Рис. 12. Распределение по уровню ФКТ сухих семян гороха через неделю после облучения в разных дозах. Римскими цифрами I и II обозначены номера фракций.
Изменение среднего уровня ФКТ определялось изменением фракционного состава партии (рис. 12). До облучения семян гороха их распределение по уровню ФКТ было унимодальным с максимумом при 40 отн. ед. (фракция I) и небольшим плечом при 60 отн. ед. (кривая К). Увеличение среднего уровня ФКТ после облучения в дозах 190 мГр и 3 Гр вызвано тем, что в распределении семян по уровню ФКТ количество семян фракции I уменьшилось и увеличилось число семян во фракции II (ФКТ 60 отн. ед., кривые 190 мГр и 3 Гр). Увеличение количества живых, но невсхожих семян (фракции II) означало, что в эту фракцию перешли семена из фракции I. После облучения в дозах 7 и 10 Гр распределения семян по уровню ФКТ мало отличались от контрольного. Часть семян из фракции II (невсхожих) перешла во фракцию I (всхожих). Мы назвали такие семена «улучшенными», поскольку они имели такую же всхожесть, как и необлученные семена фракции I. Поэтому и всхожесть семян, облученных в дозе 7 и 10 Гр стала близка исходной.
Таким образом, как и средний уровень ФКТ, анализ распределения сухих семян по уровню ФКТ позволяет прогнозировать изменения всхожести в зависимости от дозы облучения.
III.2.2. Изменение всхожести семян гороха после теплового воздействия и ФКТ воздушно-сухих семян. С увеличением продолжительности тепловой обработки (40ОС, 85% относительная влажность воздуха) всхожесть семян изменялась сложным образом (рис. 13, кривая 1). После индукционной фазы всхожесть снижалась, затем возрастала выше исходного уровня, и, наконец, необратимо падала. Эти изменения не связаны с изменением числа живых семян (число мертвых семян не меняется (кривая 2). Еще до проращивания изменения всхожести
Рис. 13. Всхожесть семян гороха (1), доля мертвых (2) и средний уровень ФКТ (3) сухих семян через неделю после тепловой обработки
можно было предвидеть, регистрируя средний уровень ФКТ сухих семян (кривая 3). Изменения последнего в зави-симости от времени воздействия являлось зеркальным отражением кривой всхожести.
Изменение среднего уровня ФКТ было обуслов-лено варьированием фрак-циионного состава сухих семян. У исходных семян (всхожесть 82%) распреде-ление по уровню ФКТ близко к нормальному с небольшим плечом справа (рис. 14, кривая 0). Оно практически не менялось в течение первых четырех суток тепловой обработки. После 5-7 суток обработки появлялся новый макси-мум II (кривая 5). Это предполагает уменьшение всхожести. Распределение вновь становилось унимо-дальным после 8-9 суток теплового воздействия. Доля семян во фракции I увеличивалась (кривая 9) за счет семян перешедших из фракции II (невсхожих). Это привело к возра-станию всхожести.
Рис. 14. Распределение воздушно-сухих семян гороха через неделю после 0 дней, 5 дней (1), 9, 14 и 16 дней тепловой обработки (40оС, 80%) по уровню ФКТ. I, II и III - номера фракций.
После 12-14 дней тепловой обработки в распределении были представлены уже три максимума (кривая 14). Третий максимум свидетельствует о появлении мертвых семян. К 16-м суткам теплового воздействия в ФКТ-распределении оставался, в основном, максимум III, т.е. большинство семян погибло. Иными словами, изменение всхожести семян под влиянием теплового воздействия можно предсказать, анализируя фракционный состав партии воздушно-сухих семян ФКТ-методом.
При исследовании выхода электролитов в дистиллированную воду из отдельных семян, подвергнутых тепловой обработке, тоже было показано наличие фракций в партии семян гороха [Веселова и др., 1999а]. Из хороших семян фракции I выход электролитов был минимальным, При переходе семян во фракцию II выход электролитов возрастал вдвое. Переход семян из фракции II (невсхожих) во фракцию I («улучшенных») выход электролитов становился таким же, как и у необлученных семян. При переходе семян во фракцию III (отмирании) выход электролитов был в 5-5 раз выше, чем у необлученных семян, свидетельствуя о нарушении целостности клеточных мембран.
Переходы семян из одной фракции в другую, зарегистрированные по ФКТ, и выходу электролитов, имели скачкообразный характер. Например, после 4-х суток тепловой обработки большая часть семян находилась во фракции I, но уже через сутки значительная часть семян оказывалась во фракции II. Если после 7 суток экспонирования при повышенной температуре доля семян во фракции II была велика, то после 8-х суток большая часть семян вновь оказывалась вo фракции I.
Т.о. снижение и возрастание всхожести семян как при нарастании дозы ?-облучения, так и в случае теплового воздействия, обусловлены изменением фракционного состава воздушно-сухих семян (числа семян во фракциях I и II).
III.2.3. Примеры изменения ФКТ распределений воздушно-сухих семян, подвергнутых действии разных факторов. На рис. 15 показаны распределения семян до (кривые 1) и после (кривые 2) стимулирующего воздействия. Стимулирующие всхожесть дозы были подобраны экспериментально (см. методический раздел). По характеру распределения можно еще до проращивания оценить результат воздействия.
Через 3 дня после светоимпульсной обработки семян овса вид распределения по уровню ФКТ изменялся (рис. 14, а). Доля семян во фракции II уменьшилась, и возросло число семян во фракции I. До обработки всхожесть партии составляла 69%, а после нее возросла до 83% за счет уменьшения числа ненормальных проростков.
|
Фосфоресценция при комнатной температуре, отн. ед. |
Рис. 15. Распределения семян по уровню ФКТ до (1) и после (2) а) светоимпульсной обработки семян овса (0,5 с, 50 МВт), б) обработки электрическим полем коронного разряда семян пшеницы (0,5 с, 2кВт/см2), в) озвучивания семян ячменя (200 гц, 5 мин, 65 дБ), импульсного облучения гелий-неоновым лазером семян огурцов (632,5 нм, 0,3 мВт/см2, 100 имп. по 50 мкДж/см2).
Через три дня после воздействия на семена пшеницы электрического поля коронного разряда происходило аналогичное изменение распределения семян по уровню ФКТ. Уменьшалась доля семян фракции II и увеличивалась доля семян во фракции I (рис. 14, б). Всхожесть возросла от 47 до 88%.
Озвучивание семян ячменя с частотой 200 Гц увеличивало всхожесть семян от 67 до 85%. При этом доля семян с низким уровнем ФКТ возрастала, и уменьшалось число семян с более высоким уровнем ФКТ (рис. 14, в).
После импульсного облучения семян огурцов гелий-неоновым лазером необходима была двухдневная “отлежка”, после которой можно было наблюдать переход некоторой части семян с высоким уровнем ФКТ во фракцию с более низким свечением (рис. 14, г). Всхожесть семян огурцов возрастала от 82 до 91%.
Иными словами, предпосевная обработка сухих семян различными по природе факторами в стимулирующих их всхожесть дозах всегда сопровождается неспецифическим увеличением доли семян во фракции I.
III.2.4. Стимулирующий эффект зависит от качества семян и уровня воздействия. В опытах использовали семена гороха различной всхожести (98, 82, 80, 72, 56, 54, 50 и 48%). С увеличением длительности теплового воздействия (40ОС, 85% относительная влажность воздуха) всхожесть сначала снижалась, а затем возрастала (стимуляция). Причем эти изменения были сильнее выражены у семян с низкой всхожестью. У семян с 56%-ной всхожестью она сначала снижалась до 18-20%, и затем возрастала до 64%. У семян высокого качества (всхожесть 98%) термическое воздействие таких изменений всхожести не вызывало.
Анализ фракционного состава партии семян по ФКТ показал, что стимуляция была выше в партии, в которой было больше семян фракции II.
У семян гороха 16%-ной влажности при 40ОС эффект хорошо воспроизводился. Если такой же тепловой обработке подвергали семена с влажностью 20%, что увеличивает их термочувствительность, то стимулирующий эффект отсутствовал, а наблюдали только однонаправленное снижение всхожести. Когда вместо увеличения влажности семян, использовали прогрев при 45ОС (увеличивали силу воздействия), то стимулирующий эффект тоже пропадал.
Эти наблюдения подтверждают выводы других авторов о роли состояния объекта и мощности действующего фактора для проявления стимулирующих эффектов при воздействиях, имеющих разную природу [Преображенская, 1971; Александров, 1985; Кузин 1995].
На основании вышеприведенных данных мы пришли к выводу, что разнообразные факторы вызывают у воздушно-сухих семян однотипные изменения фракционного состава партии. С увеличением дозы воздействия возрастает доля семян фракции II и всхожесть снижается. В области доз, стимулирующих всхожесть, число семян фракции II уменьшается, и они переходят во фракцию I. Дальнейшее возрастание дозы воздействия приводит к появлению семян фракции III - мертвых. Эта закономерность подсказывает, что для исследования механизмов стимуляции всхожести семян, необходимо, знать как минимум фракционный состав партии, или лучше использовать отдельные фракции.
III.2.5. Свойства разных фракций на примере семян гороха. Для исследования из партии необлученных отобрали семена фракции I (уровень ФКТ 20-30 отн. ед.). Из партии, облученных в дозе 3 Гр отобрали семена фракции II (50-60 отн. ед.) и мертвые семена фракции III (80-100 отн. ед.). Кроме того были использовали «улучшенные» семена (20-30 отн. ед.) из партий семян, облученных в дозе 10 Гр. Эти семена, судя по уровню ФКТ, «возвратились» из фракции II во фракцию I. Из таких семян тоже вырастали нормальные проростки.
Прежде всего, мы хотели найти отличия у семян, из которых вырастают нормальные и ненормальные проростки, а также выяснить, на каком этапе прорастания семян фракции II у проростков возникают морфологические дефекты.
Семена разных фракций при одной и той же относительной влажности воздуха содержат разное количество воды. Как следует из измерения ФКТ, сухие семена фракций II и III менее гидратированы. Определение влажности стандартным весовым методом показало, что семена гороха из фракции I (исходных и «улучшенных») содержали 9,81 и 9,84 % воды, соответственно, а из фракции II - 8,9 %, а фракции III - 8,2 %. Это может быть обусловлено как разной водоудерживающей способностью биополимеров семян, так и разной проницаемостью мембран клеток для воды.
Сухие семена из разных фракций не только удерживали разное количество воды, но и с разной скоростью поглощали ее при набухании (рис. 16). Семена второй фракции вдвое быстрее поглощали воду при набухании, чем семена фракции I и «улучшенные». Семена третьей фракции поглощают воду активнее, чем семена фракции II. Семенная оболочка является главным барьером на пути воды в семя. Как мы показали ранее, семенная оболочка одинаково тормозила поступление воды в семена фракций I и II, т.е. не оболочка была причиной более быстрого поступления воды в семена фракции II по сравнению с семенами фракции I.
Рис. 16. Кинетика набухания семян разных фракций (I-III) на влажной фильтровальной бумаге и семян фракций I, II и «улучшенных» в присутствии ПХМБ.
Семена гороха разных фракций отличались не только по влажности и скорости поступления воды в них при набухании, но и по выходу электролитов в это время. Скорость выхода электролитов из семян фракции II вдвое, а из фракции III в 3-5 раз выше, чем из семян фракции I и «улучшенных» семян [Веселова и др., 1999].
Рис. 17. Зависимости скорости поглощения
кислорода набухавшими 20 ч семенами гороха I, II и III фракций в оболочке и без нее (I', II') от концентрации кислорода в камере
III.2.6. Взаимосвязь между скоростью набухания и возникновением дефицита кислорода у семян гороха. Появление в семенах при набухании свободной воды активирует поглощение кислорода. При влажности 30-35% скорость поглощения кислорода выходит на стационарный уровень. Когда при влажности семян гороха 45% заканчивается митохондриогенез [Obroucheva, 1999], скорость поглощения кислорода вновь резко возрастает. Сродство дыхания к кислороду увеличивается. На рис. 17 показаны зависимости скорости поглощения кислорода семенами от его концентрации в среде. После 20 ч набухания семена I имели влажность 43%, а II фракции - 50%, т.е. у семян фракции II уже включилось цитохромное дыхание (рис. 17).
Регистрация поглощения кислорода семенами в оболочке и без нее показала, что оболочка семян фракции I тормозила поглощение кислорода в 2,1 раза (в оболочке 15 мкМ, а без оболочки - 32 мкМ О2/(мин семя), а семенами фракции II в 2,6 раза (29 и е 76 мкМ О2/(мин.семя), соответственно. Очевидно, более высокая скорость поглощения зародышем кислорода в процессе дыхания и медленная диффузия последнего через оболочку была причиной дефицита кислорода у зародыша семян фракции II.
Из-за разной скорости набухания семян после 20 ч набухания семена сформировались две на группы (рис. 18, а) в соответствии с фракциями I и II, выбранными по ФКТ. Из семян фракции I (максимум в распределении по влажности на 44% (кривая 1)) вырастали нормальные проростки. Максимум в распределении семян фракции II приходился на влажность 50%. Некоторые семена этой фракции не прорастали (кривая 3), а из других вырастали ненормальные проростки (кривая 2).
Как показано на рисунке 18,б, семена фракции I или не светились, или имели низкий уровень фосфоресценции порфиринов (кривая 1). Семена фракции II с уровнем фосфоресценции порфиринов 20-40 отн. ед. (соответствует концентрации кислорода под оболочкой 10-12 мкМ, рис. 6), обычно проклевывались, но из них вырастали ненормальные проростки (кривая 2).