5.2 раза, меньшим – Алмаз (3.2 раза). Таким образом, независимо от уровня засоления чувствительный сортообразец Алмаз характеризовался меньшим соотношением накопления натрия в корнях по сравнению с надземной частью. Это согласуется с литературными данными [26] и может свидетельствовать о меньшей эффективности барьерной функции корней, связанной, в частности, с возможностью локализации засоляющих ионов в клеточных компартментах клеток корня [24].

Таким образом, сортообразцы тритикале Сотник и ПРАГ530л-1934 отличались меньшим накоплением натрия в тканях надземной части по сравнению с чувствительным сортообразцом Алмаз, а также бóльшим соотношением содержания натрия в корнях к его содержанию в надземной части проростков. Наиболее интенсивное повышение содержания натрия, как и пролина, наблюдали у более чувствительного сортообразца Алмаз, характеризующегося более выраженным подавлением роста и накоплением биомассы проростков, менее – у сортообразцов Сотник и ПРАГ530л-1934.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное исследование показало, что засоление, вызванное действием растворов NaCl, в большей степени подавляло рост и накопление биомассы надземной части и корней сортообразца тритикале Алмаз, в меньшей степени – сортообразцов Сотник и ПРАГ530л-1934. Рост и накопление биомассы корней в условиях засоления снижались в большей степени, чем надземной части проростков. По накоплению свободного пролина в условиях засоления выделились сортообразцы ПРАГ530л-1934 и Сотник, меньше всего его содержание возрастало в проростках образца Алмаз. И у более устойчивых (Сотник, ПРАГ530л-1934) и у чувствительного (Алмаз) сортообразцов отмечено более интенсивное накопление натрия в корнях по сравнению с надземной частью проростков. Сортовая специфика была выражена в изменении общего содержания натрия в проростках при разных уровнях засоления: максимальным оно было у чувствительного сортообразца. Также она проявилась в различиях величины соотношения содержания Na⁺ в корнях к его содержанию в надземной части: в большей степени этот показатель увеличивался у устойчивых сортообразцов тритикале. Наиболее интенсивное повышение содержания натрия как в корнях, так и в надземной части наблюдали у более чувствительного сортообразца Алмаз, характеризующегося более выраженным подавлением роста и накопления биомассы проростков, меньшим – у сортообразцов ПРАГ530л-1934 и Сотник, проявивших бóльшую солеустойчивость по морфометрическим показателям.