КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

Свєтлова Наталія Борисівна

УДК 581.1.036/032+143.577+577.125

ЛІПІД-ПІГМЕНТНИЙ КОМПЛЕКС ТА ЕКЗОГЕННІ БІОРЕГУЛЯТОРИ У ФОРМУВАННІ АДАПТИВНИХ РЕАКЦІЙ ПШЕНИЦІ ДО ПОСУХИ

03.00.12 - фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор біологічних наук

член-кореспондент УААН, професор

Мусієнко Микола Миколайович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

завідувач кафедри

фізіології та екології рослин

Офіційні опоненти:

доктор біологічних наук Яворська Вікторія Казимирівна,

Інститут фізіології рослин та генетики НАН України, м. Київ

завідуюча відділом фізіології росту і розвитку рослин

кандидат біологічних наук Сиваш Олександр Олексійович

Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного НАН України, м. Київ

старший науковий співробітник відділу мембранології і фітохімії

Провідна установа:

Дніпропетровський державний університет Міністерства освіти та науки України,

м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться 19.03.2001 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03127, м. Київ, проспект Глушкова 2, корпус 12 (біологічний факультет), ауд. 215.

Поштова адреса: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64, спецрада Д 26.001.24, біологічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка: 01033, Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий 16.02.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Брайон О.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема адаптації та стійкості сільськогосподарських культур є надзвичайно актуальною у сучасній фітофізіології. Це зумовлено глобальним потеплінням, аридизацією клімату та розширенням площ посушливих регіонів (Пьянков, Мокроносов, 1993). Посухи набувають глобального характеру і в Україні, негативно впливаючи на врожайність сільськогосподарських культур, зокрема, зернових (Бабич, 1995). Тому впровадження та застосування адаптивної стратегії у сільськогосподарське виробництво, яка грунтується на поєднанні високої продуктивності та підвищенні стійкості агроекосистем до екстремальних умов вирощування, на сьогодні, є одним з головних напрямків у сучасному сільському господарстві. Складовою частиною цієї стратегії є розробка методів екзогенної регуляції та стабілізації адаптивних можливостей рослин за рахунок використання фізіологічно активних речовин синтетичного та природного походження. Застосування біорегуляторів потребує, в свою чергу, детального з`ясування механізмів біохімічної адаптації та стійкості рослин.

При вирішенні проблеми фізіологічної та біохімічної адаптації і стійкості рослин значну увагу приділяють вивченню захисних механізмів фотосинтетичних мембран рослин, важлива роль в підтриманні нативності яких належить ліпідам (Quinn & Williams, 1983; Gounaris et al., 1988; Оканенко и др., 1992; Musienko et al., 1997; Quinn, 1998; Siegenthaler & Tremolieres, 1998) та каротиноїдам (Larson, 1988; Gruszecki & Strzalka, 1991; Tournaire, Croux et al., 1993; Loggini et al., 1999; Havaux & Niyogi, 1999). Ця залежність між ліпідною складовою та вмістом каротиноїдів, що виступають важливою ланкою у формуванні адаптивних реакцій рослин в змінених умовах середовища, вивчена недостатньо і потребує детального з`ясування.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи було дослідити участь ліпід-пігментних складових мембран та виявити роль екзогенних біорегуляторів нового покоління у формуванні адаптивних реакцій рослин озимої пшениці різних за рівнем стійкості до факторів посухи.

Для досягнення поставленої мети до завдань роботи входило:

1. Визначити зміни в складі ліпідів та їх жирнокислотних залишків в листках і хлоропластах різних за рівнем стійкості сортів озимої пшениці за умов дії високої температури та водного дефіциту грунту.

2. Проаналізувати особливості змін пулу каротиноїдів у рослин різних за рівнем посухостійкості під впливом названих факторів.

3. Встановити взаємозв`язки між якісним і кількісним вмістом каротиноїдів, ліпідів та інтенсивністю процесів їх пероксидного окислення в фотосинтезуючих тканинах у різних за рівнем посухостійкості сортів озимої пшениці.

4. Дослідити можливість формування адаптивних реакцій рослинного організму в умовах дії факторів посухи за допомогою екзогенних фізіологічно активних речовин з антистресовою активністю нового покоління - віталіну, протону та триману.

Об’єкт дослідження - рослини сортів озимої м’якої пшениці (Triticum aestivum L.) різні за рівнем стійкості до факторів посухи.

Предмет дослідження - формування адаптивних реакцій рослин озимої пшениці за участю компонентів ліпід-пігментного комплексу та фізіологічно активних речовин.

Методи дослідження - визначення змін складових ліпід-пігментного комплексу рослин методами спектрофотометрії, хроматографії та денситометрії.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше проаналізовано взаємозв`язки між якісним і кількісним вмістом ліпідів, каротиноїдів та інтенсивністю процесів їх пероксидного окислення в фотосинтезуючих тканинах озимої пшениці. Показано, що зміни в складі ліпідів та каротиноїдів фотосинтезуючих тканин пшениці пов`язані з адаптивними процесами, ефективність реалізації яких залежить від меж адаптивної мінливості, зумовленої генетично детермінованим рівнем стійкості сорту.

Встановлено зменшення вмісту пігментів ксантофілового циклу - віола- і зеаксантину (на 62,5 і 48,2% відповідно) у рослин чутливого сорту та стабільність цієї фракції у рослин стійкого сорту при вирощуванні їх в умовах недостатнього водозабезпечення.

Вперше виявлено, що відношення моногалактозилдіацилгліцерол /зеаксантин і діацилгліцерол /-каротин є показниками адаптивної здатності рослин до посухи. Це підтверджує зростання відношення моногалактозилдіацилгліцерол /зеаксантин у рослин чутливого сорту (55,4 при дії посухи проти 36,1 в контролі) та зменшення відношення діацилгліцерол /-каротин у рослин стійкого (10,1 та 13,0 відповідно).

Дослідження нових біорегуляторів - віталіну, протону та триману - виявило антистресову дію цих речовин при формуванні адаптивних реакцій пшениці в умовах несприятливих факторів довкілля (високої температури та водного дефіциту грунту).

Вперше показано, що модифікуюча дія цих біорегуляторів проявляється у створенні додаткового пулу фотосинтетичних пігментів - підвищенні вмісту хлорофілів (переважно хлорофілу b) і -каротину. Збільшення пулу хлорофілу b (від 32,5 до 116,1%) під впливом біорегуляторів може свідчити про зміну якості світлозбираючого комплексу фотосистеми II. Зростання вмісту -каротину (на 38,0%) при обробці рослин триманом підсилює антиоксидативні властивості рослин, сприяє захисту тилакоїдних мембран, шляхом гасіння синглетного кисню та гальмування вільнорадикальних реакцій.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані дані розширюють існуючі уявлення про формування механізмів адаптації рослин озимої пшениці до факторів посухи. Виявлені антистресові властивості віталіну, протону та триману пов`язані з регулюванням таких адаптивних реакцій рослин, як рівень пероксидного окислення ліпідів, склад ліпід-пігментного комплексу. Регулювання цих адаптивних реакцій сприяє формуванню адаптивного потенціалу, що підвищує врожайність в умовах дії високої температури та водного дефіциту грунту. Зокрема, врожайність озимої пшениці зростала на 5,7 - 9 ц/га при застосуванні триману; на 1,7 - 10 ц/га у варіанті з протоном; на 3,7 - 8,7 ц/га при обробці рослин віталіном.

Результати досліджень рекомендовані для використання при розробці інтенсивних технологій вирощування зернових, зокрема озимої пшениці, в аграрному секторі України.

Особистий внесок здобувача. В процесі виконання дисертаційної роботи автором здійснено інформаційний пошук та оцінку даних літератури за темою дисертації. Дисертантом розроблено програму польових та лабораторних досліджень, проведено теоретичне обговорення та осмислення одержаних результатів. Планування та розробка методичних підходів проведені спільно з науковим керівником та за участю співробітників кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою наукової теми науково-дослідної лабораторії фізіологічних основ продуктивності рослин кафедри фізіології та екології рослин біологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка № 97/090 “Екзогенна індукція адаптивних реакцій для стабілізації продуктивності зернових культур в несприятливих екологічних умовах”; номер державної реєстрації: 0197U003136 та проекту №97/533 Фонду фундаментальних досліджень України “Механізми адаптації фотомембран до дії стресових факторів”; номер державної реєстрації: 0197U003445.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації апробовані на наукових семінарах кафедри, конференції професорсько-викладацького складу Київського національного університету (1999), Міжнародній конференції “Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі” (Львів, Україна, 1998); XI конгресі європейського товариства фізіологів рослин (FESPP) (Варна, Болгарія, 1998); XI Всесвітньому конгресі з фотосинтезу (Будапешт, Угорщина, 1998); Міжнародній конференції “Роль ботанічних садів у збереженні рослинного різноманіття” (Київ, Україна, 1999); XVI Міжнародному ботанічному конгресі (Сант Льюіс, США, 1999); XXIX та XXX симпозіумах європейського товариства з нових методів сільськогосподарських досліджень (ESNA) (Вай, Великобританія, 1999; Кестхей, Угорщина, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації надруковано 2 статті у наукових журналах, 3 статті у збірниках наукових праць, 6 тез доповідей на міжнародних конференціях і з’їздах.

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається із списку скорочень, вступу, шести розділів основної частини, узагальнення результатів досліджень, висновків, додатків і списку використаних джерел літератури з 250 найменувань. Робота викладена на 139 сторінках машинописного тексту, включаючи 10 ілюстрацій та 5 таблиць.

МатеріалИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Об’єктами досліджень були рослини сортів озимої пшениці, різні за екологічним походженням і рівнем стійкості до посухи: Білоцерківська 47, Миронівська 808, Поліська 90 - представники лісостепової зони; слабостійкі до посухи. Альбатрос одеський, Одеська 51 - представники степової екологічної групи; стійкі до посухи. При підборі сортового матеріалу враховувались фізіологічні параметри сорту (стійкість до дефіциту води в грунті та високої температури), господарські ознаки (врожайність, якість зерна).

Досліди проводили в лабораторних та польових умовах. Польові досліди здійснювали протягом 3-х вегетаційних періодів 1996/1997, 1997/1998 та 1998/1999 років. Визначення інтегральних показників фізіологічного стану рослин пшениці проводили у верхньому листку у фази трубкування, колосіння, цвітіння та молочно-воскової стиглості.

При підборі регуляторів росту рослин враховували специфіку їх походження. Випробовували продукт термофільного метанового бродіння при виробництві вітаміну В12, під умовною назвою “віталін”. Препарат розроблений Інститутом фізіології рослин та генетики НАН України (Яворська та ін., 1998; Драговоз та ін., 1998); діючою речовиною є збалансований комплекс фітогормонів, мікроелементів, амінокислот, вуглеводів. Біорегулятор віталін знаходиться в стані виробничої перевірки.

Протон є композицією синтетичних і природних регуляторів росту - триману, біорегулятора емістиму С та мікроелементів; розроблений Інститутом біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України (ІБОНХ).

Триман (ДГ-482) - похідний N-оксиду піридину. Препарат розроблений НІЦ “АКСО” НАН України та включений у перелік регуляторів росту, рекомендованих до застосування у сільськогосподарській практиці в Україні (Регулятори росту рослин у землеробстві, 1998).

Водні розчини біорегуляторів вносили в два етапи, у фази кущіння та трубкування (III і V етапи органогенезу) за рекомендаціями ІБОНХ в концентраціях 0,1-0,004%.

Водний дефіцит визначали за методикою (Брайон, Чикаленко та ін., 1995); водоутримуючу здатність листків - за допомогою приладу “Тургомер-1” згідно з методичними рекомендаціями (Кушниренко, Штефырце и др., 1990). Вміст хлорофілів а і b, загальну кількість каротиноїдів встановлювали спектрофотометрично (Arnon, 1949); інтенсивність пероксидного окислення ліпідів - за кольоровою реакцією з тіобарбітуровою кислотою по кількості утворення кінцевого продукту окислення - малонового діальдегіду (Heath & Packer, 1968).

Лабораторні дослідження проводили на 8 - 10-денних проростках, які вирощували у піщаній культурі при 70% вологості піску (від повної його вологоємкості, ПВ) при 250С (день) / 220С (ніч), в факторостатних умовах освітлення при 16-годинному фотоперіоді, освітленості на рівні проростків 5 тис. люкс та відносній вологості повітря 65-70%. Водний дефіцит створювали шляхом припинення поливів і доведення вологості піску до 40% ПВ. Температурний стрес моделювали в ультратермостаті при 450С протягом 3-х годин. При дослідженні впливу водного дефіциту грунту рослини вирощувались в умовах постійної посухи (40% ПВ).

Ліпіди екстрагували за методом Зілла та Хармона (Zill, Harmon, 1962) в модифікації Яковенко та Міхно (Яковенко, Михно, 1971). Розділення ліпідів на фракції здійснювали методом тонкошарової хроматографії на силікагелі. Кількісно полярні ліпіди визначали шляхом елюювання плям з хроматограм та їх денситометрією на скануючому денситометрі фірми “Shimadzu”.

Аналіз жирнокислотного складу проводили методом газорідинної хроматографії (Синяк и др., 1976). Кiлькiсть жирних кислот визначали методом внутрiшньої нормалiзацiї (Гольберт, Вигдергауз, 1990). При аналізі каротиноїдів застосовано денситометричний метод визначення каротиноїдів у тонкому шарі на платівках “Silufol” (Мерзляк, 1978).

Біологічна повторність дослідів 3-4-х кратна, аналітична - 9-ти кратна. Результати оброблені статистично з використанням загальноприйнятих методик (Доспехов, 1985).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Біорегулятори росту рослин нового покоління та формування адаптивних реакцій пшениці. При вивченні дії регуляторів росту на вміст фотосинтетично активних пігментів, як найбільш виразних характеристик адаптації фотосинтетичного апарату рослин, встановлено, що обробка регуляторами росту сприяє активізації роботи асиміляційного апарату рослин. Виявлено тенденцію до збільшення вмісту хлорофілів а, b та кількості каротиноїдів при обробці рослин фізіологічно активними речовинами. Зростання вмісту пігментів особливо проявилось у вегетаційний період 1998/1999 рр., який характеризувався впливом підвищених температур та нестачею вологи (табл. 1). Виявлене нами накопичення хлорофілу b в умовах дії підвищених температур може свідчити про зміну якості світлозбираючого комплексу фотосистеми II, що сприяє кращому перенесенню високої температури. Акумуляція каротиноїдів під впливом триману захищає біомембрани від фотоокислення за умов дії підвищених температур.

Таблиця 1

Вплив регуляторів росту на вміст фотосинтетичних пігментів (хлорофілів а, b та каротиноїдів) у флаговому листку озимої пшениці Поліська-90 в 1997-1999 рр., мг/г сухої речовини.

Варіант

досліду |

1997 р. |

1998 р. | 1999 р.

Ф а з а р о з в и т к у

цвітіння | молочно-воскова

стиглість | цвітіння | молочно-воскова

стиглість | цвітіння | молочно-воскова

стиглість

хлорофіл a

| хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів | хлорофіл a

| хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів | хлорофіл a |

хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів | хлорофіл a

| хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів | хлорофіл a

| хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів | хлорофіл a

| хлорофіл b | сума хл-лів a+b | сума каротиноїдів

N120P90K90

(контроль) | 8.98 | 2.94 | 11.92 | 2.71 | 4.92 | 1.13 | 6.05 | 1.56 | 6.72 | 2.54 | 9.26 | 1.95 | 4.90 | 1.92 | 6.82 | 1.51 | 9.08 | 2.73 | 11.80 | 2.50 | 7.62 | 3.11 | 10.70 | 2.47

Контроль+віталін | 9.12 | 2.90 | 12.02 | 2.54 | 5.61 | 1.38 | 6.99 | 1.62 | 8.20 | 2.98 | 11.00 | 2.32 | 6.32 | 2.23 | 8.55 | 2.01 | 12.52 | 4.98 | 17.10 | 2.27 | 7.95 | 4.14 | 12.10 | 2.13

Контроль+протон | 8.57 | 2.73 | 11.30 | 2.49 | 5.33 | 1.23 | 6.56 | 1.57 |

8.80 | 3.10 | 11.90 | 2.53 | 8.65 | 2.95 | 11.60 | 2.51 |

12.32 | 4.96 | 17.30 | 2.36 | 10.62 | 5.44 | 16.10 | 2.42

Контроль+триман | 9.28 | 2.96 | 12.24 | 2.79 | 5.88 | 1.71 | 7.59 | 1.76 | 10.90 | 4.10 | 15.00 | 3.07 | 5.00 | 1.55 | 6.55 | 1.90 |

12.89 | 4.74 | 17.60 | 3.45 | 8.72 | 4.12 | 12.80 | 2.21

НСР0.05 | 0.98 | 0.40 | 1.12 | 0.30 | 0.98 | 0.40 | 1.12 | 0.30 | 1.36 | 0.61 | 1.51 | 0.40 | 1.26 | 0.52 | 1.51 | 0.30 | 1.22 | 0.72 | 1.96 | 0.43 | 1.14 | 1.18 | 2.10 | 0.39

Дослідження інтенсивності пероксидного окислення ліпідів встановило накопичення вмісту малонового діальдегіду в процесі розвитку рослин у 1998 - 1999 рр., що пояснюється посушливими погодними умовами в ці роки (табл. 2).

Таблиця 2

Вплив регуляторів росту на рівень пероксидного окислення ліпідів у флаговому листку озимої пшениці Поліська 90 впродовж 1997-1999 рр.; мкмоль малонового діальдегіду/г сухої речовини. |

Ф а з а р о з в и т к у

Варіант | колосіння | молочно-воскова стиглість

досліду | 1997р. | 1998р. | 1999р. | 1997р. | 1998р. | 1999р.

N120P90K90 (контроль) | 3.88 | 2.90 | 4.72 | 4.01 | 5.30 | 8.04

Контроль+віталін | 3.57 | 3.00 | 5.17 | 4.07 | 5.37 | 4.33

Контроль+протон | 3.82 | 2.75 | 8.03 | 3.92 | 4.85 | 6.19

Контроль+триман | 3.54 | 4.20 | 4.26 | 4.37 | 6.00 | 6.84

НСР0.05 | 0.45 | 0.50 | 0.85 | 0.45 | 1.48 | 0.85

Біорегулятори росту проявили ефективну дію у фазу молочно-воскової стиглості у найбільш несприятливий за погодними умовами 1999-й рік і сприяли зменшенню вмісту малонового діальдегіду в рослинах.

Аналіз впливу біорегуляторів на вміст ліпідного комплексу пшениці виявив зростання вмісту моногалактозилдіацилгліцеролу у варіантах з віталіном та протоном (на 9,6% і 12,0% відповідно) та дигалактозилдіацилгліцеролу у рослин оброблених триманом на 18,8% протягом цвітіння (рис. 1).

Рис. 1. Вплив фізіологічно активних речовин на вміст ліпідів у флаговому листку озимої пшениці сорту Поліська 90. МГДГ – моногалактозилдіацилгліцерол; ДГДГ – дигалактозилдіацилгліцерол; СТ – стерини, ДАГ – діацилгліцерол.

У фазу молочно-воскової стиглості встановлено тенденцію до зменшення кількості дигалактозилдіацилгліцеролу під дією регуляторів росту. Виявлено збільшення вмісту стеринів у фазу цвітіння при застосуванні віталіну і протону на 28-29% та у фазу молочно-воскової стиглості під впливом триману на 51%. Крім того, відбувалось зменшення кількості діацилгліцеролу при обробці рослин віталіном у фазу цвітіння.

Виявлені нами збільшення вмісту моногалактозилдіацилгліцеролу, стеринів, стабільність фракції малонового діальдегіду та зменшення вмісту діацилгліцеролу під впливом віталіну у фазу цвітіння, можна розглядати як адаптивну реакцію, пов`язану зі збереженням плинності та зменшенням рівня деградаційних процесів в мембранах, зокрема, та їх стабілізацією, спрямовану на захист від зневоднення в умовах дії посухи.

Наведені результати досліджень свідчать про те, що формування адаптивних властивостей пшениці за умов факторів посухи під впливом біорегуляторів зумовлено змінами компонентів ліпід-пігментного комплексу. Обробка регуляторами росту сприяє активізації роботи асиміляційного апарату рослин. Збільшення пулу каротиноїдів запобігає активізації пероксидних процесів в мембранах та захищає їх від фотоокислення за умов дії посухи.

Ліпідний склад листків і хлоропластів озимої пшениці за умов недостатньої водозабезпеченості та високої температури. Результати досліджень свідчать, що реакція рослин на водний дефіцит у різних за рівнем стійкості до посухи сортів озимої пшениці виявляється в змінах ліпідного складу мембран проростків (рис. 2).

Рис. 2. Ліпідний склад фотосинтетичних тканин під впливом водного дефіциту у різних за рівнем стійкості до посухи сортів пшениці (Білоцерківська 47 - чутливий; Альбатрос одеський - стійкий). СЛ - сульфоліпід; ФГ – фосфатидилгліцерол; ФХ – фосфатидилхолін. Решта позначень такі самі, як і на рис. 1.

Вирощування рослин в умовах водного дефіциту грунту викликало зменшення кількості галактоліпідів як у проростках стійкого, так і в рослинах чутливого до зневоднення сортів. У рослин сорту Білоцерківська 47 зменшувалась кількість як моно-, так і дигалактозилдіацилгліцеролу, а у рослин сорту Альбатрос одеський встановлено зниження вмісту лише моногалактозилдіацилгліцеролу.

Як відомо, фактори посухи безпосередньо впливають на фотосинтетичний апарат рослинних організмів (Shreiber, Berry, 1977; Shreiber, Armond, 1978; Berry & Bjorkman, 1980). В наших дослідах, дія високої температури індукувала зміни у складі гліколіпідів тилакоїдів пшениці, які характеризувались, насамперед, зменшенням вмісту моногалактозилдіацилгліцеролу у рослин обох сортів (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Вплив високої температури на вміст гліколіпідів тилакоїдів хлоропластів у різних за рівнем стійкості до посухи сортів озимої пшениці (1, 2 - Одеська 51; 3, 4 - Миронівська 808; 1, 3 - контроль; 2, 4 - дослід; у відсотках до загального вмісту гліколіпідів).

СХДГ - сульфохіновозилдіацилгліцерол. Решта позначень такі самі, як і на рис. 1.

Виявлено зростання кількості сульфохіновозилдіацилгліцеролу з 19% до 25% від загального вмісту гліколіпідів в тилакоїдах рослин стійкого сорту; у рослин чутливого сорту кількість цієї речовини знижувалась з 19 до 16%. Щодо вмісту дигалактозилдіацилгліцеролу, спостерігали незмінність його в тилакоїдах сорту Одеська 51 та збільшення кількості з 30 до 35% в тилакоїдах сорту Миронівська 808.

Відомо, що молекули моногалактозилдіацилгліцеролу, на відміну від більшості ліпідів мембран, здатні утворювати небішарові структури, які можуть пакувати хлорофіл-білковий комплекс у ліпідний матрикс (Quinn, Williams, 1985). Комплексна дія факторів посухи (як водного дефіциту, так і підвищеної температури) зумовлює зсув рівноваги між бішаровими /небішаровими ліпідними структурами (Gounaris, 1983). Виявлене нами підвищення відношення дигалактозилдіацилгліцерол /моногалактозилдіацилгліцерол в тилакоїдах чутливого до температурного стресу сорту Миронівська 808 (рис. 3.2) може свідчити про перебудови їх мембранних структур, в результаті ймовірної деструкції моногалактозилдіацилгліцеролу. Це знижує стійкість хлорофіл-білкових комплексів до дії температурного стресу. Характерно, що відношення дигалактозилдіацилгліцерол /моногалактозилдіацилгліцерол залишалось незмінним у мембранах тилакоїдів рослин сорту Одеська 51.

Рис. 3.2. Вплив високої температури на співвідношення гліцероліпідів тилакоїдів у різних за рівнем стійкості до посухи сортів озимої пшениці (1, 2 - Одеська 51; 3, 4 - Миронівська 808; 1, 3 - контроль; 2, 4 - дослід).

ГЛ – галактоліпіди. Решта позначень такі самі, як і на рис. 1, 2.

Отже, виявлені зміни у ліпідному складі фотосинтетичних тканин, загалом, та мембран тилакоїдів, зокрема, є важливою ланкою в формуванні адаптивних реакцій до дії водного дефіциту грунту та високої температури. Реалізація їх, в свою чергу, залежить від рівня напруженості стресового фактору, генетично детермінованого рівня стійкості сорту та здійснюється шляхом стабілізації мембран. Утримання рівноваги між бішаровими та небішаровими структурами забезпечує збалансоване ліпідне оточення електронтранспортних білків, реакційних центрів фотосистем і спрямоване на підтримання загального гомеостазу мембран тилакоїдів для виконання їх фотосинтетичних функцій у стресових умовах.

Жирнокислотний склад гліколіпідів хлоропластів в процесі адаптації до посухи різних за рівнем стійкості сортів пшениці. Аналіз складу жирних кислот мембран хлоропластів показав підвищення вмісту ліпідів з насиченими жирнокислотними залишками (С16:0 та С18:0) та зниження вмісту ліноленового (С18:3) залишку у фракції моногалактозилдіацилгліцеролу при вирощуванні рослин в умовах недостатнього водозабезпечення. Кількість насичених жирних кислот - пальмітинової (С16:0) та стеаринової (С18:0) - зростала як в хлоропластах чутливого до посухи сорту Миронівська 808, так і в хлоропластах стійкого сорту Альбатрос одеський (табл. 3).

Таблиця 3

Жирнокислотний склад моно-, дигалактозилдіацилгліцеролу і сульфоліпідів хлоропластів при дії водного дефіциту грунту у різних за рівнем стійкості до посухи сортів пшениці.

Варіант досліду | Вміст жирних кислот фракції моногалактозилдіацилгліцеролу,

% від суми | насичені жирні кислоти, | ненасичені жирні кислоти, | ненасиче-ні/насичені жирні

16:0 | 16:1 | 18:0 | 18:1 | 18:2 | 18:3 | % від суми | % від суми | кислоти

Миронів-ська 808 (контроль) |

17.2 |

2.6 |

2.7 |

2.7 |

3.3 |

71.5 |

19.9 |

80.1 |

4.0

Миронів-ська 808 (дослід) |

29.9 |

4.3 |

3.6 |

1.4 |

6.7 |

54.1 |

33.4 |

66.6 |

2.0

HCP 0.05 | 2.1 | 0.3 | 0.2 | 0.7 | 3.3 | 3.7 | 1.4 | 1.7 | 0.6

Альбатрос одеський

(контроль) |

19.0 |

4.8 |

2.7 |

2.2 |

2.6 |

68.7 |

21.7 |

78.3 |

3.6

Альбатрос одеський

(дослід) |

27.6 |

4.7 |

4.0 |

2.3 |

2.8 |

58.6 |

31.8 |

68.2 |

2.2

HCP 0.05 | 3.1 | 0.5 | 0.3 | 0.3 | 0.2 | 3.0 | 1.8 | 1.8 | 0.5

Варіант досліду | Вміст жирних кислот фракції дигалактозилдіацилгліцеролу,

% від суми | насичені жирні кислоти, | ненасичені жирні кислоти, | ненасиче-ні/насичені жирні

16:0 | 16:1 | 18:0 | 18:1 | 18:2 | 18:3 | % від суми | % від суми | кислоти

Миронів-ська 808 (контроль) |

36.6 |

7.8 |

2.3 |

3.0 |

3.8 |

46.5 |

38.9 |

61.1 |

1.6

Миронів-ська 808 (дослід) |

63.3 |

9.0 |

5.2 |

4.6 |

1.7 |

16.2 |

68.5 |

31.5 |

0.5

HCP 0.05 | 3.2 | 0.8 | 0.7 | 1.3 | 0.5 | 2.6 | 3.5 | 0.8 | 0.6

Альбатрос одеський

(контроль) |

56.1 |

13.0 |

9.4 |

7.4 |

- |

14.1 |

65.6 |

34.4 |

0.5

Альбатрос одеський

(дослід) |

47.0 |

9.6 |

4.8 |

6.0 |

3.9 |

28.7 |

51.8 |

48.2 |

0.9

HCP 0.05 | 5.1 | 0.3 | 2.2 | 1.1 | - | 1.6 | 1.3 | 1.1 | 0.1

Продовження табл.3

Варіант досліду | Вміст жирних кислот фракції сульфоліпідів,

% від суми | насичені жирні кислоти, | ненасичені жирні кислоти, | ненасиче-ні/насичені жирні

16:0 | 16:1 | 18:0 | 18:1 | 18:2 | 18:3 | % від суми | % від суми | кислоти

Миронів-ська 808 (контроль) |

52.6 |

14.0 |

2.0 |

3.0 |

12.6 |

15.8 |

54.4 |

45.6 |

0.8

Миронів-ська 808 (дослід) |

85.0 |

3.9 |

4.7 |

2.2 |

1.2 |

3.0 |

89.7 |

10.3 |

0.1

HCP 0.05 | 2.3 | 1.4 | 0.5 | 0.4 | 1.6 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 0.1

Альбатрос одеський

(контроль) |

70.7 |

8.3 |

5.4 |

4.6 |

4.2 |

6.8 |

76.1 |

23.9 |

0.3

Альбатрос одеський

(дослід) |

62.8 |

4.3 |

10.4 |

6.3 |

7.3 |

8.9 |

72.9 |

27.1 |

0.4

HCP 0.05 | 6.5 | 1.5 | 3.2 | 2.1 | 1.6 | 2.8 | 3.0 | 3.0 | 0.1

Інтенсивність цих змін була більш виражена у рослин нестійкого сорту. Це зумовило зменшення відношення ненасичені /насичені жирні кислоти в хлоропластах обох сортів, причому в хлоропластах сорту Миронівська 808 цей показник зменшувався вдвічі.

В умовах посухи у фракціях дигалактозилдіацилгліцеролу і сульфоліпідів встановлено зростання кількості ненасичених жирних кислот у рослин стійкого та їх зменшення у рослин чутливого сортів.

Підвищення рівня ненасиченості та співвідношення ненасичені /насичені жирні кислоти в хлоропластах сорту Альбатрос одеський забезпечує плинність мембран та зменшує можливість щільної упаковки жирнокислотних ланцюгів у мембрані і є адаптивною реакцією рослин на дію посухи.

Зміни пов`язані з жирнокислотним складом ліпідів вплинули на рівень їх пероксидного окислення. Так, рівень пероксидного окислення ліпідів в хлоропластах чутливого до посухи сорту зріс із 1,25 до 1,68 нмоль малонового діальдегіду/суму хлорофілів, тоді як в хлоропластах стійкого сорту спостерігалась стабільність його фракції. Зменшення рівня ненасиченості жирних кислот у рослин сорту Миронівська 808 супроводжується зростанням рівня їх пероксидного окислення. Акумуляція малонового діальдегіду пов`язана зі зменшенням вмісту полієнненасичених жирних кислот в мембранах хлоропластів нестійкого сорту.

Таким чином, в хлоропластах чутливого до посухи сорту Миронівська 808 відбувається інтенсифікація пероксидних процесів, що зумовлює зменшення рівня ненасиченості жирних кислот. Прискорення процесів вільнорадикального окислення в хлоропластах стійкого до посухи сорту Альбатрос одеський не встановлено. Навпаки, на фоні стабільної фракції малонового діальдегіду виявлено зростання рівня ненасиченості жирних кислот, що, на нашу думку, є адаптивною реакцією рослин.

Вплив посухи на пул каротиноїдів в хлоропластах озимої пшениці. Крім ліпідної складової, регуляторну функцію в мембранах виконують каротиноїди. Як компоненти ендогенної регуляторної системи хлоропластів, каротиноїди запобігають фотодеструкції хлорофілу, стабілізують структуру світлозбираючих комплексів та забезпечують нормальне функціонування хлоропластів за змінених умов навколишнього середовища (Gruszecki, Stralka, 1991).

Вирощування проростків в умовах постійного дефіциту води в грунті викликало зменшення вмісту -каротину на 17,5% у рослин чутливого сорту та зростання його кількості на 15,5% у рослин стійкого. Вивчення пулу пігментів ксантофілового циклу, показало зниження кількості віола- та зеаксантину у рослин сорту Миронівська 808 (на 62,5 і 48,2% відповідно). Пул цих пігментів в хлоропластах сорту Альбатрос одеський залишався досить стабільним (рис. 4).

Рис. 4. Вплив недостат-нього водозабезпечення на пул каротиноїдів хлоропластів різних за рівнем стійкості до посухи сортів озимої пшениці (1, 2- Миронівська 808; 3, 4 - Альбатрос одеський; 1, 3 - контроль; 2, 4 - дослід).

Зменшення загального пулу пігментів ксантофілового циклу у рослин чутливого до посухи сорту Миронівська 808 в умовах постійного низького водозабезпечення, на нашу думку, пов`язане з порушенням його функціонування. Зниження вмісту віолаксантину в проростках цього сорту, послаблює екрануючу функцію пігмента та збільшує ймовірність ушкоджень антенного комплексу фотосистеми II (Siefermann-Harms, 1987). Стабільність вмісту зеаксантину та акумуляція -каротину надає можливості захисту мембран хлоропластів у рослин сорту Альбатрос, на відміну від рослин сорту Миронівська 808.

Дослідження взаємозалежності ліпідного складу та вмісту каротиноїдів встановило, що зниження кількості моногалактозилдіацилгліцеролу супроводжується стабільним вмістом зеаксантину в рослинах стійкого сорту та його зниженням в рослинах чутливого. Це викликає зростання відношення моногалактозилдіацилгліцерол /зеаксантин в рослинах сорту Миронівська 808 за умов дії водного дефіциту грунту (рис. 5).

Рис.5. Вплив водного дефіциту грунту на співвідношення ліпіди /каротиноїди у різних за рівнем стійкості сортів озимої пшениці.

Позначення такі самі, як і на рис. 1.

Акумуляція -каротину, частина якого асоційована з реакційними центрами фотосистем (Siefermann-Harms, 1985), сприяє їх захисту від вільнорадикального ушкодження у рослин стійкого до посухи сорту. -каротин також зменшує ймовірність утворення проміжного продукту деградації ліпідів - діацилгліцеролу, що підтверджується зниженням співвідношення діацилгліцерол /-каротин у рослин стійкого сорту.

Таким чином, розглядаючи виявлені зміни у вмісті ліпідів, каротиноїдів та їх співвідношеннях, жирнокислотному складі і рівні пероксидного окислення за умов дії факторів посухи, можна стверджувати, що основною спрямованістю цих змін у рослин стійкого сорту є зростання вмісту ненасичених жирних кислот у фракціях дигалактозилдіацилгліцеролу і сульфоліпідів, стабільність рівня пероксидного окислення ліпідів та акумуляція -каротину. У рослин чутливого до посухи сорту відбувається зниження кількості -каротину, що на нашу думку, створює умови для активізації окислювальних процесів та зростання рівня пероксидного окислення ліпідів.

ВИСНОВКИ

1. Адаптивні реакції рослин спрямовані на захист фотосинтетичного апарату від деструктивного впливу посухи проявляються у трансформації складу ліпідів, рівня насиченості їх жирнокислотних залишків, процесів пероксидного окислення та вмісту каротиноїдів.

2. Зміни загального вмісту гліколіпідів тилакоїдів хлоропластів посухостійкого сорту Одеська 51 - зменшення моногалактозилдіацилгліцеролу, акумуляція сульфохіновозилдіацилгліцеролу (на 5 і 6% відповідно) та незмінність фракції дигалактозилдіацилгліцеролу - здатні компенсувати викликані температурним стресом пошкодження мембран і спрямовані на підтримку їх стабільності.

3. Водний дефіцит грунту викликає зменшення рівня ненасиченості жирних кислот гліколіпідів хлоропластів чутливого до зневоднення сорту, що супроводжується зростанням пероксидного окислення ліпідів, тоді як збільшення вмісту ненасичених жирних кислот у фракціях дигалактозилдіацилгліцеролу та сульфоліпідів хлоропластів стійкого сорту супроводжується стабільним вмістом малонового діальдегіду.

4. Водний дефіцит грунту викликає зростання вмісту -каротину (на 16% в порівнянні з контролем) при стабільності пулу пігментів ксантофілового циклу у рослин стійкого сорту та зменшення кількості -каротину, віола- та зеаксантину у рослин чутливого сорту (на 18, 63 і 48% відповідно).

5. Зростання відношення моногалактозилдіацилгліцерол /зеаксантин (55 при дії посухи проти 36 в контролі) у рослин чутливого сорту та зменшення відношення діацилгліцерол /-каротин (10 та 13 відповідно) у рослин стійкого в умовах недостатнього водозабезпечення є показниками можливості сорту адаптуватися до посухи.

6.

7. Визначені параметри ліпід-пігментного комплексу мембран - вміст -каротину, галактоліпідів, рівень пероксидного окислення ліпідів - дозволяють проводити скринінг фізіологічно активних речовин на антистресову активність до посухи.

Список робіт опублікованих за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

АНОТАЦІЯ

Свєтлова Н.Б. Ліпід-пігментний комплекс та екзогенні біорегулятори у формуванні адаптивних реакцій пшениці до посухи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 - фізіологія рослин. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2001.

Проаналізовано взаємозв`язки між якісним та кількісним вмістом каротиноїдів, ліпідів та інтенсивністю процесів їх пероксидного окислення в листках і хлоропластах різних за рівнем стійкості до посухи сортів озимої пшениці. Встановлено зменшення кількості -каротину і пігментів ксантофілового циклу (віола- та зеаксантину), рівня ненасиченості жирних кислот гліколіпідів, активацію процесів пероксидного окислення ліпідів в хлоропластах чутливого до посухи сорту при вирощуванні рослин в умовах недостатнього водозабезпечення. Підвищення вмісту ненасичених жирнокислотних залишків у фракціях дигалактозилдіацилгліцеролу і сульфоліпідів хлоропластів стійкого сорту супроводжується стабільним вмістом малонового діальдегіду, пігментів ксантофілового циклу і акумуляцією -каротину при вирощуванні рослин в умовах водного дефіциту грунту. Встановлено, що відношення моногалактозилдіацилгліцерол /зеаксантин і діацилгліцерол /-каротин є показниками адаптивної здатності сорту до посухи.

Показана антистресова дія нових біорегуляторів - віталіну, протону та триману - в умовах високотемпературного та водного стресів. Виявлено, що модифікуюча дія цих біорегуляторів проявлялась у зростанні пулу фотосинтетичних пігментів - хлорофілів (переважно хлорофілу b) і -каротину. Визначені параметри ліпід-пігментного комплексу мембран - вміст -каротину, галактоліпідів, зменшення пероксидного окислення ліпідів - дозволяють проводити скринінг біорегуляторів на антистресову активність до посухи.

Ключові слова: Triticum aestivum, посуха, адаптація, хлоропласти, ліпіди, каротиноїди, жирні кислоти, біорегулятори.

АННОТАЦИЯ

Светлова Н.Б. Липид-пигментный комплекс и экзогенные биорегуляторы в формировании адаптивных реакций пшеницы к засухе.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.12 - физиология растений. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2001.

Проанализирована взаимосвязь между качественным и количественным содержанием липидов, каротиноидов и интенсивностью процессов их пероксидного окисления в листьях и хлоропластах разных по уровню устойчивости к засухе сортов озимой пшеницы. Выявлено уменьшение содержания -каротина и пигментов ксантофилового цикла (виола- и зеаксантина), уровня ненасыщенности жирных кислот гликолипидов, активацию процессов пероксидного окисления липидов в хлоропластах неустойчивого сорта при выращивании растений в условиях недостаточного водообеспечения. Увеличение количества ненасыщенных жирнокислотных остатков фракций дигактозилдиацилглицерола и сульфолипидов в хлоропластах засухоустойчивого сорта сопровождается стабильным содержанием малонового диальдегида, пигментов ксантофилового цикла и аккумуляцией -каротина при выращивании растений в условиях водного дефицита почвы. Установлено, что отношение моногалактозилдиацилглицерол /зеаксантин и диацилглицерол /-каротин - показатели возможности сорта адаптироваться к засухе.

Показано антистрессовое действие новых биорегуляторов - виталина, протона и тримана - в условиях высокотемпературного и водного стрессов. Использование регуляторов роста активизировало работу ассимиляционного аппарата растений и проявлялось в увеличении пула фотосинтетических пигментов - хлорофиллов (преимущественно хлорофилла b) и -каротина. Установленные параметры липид-пигментного комплекса мембран - содержание -каротина, галактолипидов, уменьшение пероксидного окисления липидов - позволяют проводить скрининг биорегуляторов на антистрессовую активность к засухе.

Ключевые слова: Triticum aestivum, засуха, адаптация, хлоропласты, липиды, каротиноиды, жирные кислоты, биорегуляторы.

ANNOTATION

Svyetlova N.B. The Lipid-Pigment Complex and Exogenous Bioregulator Application in the