3. КРАТКИЕ АННОТАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТ
3.1. РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ ПО БЮДЖЕТНОЙ ТЕМАТИКЕ
Проблемы физиологии, биохимии и биотехнологии растений
Тема: Физиолого-биохимические основы адаптации растений в холодном климате.
№ Гр 01.2.00107254
Впервые изучены анатомическая структура и дыхательная активность семян Rhodiola rosea L. В работе использовали семена сбора 1999 и 2000 гг. с растений уральского (бассейн рр. Торговая, Кожим) и арктического происхождения (архипелаг Новая Земля), длительно (5 лет) выращиваемых в коллекционном питомнике вблизи г. Сыктывкара (подзона средней тайги). Изучение анатомического строения семян проводили по методике Паушевой (1974) в нашей модификации. Для определения всхожести семена проращивали спустя 1, 2 и 3 года в чашках Петри, визуально отмечали цвет экзотесты. Замачивание семян в растворах гиббереллина (10, 50, 100, 300 и 500 мл/л) и колхицина (0.04%) проводили в течение суток. Дыхание семян, собранных в разные сезоны в природных популяциях, определяли в мае 1998 г. по поглощению О2 манометрически. Использовали семена растений из окрестностей г. Воркута (образец 1, сбор 1985 г.), а также уральские (образец 2, 1991 г.) и (образец 3, 1998 г.). Семена после сбора хранили в сухом прохладном месте. Семена р. розовой длиной 1.7-1.8 и шириной 0.5-0.6 мм имеют обратно-яйцевидную, яйцевидную, удлиненно-яйцевидную или ланцентную форму. Семенная кожура или теста, типичного для представителей сем. Crassulaceae строения, является продуктом преобразования внутреннего и наружного интегументов . В халазальной области между слоями интегумента отмечается рыхлая крупноклеточная паренхима, в образовании которой принимают участия оба интегумента. В паренхиме присутствуют воздухоносные полости, которые уменьшают удельную массу семян и способствуют их лучшему распространению. Клетки обоих интегументов заполнены темно-окрашенным содержимым, по природе относящимся к танинам. Клетки внутренней эпидермы внутреннего интегумента имеют коричневые, слегка утолщенные периклинальные стенки; радиальные стенки тонкие, просветы клеток сжаты, границы отдельных клеток просматриваются лишь в редких случаях. Они сливаются в сплошной пигментированный слой. Клетки внутреннего эпидермиса наружного интегумента и наружного эпидермиса внутреннего интегумента полностью сплющены. Зародыш линейный, прямой, состоит из двух семядолей и заключенного между ними апекса побега, гипокотиля и зародышевого корешка, у которого различимы корневая меристема и корневой чехлик. Зародышевой корешок развит слабо и представлен всего 5-10 слоями клеток. Эпидерма зародыша сложена одним слоем мелких, плотно прилегающих друг к другу клеток, лишенных запасных питательных веществ. Основная ткань зародыша состоит из крупных и рыхло расположенных паренхимных клеток, образующих таблитчатые слои. В семядолях проходит по одному проводящему пучку, представленному прокамбиальными тяжами. В семенах с темной кожурой, собранных в 1999 г. с растений уральского происхождения, эмбриогенез остановился на глобулярной стадии. В отличие от темноокрашенных, большинство светлоокрашенных семян имели хорошо сформированный зародыш. Среди светлоокрашенных встречались также семена с менее развитым зародышем, но хорошо обособленными семядолями. Эти семена находились на стадии формирования проводящей системы зародыша. Опыты по проращиванию в темноте показали, что семена сбора 1999 г. спустя 2 года имели всхожесть, равную 40 и 20%, соответственно для растений уральского и арктического происхождения. При этом все проросшие семена были светло-коричневыми. Спустя 3 года проросло всего 3-5% семян, все имели темно-окрашенную тесту. Спустя год количество всхожих семян сбора 2000 г. варьировало в пределах 20-37%. Более высокой всхожестью характеризовались семена, полученные с растений уральского происхождения. Все проросшие семена были светлой окраски. Спустя 2 года после сбора проросло только 8% семян, все имели темно-окрашенную экзотесту. Степень зрелости и тип покоя семян родиолы розовой зависят от происхождения и погодных условий в период формирования. Семена сбора 2000 г., сформированные в более теплый и сухой период по сравнению с семенами сбора 1999 г., характеризовались более короткий периодом покоя. Семена образцов 2 и 3, собранные на Урале в разные по погодным условиям годы, отличались по скорости поглощения О2. Интенсивнее дышали семена образца 2, собранные в теплом 1991 г. Расчеты показывают, что такие семена при хранении могут расходовать на дыхание до 1 мг глюкозы/г сухих семян за сутки. При скорости дыхания 600-700 мкл О2/г семян за сутки запасные вещества могут быть расходованы примерно за 5 лет хранения. Поэтому для длительного хранения целесообразнее использовать семена, находящиеся в состоянии глубокого органического покоя. Такие семена расходуют запасные вещества более экономно. Выявлено, что прорастание семян р. розовой чувствительно к свету. На свету скорость прорастания и всхожесть семян были в 1.5-2 раза выше, чем в темноте. Положительный эффект на прорастание семян оказывал гиббереллин. Так, семена с уральских растений, обработанные ГК в концентрации 50 мл/л имели 100%-ную всхожесть. Раствор колхицина вызвал появление мутантных проростков, лишенных гипокотиля. Способность прорастать без участия гипокотиля, можно объяснить наличием таблитчатых клеток в семядолях, способствующих при набухании выталкиванию зародыша из семени. Характерная для большинства северных растений недоразвитость или выраженная несформированность зародыша, по-видимому, способствует большей продолжительности периода покоя. В результате семена северных популяций дольше сохраняют всхожесть. Таким образом, нами выявлена разнокачественность семян по анатомо-морфологическим и физиологическим признакам у Rhodiola rosea L., редкого исчезающего вида. Показаны особенности анатомического строения семян растений разного происхождения. Установлено, что семена с темной тестой не имели сформированного зародыша, а со светлой - отличались по степени сформированности зародыша. Показано, что раствор гиббереллина стимулирует выход семян из периода покоя. Образование семян с разным типом покоя способствует продолжительному сохранению жизнеспособности, а следовательно распространению диаспор. (асп. Бачаров Д.С., к.б.н. Далькэ И.В., проф. Головко Т.К., проф. Тарбаева В.М.). 2. Впервые получены сведения о функциональных характеристиках представителей природной флоры Приполярного Урала. Исследовано содержание фотосинтетических пигментов и антоцианов в листьях 25 видов растений. Максимальные размеры пула хлорофиллов (8-12 мг/г сухой массы) и каротиноидов (3.5-4 мг/г сухой массы) выявлены у бобовых растений (копеечник арктический, астрагал норвежский и а. холодный). У большинства исследованных видов сумма хлорофиллов варьировала в пределах 2-4 мг/г, а содержание каротиноидов составляло 1-2 мг/г сухой массы. Растения проявляли высокую изменчивость по показателю накопления антоцианов. Их содержание варьировало от 0.05 мг/г (лиственница сибирская) до 1.1 мг/г сухой массы (багульник стелющийся). Самым большим содержанием антоцианов, 1.9 мг/г сухой массы характеризовались листья мытника мутовчатого (к.б.н. О.В. Дымова, с.н.с Г.Н. Табаленкова, д.б.н, проф. Т.К. Головко). Исследована интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ) в функционально активных листьях растений, принадлежащих разным жизненным формам. Интенсивность ПОЛ оценивали по реакции соединений (большая часть которых составляет малоновый диальдегид) с тиобарбитуровой кислотой. Наибольшая активностью ПОЛ выявлена в листьях ивы сетчатой, багульника стелющегося, березы карликовой и вероники гермафродитной. Сравнительно низкие величины активности ПОЛ были характерны для арктоуса альпийского, астрагала норвежского, родиолы розовой (с.н.с. Табаленкова Г.Н.). Выявлена тесная связь дыхательной активности листьев растений Приполярного Урала с составом биомассы и, в первую очередь, содержанием азота. У большинства видов растений энергетические затраты на поддержание функциональной активности ассимилирующих органов, выраженные в эквивалентах глюкозы, варьировали в пределах 10-20 мг, а у высокобелковых - астрагал холодный и а. норвежский, копеечник арктический, достигали 35 мг/г сухой массы за сутки. Заключили, что среди внутренних факторов регуляции дыхания листьев горно-тундровых видов растений ведущая роль принадлежит белковому обмену как наиболее энергопотребляющему процессу (д.б.н., проф. Головко Т.К., к.б.н. Далькэ И.В., с.н.с. Табаленкова Г.Н.). 3. Морфофизиологические реакции растений ячменя на уровень минерального питания и температуру. На основе результатов, полученных в контролируемом эксперименте, выявлены модели ответных реакций растений ячменя (Hordeum distichum L., сорт Андрей) на уровень минерального питания и температуру. Растения выращивались на водной культуре при низкой (0.05 г/(г сут)) и высокой (0.22 г/(г сут)) скорости добавки питательных элементов в экспоненциально увеличивающихся количествах (RA) при двух температурных режимах (день/ночь) - пониженном (13/80С) и оптимальном (21/170С). Актуальность проблемы состоит в определении влияния температуры, постоянно поддерживаемой в эксперименте, на усвоение элементов и, следовательно, жизнедеятельность растений с разным минеральным статусом. Несовершенство методических подходов, применяемых для изучения этого вопроса, к сожалению пока не позволяет полностью сформировать представления о системе адаптаций растения к совместному действию температуры и минерального питания в рамках единой концепции. При оптимальной температуре выращивание растений с регулируемой скоростью добавки питательных элементов обеспечивало экспоненциальный рост с заданной относительной скоростью. При дефиците питания наблюдали обычные симптомы: снижение массы растений и площади листьев, увеличение относительной массы корней, уменьшение концентрации азота в органах и пигментов в листьях, спад дыхательной активности. При снижении температуры реакции на уровень минерального питания были неоднозначными. Наиболее стабильными, не зависящими от данных температур показателями были соотношение корни/побеги, площадь листьев, скорость фотосинтеза, наиболее изменчивым - длина корней и содержание пигментов в листьях. Изменение других морфофизиологических показателей растений зависело от их минерального статуса. Повышение уровня обеспеченности растений азотом приводило к увеличению его концентрации в побегах, что способствовало накоплению пигментов в листьях, но это мало повлияло на интенсивность фотосинтеза. Дыхание, напротив, коррелировало с содержанием азота. Интенсивное дыхание корней можно связать с их существенной ролью в поглощении и восстановлении ионов и более эффективной работой фотосинтетического аппарата за счет развития листовой поверхности на высоком фоне азота. Функциональные и ростовые изменения были тесно связаны. Увеличение соотношения корни/побеги и C/N в растении согласовывалось с классическими концепциями роста при дефиците питания и свидетельствовало о более высоком экспорте углерода в корни. Эти данные подтверждены в расчетах углеродного баланса на основе определений СО2-газообмена. Корни расходовали на прирост вдвое больше ассимилятов за сутки. В диапазоне оптимальной температуры величина относительной массы корней для данного вида может быть использована как функция степени ограничения ресурсов питания в природных условиях. В условиях пониженной температуры и высокой добавки элементов снижение первичной продуктивности фотосинтеза за счет уменьшения массы листьев сопровождалось пропорциональным сокращением дыхательные трат на поддержание биомассы. В результате растения сохранили внутренний физиологический статус, о чем свидетельствовали стабильные соотношения корни/побеги и C/N в растениях. Однако значительное снижение (на 40%) относительной скорости роста (RG) и продуктивности использования азота на рост (NP) свидетельствовало о большей чувствительности растений при высокой RA к снижению температуры. В условиях пониженной температуры линейный рост корневой системы снижался почти вдвое при сохранении ее массы, что косвенно указывает на более мощное развитие боковых корней, часто наблюдаемое в условиях Севера. Увеличение содержания N в корнях при снижении температуры могло быть вызвано накоплением в них нитратов подвижного пула вследствие торможения транслокации аниона в надземные органы. Снижение тепловыделения при сохранении уровня дыхательной активности в корнях свидетельствовало об адаптивном сдвиге температурного оптимума метаболизма в зону низкой температуры. Cвязь между продуктивностью азота и скоростью роста в растениях отсутствовала из-за нестабильности величины NP в диапазоне низкой скорости роста. Проведенные эксперименты позволили выявить функциональные стратегии растений к уровню минерального питания и температуре. При оптимальной температуре относительная скорость роста растений сильнее зависела от уровня минерального питания, чем от температуры. Доля дыхания от фотосинтеза (R/PG ) была в 2-3 раза ниже у растений, выращенных при дефиците азота и оптимальной температуре. Соотношение С/N в растении повышалось с уменьшением обеспеченности азотом, наиболее значительно при оптимальной температуре, что свидетельствует о накоплении неструктурных углеводов, а также увеличении азотного фонда при снижении температуры. Специфическое накопление неструктурного азота и нестабильность продуктивности азота при его дефиците в среде явились причиной большей зависимости NP от уровня минерального питания в пониженном температурном режиме. Низкая вариабельность основных относительных показателей физиологического статуса - RG, R/PG, корни/побеги, C/N у растений с разным минеральным статусом при снижении температуры свидетельствует об ослаблении лимитирования роста минеральным питанием. (к.б.н. Гармаш Е.В.) 4. Проведены исследования по выявлению влияния нефтяного загрязнения на процессы роста и морфо-физиологические показатели корневищных многолетних трав. Актуальность исследований связана со все большим загрязнение территорий нефтью и необходимостью проведения фиторемедиации. Видовой состав растений, способных произрастать на загрязненных почвах, ограничен. Корневищные многолетние злаки, кроме хорошо известных кормовых свойств, считаются перспективными для фитомелиорации почв, способны быстро заселять нефтезагрязненные участки (Назаров, 1999; Krishan et al., 2000). В качестве объекта использовали канареечник тростниковидный (Phalaroides arundinacea) - многолетнее, травянистое, длиннокорневищное растение сем. Poaceae, встречающееся на территории Республики Коми от подзоны южной тайги до тундры. Влияние нефтяного загрязнения на растения оценивали по ряду морфо-физиологических показателей: рост и накопление биомассы, пигментный комплекс и флуоресценцию хлорофилла, активность пероксидазы и перекисного окисления липидов. Растения выращивали в сосудах объемом 10 л. Нефть вносили из расчета 50 и 100 г/кг почвы в 15 см почвенный горизонт. На подготовленную почву пересаживали растения к. тростниковидного второго года жизни. Рост является одним из важнейших параметров, характеризующих ответную реакцию растений на стресс. Установлено, что разные концентрации нефтяного загрязнения не оказали существенного влияния на накопление сухой биомассы целого растения. Количество листьев на побеге и число надземных побегов достоверно не изменялись. Однако под влиянием высокой дозы нефти вдвое снижалось новообразование корневищ. В корневищах существенно возрастала активность стресс-индуцируемого фермента - пероксидазы. Нефтяное загрязнение оказало заметный эффек на пигментный фонд растений. По сравнению с контролем листья опытных растений содержали на 30% меньше фотосинтетических пигментов. Активность пероксидаз в листьях опытных растений была достоверно ниже, чем у контрольных. Таким образом, наиболее чувствительны к нефтяному загрязнению заложение и рост корневищ. По-видимому, эти процессы могут ограничивать использование к. тростниковидного в целях фиторемедиации сильно загрязненных нефтью территорий. (к.б.н. С.П. Маслова, с.н.с. Г.Н. Табаленкова, н.с. С.В. Куренкова) Тема: "Структурное многообразие и биологическая
активность стероидов растений и клеточных
культур". № Гр 01.2.00107253
Изучена индивидуальная изменчивость растений Silene tatarica по уровню накопления 20-гидроксиэкдизона (20Е) в различных органах: листьях, стеблях и цветках. Показано, что внутри одной популяции особи, находящиеся в одинаковой фазе развития, значительно отличаются по общему содержание 20Е: максимальная концентрация 20Е в растении целиком - 1,61% от сухой массы, минимальная - 0.31%. При этом отмечено, что концентрация 20Е в генеративных органах разных особей варьирует незначительно (коэффициент вариации = 37.6%). Листья и стебли показали коэффициент вариации по уровню накопления 20Е равный 91.4 и 99.1% соответственно. Cоотношение концентраций 20Е в листьях, стеблях и цветках остается довольно стабильным для всех изученных особей (коэффициент вариации для соотношения лист/цветок и стебель/цветок составляет 17.36 и 6.75% соответственно) (к.б.н. Чадин И.Ф.). На основании анализа 12-ти ценопопуляций Silene tatarica показано, что совместно с данным растением произрастает 55 видов. Из них наибольшей частотой встречаемости обладают Bromopsis inermis (59.4%), Tanacetum vulgare (41.4%), Petasites spurius (28.8%), Vicia cracca (25.4%). Средняя плотность популяции составила 15.7 особей на 1 м2. В целом, по всем изученным ценопопуляциям степень генеративности составила 36.8%. Сравнение ценопопуляций приуроченных к разным экотопам показывает, что для ценопопуляций, произрастающих вдоль дорог характерно более высокое разнообразие видов, чем для сообществ произрастающих вдоль рек. Эти группы также различаются по спектру наиболее часто встречающихся видов. Сообщества, приуроченные к пойме реки более чем на половину представлены вегетирующими особями, за счет которых в данных экотопах повышена и средняя плотность, в то время в придорожных ценопопуляциях преобладают генеративные особи и средняя плотность особей на 1 м2 заметно ниже. Полученные данные в комплексе с результатами измерения продуктивности данных сообществ свидетельствуют о возможности заготовок экдистероидсодержащего сырья в прирусловых популяциях Silene tatarica (к.б.н. И.Ф.Чадин, м.н.с. С.О.Володина). Из различных частей луков A. odorum и A. komarovianum методом экстракции выделены суммы стероидных гликозидов (ССГ), анализ которых с использованием тонкослойной (ТСХ) и высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) показал наличие в них диосгенина - генина большинства спиростаноловых гликозидов, а также ряда соединений фуростаноловой и спиростаноловой природы. Отработаны оптимальные условия выделения, очистки, разделения суммы стероидных гликозидов на узкие фракции и индивидуальные вещества, а также оптимальный режим разделения и идентификации СГ при помощи ТСХ и ВЭЖХ. Модификация классической методики выделения СГ, включающая стадию дополнительной экстракции бутанолом, позволила значительно повысить выход суммы стероидных гликозидов из различных частей луков A. odorum и A. Komarovianum. Использование различных проявителей для ТСХ, специфических для спиростаноловых и фуростанолровых гликозидов, анализ данных ВЭЖХ позволили установить наличие в оболочках A. Komarovianum, как минимум, восьми СГ, из которых шесть имеют спиростаноловую и два фуростаноловую структуру, а также генин большинства спиростаноловых гликозидов - диосгенин. На основании данных ВЭЖХ и ИК-спектроскопии в ССГ, полученной из корней A. odorum, было идентифицировано три описанных в литературе вещества - диосгенин, дельтозид, протодиосцин, а также три неидентифицированных СГ спиростаноловой природы, из которых один, согласно данным ИК-спектроскопии, близок по своей структуре с кислым гликозидом дельтофолином, отличаясь от него углеводной частью молекулы (к.х.н. Т.И.Ширшова, студ. СыктГУ Е.Н. Адаменко, студ. СыктГУ В.В. Алферова). Введено в культуру растительных клеток экдистероидсодержащее растение смолевка татарская (Silene tatarica). Получен быстрорастущий штамм каллусной культуры Silene tatarica, способный к биосинтезу экдистероидов (м.н.с. С.О.Володина). Разработан метод микроклонального размножения экдистероидсодержащего растения живучки ползучей (Ajuga reptans L.), включающий стадии получения органогенного каллуса на свету, мультипликации побегов, укоренения растений-регенерантов в условиях in vitro и перенос укоренившихся растений в грунт. (д.б.н. В.В.Володин, м.н.с. С.О.Володина, асп. С.Ю.Николаева). Проведено сравнительное исследование содержания экдистероидов, цитохрома Р450 и экдизон-20-монооксигеназной активности в органах интактного растения A. reptans в различные периоды вегетации и в каллусной культуре клеток. Максимальное содержание экдистероидов, цитохрома Р450 и максимальная экдизон-20-монооксигеназная активность цитохрома Р450 обнаружены в листьях вегетирующих розеток интактных растений. В листьях генеративных растений в фазу цветения экдизон-20-монооксигеназная активность цитохрома Р450 выше, чем в других органах. Показано, что процесс гидроксилирования экдизона протекает преимущественно в листьях A. reptans. Высокое содержание 20-гидроксиэкдизона в соцветиях по сравнению с другими органами генеративных растений при низкой экдизон-20-монооксигеназной активности соцветий свидетельствуют о разобщении центров локализации биосинтеза экдистероидов и накопления и возможности транспорта 20-гидроксиэкдизона из экдистекроидсинтезирующих клеток в аккумулирующие органы. Показано, что в каллусной культуре клеток A. reptans содержание 20-гидроксиэкдизона превышало аналогичные показатели в интактном растении при сохранении высокой экдизон-20-монооксигеназной активности, что свидетельствует о высоком биосинтетическом потенциале каллусных культур A. reptans (к.х.н. Л.И.Алексеева). Ранее нами было показано, что экдистероидная фракция (ES) растения серпухи венценосной (Serratula coronata), в состав которой входят два основных экдистероида: 20-гидроксиэкдизон (80%) и 25S-инокостерон (11%), обладает выраженной эрготропной активностью, увеличивая вдвое физическую выносливость у лабораторных мышей. При этом препарат проявляет также слабое анаболическое действие. Представлялось интересным исследовать действие индивидуального 25S-инокостерона (In), природного структурного изомера 20-гидроксиэкдизона, на прирост массы тела и пероксидазную активность в различных органах и тканях у двух групп лабораторных мышей - беспородных и линейных. Показано, что после перорального введения 10 доз In в суммарной дозе 10 мг/кг данное вещество обладает хорошо выраженным анаболическим действием, зависящим от пола и возраста экспериментальных животных. Установлено, что доза-зависимый анаболический эффект In не сопровождается эрготропной стимуляцией выносливости и работоспособности у животных, что указывает на слабый вклад 25S-инокостерона в эрготропную составляющую общего адаптогенного эффекта у суммарной эфдистероидной фракции. На основе проведенных исследований, можно считать, что основным действующим веществом композиционного экдистероидного препарата ЕS является 20-гидроксиэкдизон, ответственный за выраженное эрготропное действие препарата. Наличие в составе препарата 25S-инокостерона (11% от суммы экдистероридов) придает препарату анаболическое действие. Обнаружены видовые, возрастные и половые различия пероксидазной активности тканей лабораторных животных после введения 25S-инокостерона.. Полученные данные согласуются с ранее полученными результатами анаболического действия инокостерона, что указывает на функциональную связь между ферментной активностью пероксидазы крови и костного мозга с величиной анаболического эффекта инокостерона у теплокровных животных в различные возрастные периоды жизни (к.б.н.Л.Д. Пчеленко).
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3761 посещений с 29.03.2004 |