Физиология растений, 2021, T. 68, № 3, стр. 308-314

ВВЕДЕНИЕ

Почвенное засоление является для растений одним из наиболее вредоносных факторов среды. Более 800 млн га земли и, по крайней мере, 20% площади поливных земель в мире в той или иной степени засолены [1]. Солевой стресс оказывает на растения осмотическое и токсическое действие, приводит к подавлению жизненно важных процессов и физиологических функций (фотосинтеза, минерального питания, роста) и вызывает снижение продуктивности сельскохозяйственных культур. Глобальное потепление и усиление региональной аридизации климата способствует увеличению площади засоленных земель [2]. Поэтому изучение механизмов адаптации и устойчивости растений к засолению традиционно находится в фокусе физиологии растений.

Важную роль в водном обмене растений и устойчивости к солевому и осмотическому стрессам играет формирование градиента водного потенциала в системе почвенный раствор – корень – побег – атмосфера. Значительный вклад в снижение водного потенциала на отдельных этапах транспорта воды играют осмолиты – низкомолекулярные органические соединения, выполняющие как осморегуляторную, так и протекторную по отношению к биополимерам функцию [3]. Эти вещества снижают водный потенциал не только во внутриклеточных компартментах, но также, по-видимому, и в апопласте [4].

Недавно был предложен новый метод измерения водного потенциала апопласта клеток мезофилла в подустьичной полости листа (ψ_wа) [4]. Этот метод позволяет измерять на интактном листе одновременно с ψ_wa интенсивность фотосинтетического СО₂ газообмена и транспирации. Было показано, что у растений резкое падение водного потенциала происходит на границе водной фазы клеток мезофилла и газовой фазы подустьичной полости листа [4]. Эксперименты, проведенные с использованием этого метода, показали также, что ψ_wа в условиях солевого стресса и водного дефицита у хвои сосны снижается [5]. На проростках кукурузы были получены данные, позволившие обосновать предположение, что увеличение содержания органических осмолитов в клетках листьев под влиянием водного стресса приводит к снижению ψ_wа, тогда как уменьшение содержания осмолитов в клетках листьев вызывает повышение этого показателя [6]. Мы предположили, что синтезируемые в клетках осмолиты транспортируются по градиенту концентрации в апопласт, внося вклад в снижение его водного потенциала. Данное исследование продолжает цикл работ, посвященных физиологической роли регуляции ψ_wа при стрессе. Мы изучали влияние хлоридно-натриевого засоления субстрата выращивания на рост растений, водный потенциал апопласта подустьичной полости листа (ψ_wа), формирование градиента водного потенциала в системе целого растения и СО₂/Н₂О-газообмен интактных листьев галофита (Suaeda altissima).

Цель работы – проверка предположения, что в условиях засоления величина ψ_wа отражает, наряду с биологической продуктивностью, способность сведы высокой противостоять стрессовому воздействию.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования. Семена сведы высокой, Suaeda altissima (L.) Pall., были собраны с растений, произрастающих на берегу соленого озера Эльтон (Волгоградская обл.). Семена проращивали во влажном песке при комнатной температуре. Через три недели проростки пересаживали в 3‑литровые стеклянные сосуды (4 растения на сосуд) на аэрируемый питательный раствор (ПР) [7]. Растения выращивали в факторостатной камере при 24°С в условиях водной культуры и освещали лампами высокого давления ДHа3 250 Вт (“Reflux”, Россия) с фотопериодом 16/8 ч (день/ночь) при интенсивности света 500 мкмоль/(м² с). Замену раствора в сосудах проводили каждую неделю в течение первых трех недель. По достижении 42-дневного возраста растений в ПР поэтапно вносили хлористый натрий с инкрементом 50 или 100 мМ до конечных концентраций 0 (контроль), 250 (вариант I) или 750 (вариант II) мМ. Далее растения росли без замены ПР до 60-дневного возраста, после чего были использованы для анализа.

Осмотическое давление растворов определяли криоскопическим методом с помощью осмометра OSMoMaT 030-D-RS (“Gonotec”, Германия) согласно инструкции производителя.

Определение содержания Na⁺ и Cl^– в органах растений. Высушенные при 90°С органы растений измельчали до порошкообразного состояния. Ионы из образцов извлекали кипячением в дистиллированной воде в течение 2 мин, эстракт фильтровали. Концентрацию Na⁺ в фильтратах определяли с помощью пламенного фотометра ФПА-2-01 (ОАО “ЗОМЗ”, Россия), концентрацию Cl^- путем титрования экстрактов ионами ртути согласно ГОСТ Р 4245-72, используя полуавтоматический титратор TopBuret (“Eppendorf”, Германия).

Стационарный фотосинтетический СО₂/Н₂О-газообмен интактных листьев S. altissima изучали с помощью инфракрасного газоанализатора LI-820 (“Li-Cor”, США) в открытой проточной системе при атмосферной концентрации СО₂ и интенсивности ФАР 200 мкмоль/(м² с) [8]. Для этого неотделенный от растения лист помещали в листовую камеру-прищепку при комнатной температуре и освещали осветителем KL 1500 LCD (“Shott”, Германия) с галогеновой лампой 150 Вт (“Philips”, Нидерланды) через оптоволоконный световод. Лист адаптировали к условиям листовой камеры-прищепки в течение 15–20 мин до достижения стационарного режима фотосинтетического СО₂-газообмена. Транспирацию листа рассчитывали на основании разности влажности газа на входе и выходе из листовой камеры. В опорном газовом потоке на входе в листовую камеру поддерживали постоянную влажность при 25°С с помощью увлажнителя LI-610 (“Li-Cor”, США). Для определения влажности воздуха на выходе из листовой камеры использовали психрометрический датчик HMP50 (“Vaisala Intercap”, Финляндия). Питающим газом служил атмосферный воздух, предварительно собранный в 30-литровом полиэтиленовом газгольдере. Расход газа (100 мл/мин) обеспечивал непрерывную работу установки в течение 5 ч. Смесительный узел газового тракта позволял стабильно поддерживать концентрацию СО₂ 380 ppm в воздушном потоке на входе в листовую камеру.

Определение водного потенциала на границе водной и газовой фаз апопласта на поверхности клеток мезофилла, выстилающих подустьичную полость. Согласно теории общего термодинамического взаимодействия статистической физики [9, с. 274], зависимость равновесного давления водяного пара над поверхностью водного раствора от водного химического потенциала описывается уравнением [10, с. 15]:

где e – равновесное давление паров воды над водным раствором; e_o – давление насыщенного водяного пара над поверхностью чистой воды (ψ_o = 0) при абсолютной температуре T; R – универсальная газовая постоянная (8.31441 Дж/(моль K)); T – абсолютная температура (K); V – молярный объем воды (18 × 10^–6 м³/моль). Поэтому Физическая размерность водного потенциала видна из уравнения (2) и выражается в Дж/м³ или Па.

По определению, относительная влажность (RH) представлена уравнением:

где e_o – давление насыщенного водяного пара (Па); е – актуальное давление водяного пара (Па).

Значение влажности воздуха, при которой транспирация прекращается, получали линейной аппроксимацией экспериментально полученной зависимости транспирации от относительной влажности воздуха [4]. Применение уравнений (2) и (3) позволяет рассчитать значение водного потенциала, исходя из экспериментально определенных значений относительной влажности (RH) в подустьичной полости при данной температуре листа.

Статистическая обработка. Все эксперименты проведены в трех биологических повторностях. Представлены средние значения и их стандартные ошибки. Разными латинскими буквами обозначена достоверность различий (двухфакторный анализ ANOVA; Р < 0.05). Одинаковые буквы показывают отсутствие достоверных различий.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Исследование роли и регуляции водного потенциала апопласта клеток подустичной полости листа S. altissima в условиях солевого стресса проводили, выращивая растения при концентрациях NaCl в ПР 250 мМ (вариант I) и 750 мМ (вариант II), а также в отсутствие добавленного хлористого натрия (контроль). В последнем случае ПР содержал лишь следовые количества NaCl, поступающие в ПР в виде примеси с другими реагентами.

Рост растений и содержание воды в органах. Хлористый натрий, внесенный в ПР, стимулировал рост растений при концентрации 250 мМ и тормозил его при концентрации 750 мМ. Торможение роста у растений варианта II выражалось более чем в 2-кратном снижении средней сухой биомассы надземных органов в расчете на одно растение, по сравнению с растениями контрольного варианта, и в 5-кратном снижении, по сравнению с растениями варианта I (табл. 1). Различия в сухой биомассе корневой системы между вариантами качественно соответствовали различиям в биомассе надземной части растений, но были выражены еще сильнее. Так, в расчете на одно растение сухая биомасса корней в варианте II была почти в 6 раз меньше, чем у растений варианта I, и в 3 раза меньше, чем у контрольных растений (табл. 1). Содержание воды в корнях во всех вариантах было приблизительно одинаковым и составляло около 90% от общего веса корней (табл. 1). Содержание воды в надземных органах заметно различалось у растений разных вариантов: 78% в контроле, 82% в варианте I и 91% в варианте II.

Содержание Na⁺ и Cl^– в органах. Измерение содержания ионов в органах S. altissima показало, что корни и листья поглощают и накапливают как Na⁺, так и Cl^– при всех наружных концентрациях NaCl в ПР (рис. 1). Даже в контрольном варианте содержание Na⁺ и Cl^– в корнях составило 14 и 46 ммоль/кг в расчете на сырую биомассу (рис. 1а), а в листьях – 79 и 107 ммоль/кг (рис. 1б), соответственно. Содержание ионов в органах было тем больше, чем была выше концентрация Na⁺Cl^– в питательном растворе. При максимальной концентрации NaCl в ПР (вариант II), содержание Na⁺ и Cl^– в корнях составило 478 и 605 ммоль/кг (рис. 1а), а в листьях – 797 и 535 ммоль/кг (рис. 1б), соответственно. Таким образом, по мере увеличения концентрации NaCl в ПР количество поглощенных ионов и Na⁺_, и Cl^– возрастало как в корнях, так и в листьях. Данные, представленные на рис. 1, демонстрируют также различие в поглощении растениями катиона Na⁺ и аниона Cl^–. При равных исходных концентрациях Na⁺ и Cl^– в ПР корни S. altissima во всех вариантах опыта содержали заметно больше Cl^–, чем Na⁺ (рис. 1а). Листья, наоборот, содержали больше Na⁺, чем Cl^– (кроме растений контрольного варианта) (рис. 1б). Суммарное содержание Na⁺ в корнях и листьях преобладало над суммарным содержанием Cl^–. Наиболее вероятным претендентом на роль веществ, компенсирующих избыточные положительные заряды ионов натрия в листьях, являются анионы органической природы. По данным, представленным в табл. 1 и на рис. 1а, б, была рассчитана поглотительная способность корней и листьев S. altissima по отношению к ионам в расчете на одно растение (рис. 1в, г). Растения поглощали максимальное количество Na⁺ и Cl^– при оптимальной для роста концентрации NaCl в ПР (250 мМ). При высокой концентрации NaCl (750 мМ) количество поглощенных ионов в расчете на одно растение были более низким, чем при 250 мМ NaCl, хотя в расчете на единицу сырой биомассы соленакопление возрастало по мере увеличения наружной концентрации соли и было максимальным при 750 мМ NaCl в ПР (рис. 1а, б), свидетельствуя о том, что лимитирующим фактором соленакопления при солевом стрессе являлось снижение скорости роста растений, т.е. снижение биомассы корней и листьев.

Градиент водного потенциала в системе целого растения и фотосинтетический СО₂/Н₂О газообмен листьев S. altissima. Движение воды из почвы в корень и далее в надземные органы осуществляется по градиенту водного потенциала [12, с. 81–139]. Для того, чтобы оценить значения градиентов водного потенциала в системе целого растения S. altissima, мы измеряли водный (осмотический) потенциал ПР и водный потенциал подустьичной полости листьев растений (ψ_wa) в конце эксперимента, т.е. после 60-дневного культивирования растений(рис. 2а, б). Значения водного (осмотического) потенциала ПР разных вариантов опыта существенно различались (рис. 2а). Различия были обусловлены как внесением в питательные растворы NaCl в разных концентрациях, так и разной интенсивностью поглощения ионов растениями в процессе роста. Существенно более низкие значения водного потенциала ПР вариантов I и II, чем в контроле, объясняются внесением в них NaCl в высоких концентрациях. Наименьший осмотический потенциал, равный –2.34 МПа, был обнаружен в ПР варианта II. В ПР варианта I осмотический потенциал составил –0.54 МПа, т.е. в 4 раза больше, чем в варианте II. Осмотический потенциал ПР в контрольном варианте составлял –0.026 МПа, что в 100 раз больше чем в варианте II. Следует, однако, подчеркнуть, что различия между водными потенциалами питательных растворов разных вариантов опыта (рис. 2а) не оказали заметного влияния на их градиенты в системе ПР – корень – надземные органы, т. к. подавляющий вклад в формирование этого градиента обеспечивался снижением водного потенциала апопласта в подустьичной полости листа (ψ_wa) (рис. 2б). Даже самый низкий водный (осмотический) потенциал ПР в варианте II был почти в 10 раз больше водного потенциала апопласта подустьичной полости листьев растений S. altissima этого варианта (–22 МПа). У контрольных растений и растений варианта I превышение водного (осмотического) потенциала питательного раствора над водным потенциалом апопласта клеток в подустьичной полости листа (ψ_wa) было выражено еще сильнее (рис. 2а, б). Таким образом, именно существенно более низкий по сравнению с осмотическим (водным) потенциалом питательного раствора водный потенциал апопласта подустьичной полости листьев обеспечивал физическую возможность передвижения воды по ксилеме от корней в листья растений во всех вариантах опыта. Инструментально реализацию этой физической возможности регистрировали измерением скорости транспирации листьев (рис. 3а). В варианте II (наибольшее засоление ПР) скорость транспирации была приблизительно вдвое ниже, чем в контрольном варианте или варианте I. Скорость фотосинтетического поглощения СО₂ листьями различных вариантов опыта коррелировала со скоростью транспирации листьев (рис. 3б). Значения скоростей СО₂/Н₂О газообмена листьев растений варианта I не отличались от таковых контрольных растений. Однако скорости СО₂/Н₂О газообмена листьев растений варианта II были вдвое ниже соответствующих параметров контрольного варианта (рис. 3).

ОБСУЖДЕНИЕ

Для передвижения воды из корней в надземные органы должен поддерживаться градиент водного потенциала в направлении от корня к побегу. Более высокое содержание веществ в надземных органах, чем в корнях, вносит вклад в поддержание такого градиента. Содержание ионов Na⁺ и Cl^– в органах S. altissima было тем выше, чем была выше концентрация NaCl в питательном растворе. При этом содержание Na⁺ в листьях поддерживалось на более высоком уровне, чем в корнях, что отвечает условию движения воды в восходящем направлении. Однако концентрационный градиент Cl^– у S. altissima в условиях засоления имел противоположную направленность, т.е. в листьях содержание ионов Cl^– было заметно ниже, чем в корнях. Учитывая более высокое осмотическое давление (осмолярность) в листьях S. altissima, чем в корнях [11], и принимая во внимание электронейтральность внутриклеточных растворов [12, с. 81–139], можно принять, что недостаток ионов Cl^– в органах клетки компенсируют органическими анионами. Последние не только поддерживают электронейтральность внутриклеточных растворов при более интенсивном поглощении клетками Na⁺, по сравнению с Cl^–, но вносят также вклад в поддержание градиента осмотического потенциала и, следовательно, градиента водного потенциала между корнем и надземными органами. Увеличение концентрации NaCl в питательном растворе сопровождалось не только усилением соленакопления в корнях и листьях в расчете на единицу сырой биомассы (рис. 1), но и заметным торможением прироста биомассы (табл. 1).

К концу эксперимента водные (осмотические) потенциалы питательных растворов разных вариантов опыта заметно различались (рис. 2а). Водный потенциал апопласта листьев растений (ψ_wа) в варианте с наибольшим засолением (II) был приблизительно на треть больше, чем водный потенциал апопласта листьев в контроле и в варианте I (рис. 2б). Вследствие этого градиент водного потенциала между питательным раствором и апопластом листьев в подустьичной полости (движущая сила транспорта воды в восходящем направлении) в варианте II был заметно меньше, чем в контроле и варианте I. Этому соответствовала более низкая скорость транспирации и фотосинтетической ассимиляции CO₂ у растений S. altissima варианта II (рис. 3а) по сравнению с контролем и вариантом I (рис. 3б). Поток воды равен произведению градиента водного потенциала и водной проводимости [12, с. 81–139]. Совпадение соотношений фотосинтетического СО₂ газообмена, транспирации листьев и градиентов водного потенциала в разных вариантах опыта позволяет сделать вывод об устьичном лимитировании водного потока через листья и в целом о нарушении водоснабжения растений S. altissima в условиях засоления. Можно предположить, что снижение потока воды в растении при солевом стрессе приводит к нарушению донорно-акцепторных отношений, в первую очередь, между корневой и надземной частями растения. Согласно имеющимся в литературе данным [13], в общем случае нельзя исключать возможность неустьичного лимитирования СО₂-газообмена на свету. Однако в условиях данного опыта с точностью измерений соответствие снижения СО₂-газообмена на свету снижению транспирации листа (рис. 3) позволяет пренебречь вкладом темнового дыхания в устьичное лимитирование СО₂/Н₂О-газообмена.

Осмолитами, вносящими вклад в снижение ψ_wа, как было показано ранее, могут быть такие продукты фотосинтеза, как восстанавливающие сахара [3]. Однако более низкое содержание Cl^–, по сравнению с Na⁺, в листьях растений S. altissima указывает на биосинтез органических анионов, компенсирующих избыток положительных зарядов ионов натрия. Органические анионы, по-видимому, также вносят вклад в поддержание градиента водного потенциала в системе целого растения у S. altissima.

Судя по данным СО₂ газообмена, фотосинтез листьев растений варианта с наибольшим засолением питательного раствора (II) был в 2 раза ниже, чем в контроле и в варианте I (рис. 3б). Такое понижение скорости фотосинтеза в варианте II должно приводить к заметно меньшему, по сравнению с двумя другими вариантами опыта, образованию органических осмолитов и к смещению вследствие этого водного потенциала апопласта в подустьичной полости (ψ_wа) к более высоким значениям. В соответствии с этим измеренное значение ψ_wа в варианте II было приблизительно на треть больше, чем в контроле и в варианте I (рис. 2б). Таким образом, несмотря на накопление соли клетками, приводящее к понижению их водного потенциала, движущая сила поступления воды в растения S. altissima в условиях засоления снижается за счет торможения фотосинтетического газообмена и снижения внутриклеточного содержания органических осмолитов (рис. 2б, 3)). В результате устьичного лимитирования транспорта воды из корней в листья, ограничения фотосинтетического СО₂ газообмена и снижения ассимиляционной способности растений происходит замедление нарастания фитомассы (табл. 1). Полученные результаты показывают, что значение водного потенциала апопласта подустьичной полости листьев ψ_wа, наряду с биопродуктивностью, отражает силу стрессового воздействия засоления на галофит S. altissima. Остается открытым вопрос, какой механизм лежит в основе понижения водного потенциала апопласта подустьичной полости листьев. Как показано в нашей предыдущей работе [4], резкое снижение водного потенциала в апопласте листьев на границе водной и газовой фаз свойственно не только галофитам, но и гликофитам, т.е. носит универсальный характер. Возможно, ключ к пониманию механизма этого снижения кроется в комбинации капиллярных сил, развиваемых в апопласте, в сочетании с понижением осмотического потенциала апопласта за счет переноса органических осмолитов из клеток в капилляры клеточной стенки.

Работа поддержана за счет средств темы государственного задания АААА-А19-119041690035-9.

Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.