Прорастание семян и начальные этапы онтогенеза Tripogon chinensis (Poaceae)
И.Н. Пляскина, Е.А. Бондаревич
Читинская государственная медицинская академия, Чита
В статье представлены результаты исследований механизмов адаптации Tripogon chinensis к условиям среды. Это реликтовый злак, имеющий особенные условия произрастания - петрофитные участки склонов, где он оказывается под действием экстремальных факторов среды (колебания температуры, недостаточное увлажнение, инсоляция и т.д.). Численность популяции этого злака поддерживается путем семенного размножения. В подобных условиях для прорастания и дальнейшего роста злаку необходимо эффективно использовать имеющуюся влагу и запасные вещества семени. Опыты по проращиванию семян в условиях различной влагообеспеченности субстрата показали способность семян Т. chinensis прорастать в широком диапазоне влажности. Избыточное увлажнение негативно сказалось на процессах прорастания и роста злака. Особую роль имеют белки, в частности запасные, которые являются источником аминокислот, используемых для синтеза необходимых проростку белков, в биоэнергетических процессах и других метаболических путях. В результате определения фракционного состава запасных белков семян Т. chinensis установлено высокое содержание альбуминов и глобулинов (45 % от общей массы запасных белков), которые обеспечивают образование осмолитов в условиях недостатка влаги. Исследования показали, что семена Т. chinensis при прорастании активно используют проламиновую фракцию (ее концентрация при прорастании уменьшается в 4 раза). Значительное содержание проламиновой фракции в сухих семенах (37 %) и ее динамика при прорастании поддерживают гипотезу об адаптивной роли проламинов, поскольку они содержат важные для проростка аминокислоты (например, пролин). Таким образом, морфологические, физиологические и биохимические особенности исследуемого злака характеризуют его как вид, имеющий ксероморфную природу, сформировавшуюся под действием комплекса факторов среды Восточного Забайкалья. Семена Т. сhinensis при этом имеют ряд адаптаций, позволяющих им сохраняться в почве и прорастать при наступлении оптимальных условий.
Ключевые слова: адаптация, прорастание семян, осмотический стресс семян, запасные белки, Tripogon скгпетчз.
семена прорастание влагообеспеченность белок
Seed Germination and Initial Stages of Tripogon chinensis (Poaceae) Ontogenesis
Irina N. Plyaskina and Evgenii A. Bondarevich
Chita State Medical Academy., Chita,
This paper presents the results of research of Tripogon chinensis adaptation mechanisms to the environmental conditions. This relict cereal grows on petrophytic parts of the slopes, where it is affected by extreme environmental factors (temperature variations, lack of water, insolation, etc.). This cereal reproduces by seeds. Under such growth conditions, to be able to germinate and continue growing, the plant must effectively use the available moisture and the seed storage compounds. Experiments with seeds germinated under different moisture conditions showed the ability of T. chinensis seeds to germinate in substrates with widely varying moisture contents. Increased moisture adversely affected the process of germination and growth of the cereal. Seed storage proteins play a special role because they are used as source of amino acids for the synthesis of proteins necessary for the plant. Determination of the fraction composition of T. chinensis seed storage proteins showed the high content of albumins and globulins (45% of the total weight of storage proteins), which ensured germination under water deficit. The study showed that germinating T. chinensis seeds use prolamins (their concentration decreases fourfold during germination). The considerable prolamin content of seeds (37%) and prolamin dynamics during germination support the hypothesis on the adaptive role of prolamins, as they contain amino acids essential for the seedling. Thus, morphological, physiological and biochemical properties of this cereal characterize it as a xerophytic species, which developed due to a combination of environmental factors of the Eastern Transbaikal region.
Keywords: adaptation, seed germination, osmotic stress of seeds, storage proteins, Tripogon chinensis.
Введение
Растительный покров степей Восточного Забайкалья сформировался в ходе длительной эволюции. Климат региона изменился с тепло - го гумидного (палеоген, неоген) на холодный аридный (антропоген) (Пешкова, 1972). Причин этих изменений множество, что связано, прежде всего, с геологическими мегапроцессами и всепланетными перестройками климатических условий. Анализу данных факторов посвящено множество работ, которые рассматривают как общемировые тенденции изменений (Глобальные изменения..., 2001; Климат ., 2004), так и региональные тенденции (Пешкова, 1972; Обязов, 2011; Давыдова, 2014).
В результате иссушения и похолодания на территории современного Забайкалья возникли разнообразные биомы, в которых в той или иной степени присутствуют растения ксероморфной природы, устойчивые к длительному дефициту влаги и очень низкой влажности воздуха в значительный период вегетации (весенне-летняя засуха). Однако некоторые представители семейства Poaceae (Gramineae), по-видимому, сформировавшиеся как виды в этом флористическом регионе, приобрели уникальные адаптационные механизмы. Эти особенности позволили им заселить самые неблагоприятные по увлажнению территории и стать доминантами в степных и многих лесостепных сообществах Забайкалья. Но даже среди устойчивых к засухе злаков, например видов родов Poa, Festuca, Stipa, интересным является Tripogon chinensis (Franch.) Hack. - трехбородник китайский.
T. chinensis - единственный представитель рода Tripogon в России, хотя этот тропический род включает около 30 видов, встречающихся в Азии и Африке (один вид отмечен в Америке) (Цвелев, 1976). Злак представляет собой невысокий многолетник, образующий небольшие густые дерновинки. Листовые пластинки щетинковидные, длиной 3-5 см, имеющие ширину до 0,7 мм, по краям волосистые. Колос односторонний с рядами сближенных колосков на оси (Ломоносова, 1990; Пробатова, 2008). Это пастбищное кормовое растение (Цвелев, 1976). Лимитирующими факторами для популяций T. chinensis служат интенсивное животно - водство, разрушение местообитаний (разработка карьеров), пожары (Пробатова, 2008).
Вид обитает в строго определенных биотопах, произрастая в петрофитных степях по каменистым вершинам сопок, на поверхностях скал и крупных валунов, часто образуя трехбородниковую низкотравную степь (Цвелев, 1976; Ломоносова, 1990; Пробатова, 2008; Бондаревич, Коцюржинская, 2014, 2015). В Восточном Забайкалье этот засухоустойчивый восточно-азиатский горностепной вид находится на северной границе своего ареала, охватывающего южные районы Забайкальского края, Маньчжурию, Корею, Монголию; отмечен в Еврейской автономной области и Хабаровском крае (Ломоносова, 1990; Пробатова, 2008).
По литературным данным (Пробатова, 2008), численность вида в России составляет от 1 до 5 тыс. экземпляров. Однако в последние годы в результате изучения распространения Т. chinensis в Забайкальском крае отмечается, что вид достаточно часто встречается в южных и юго-восточных районах региона. Его численность значительно выше (на два или даже три порядка), к примеру только в одной популяции у с. Курулга (Акшинский район) площадью 3700 м2 находится около 50 тыс. экземпляров (в среднем на 1 м2 отмечалось 15 куртин Т. chinensis) (Бондаревич, Коцюржинская, 2015).
Для Т. chinensis характерно только семенное размножение. Важным свойством многих травянистых растений региона является способность цвести, плодоносить и осуществлять прорастание семян во второй половине лета (Павлова, Якимова, 2004). Это связано с деятельностью над территорией Даурии тихоокеанского муссона, который в этот период времени приносит до 40 % осадков (от общегодового их количества). Семена Т. chinensis созревают во второй половине лета, когда температурный режим благоприятен для прорастания и дальнейшего роста проростка, поэтому в природе часть семян может прорастать сразу после опадения, а часть - весной. Наблюдения за возобновлением злаков (Дулепова, 1993; Павлова, Якимова, 2004) подтверждают, что в природе семенной подрост появляется в основном за счет урожая семян текущего года и двух предыдущих лет. Незначительное количество зимних и весенних осадков, низкая температура и резкая ее суточная амплитуда, низкая относительная влажность воздуха создают крайне неблагоприятные условия для развития растений весной и в начале лета (Дулепова, 1993; Попова, 2005). Скалы и поверхности каменистых склонов восточной и южной экспозиций в зимний период практически не имеют снегового покрова из-за ветра и ранних оттепелей, сильно нагреваются в весенне-летний период, а толщина почвенного слоя минимальна, либо он вообще отсутствует. Это приводит к быстрому стоку осадков и питательных веществ, промерзанию, резкому перепаду температур в течение суток. Поэтому особый интерес представляют адаптации, обеспечивающие прорастание семян и дальнейший рост Т. сИтвтк в экстремальных условиях среды.
Цель работы - изучить биохимические и физиологические механизмы прорастания семян Т. сhinensis в условиях различной влагообеспеченности и динамику запасных белков семян при прорастании. В задачи входило: 1) изучить динамику прорастания семян Т. в условиях разной влагообеспеченности; 2) изучить влияние осмотического стресса на всхожесть семян Т.; 3) рассмотреть особенности использования запасных белков семян при прорастании; 4) определить морфометрические показатели проростков при выращивании в условиях различной влагообеспеченности.
Материалы и методы
Объектом исследования были зрелые зерновки Т. сктвтч^', собранные в августе 2013 г. в окрестностях с. Курулга (Акшинский район) (площадка 1) и в августе 2014 г. в окрестностях с. Чашино-Ильдикан (Нерчинско-Заводский район) (площадка 2) (рис. 1). Зерновки мелкие, длиной 1,68±0,04 см, шириной 0,50±0,02 см, эллипсовидные.
Поверхность семян перед проращиванием стерилизовали 70%-ным этиловым спиртом в течение минуты, затем 1%-ным раствором перманганата калия в течение 20 мин и тщательно промывали стерильной дистиллированной водой (Дмитричева и др., 2011).
Для изучения динамики прорастания семян в условиях различной увлажненности субстрата было проведено два эксперимента с семенами, собранными на площадках 1 и 2 соответственно. Проращивание семян проводили на песке в чашках Петри в термостате при температуре 21 °С в условиях различной влагообеспеченности: влажность песка 30, 50, 70 и 100 % от полной влагоемкости (ГОСТ 12038-84). В каждом варианте было три повторности по 50 семян. Песок перед опытом прокаливали в муфельной печи. В эксперименте с семенами с площадки 1 наряду с оценкой доли проросших семян ежедневно проводили морфометрические исследования - измеряли длину корня и двух листовых пластинок всех проростков (пш!п=3, пшах=105).
Для эксперимента по определению динамики запасных белков семена с площадки 1 проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной дистиллированной водой. Растворимые запасные белки семян выделялись последовательно из навески массой ±100 мг в трехкратной повторности; для определения запасных белков в проросших семенах брали целиком и семя, и проросток. Фракционирование по Т.Б. Осборну
(Хелдт, 2011) проводили по общепринятым методикам (Конарев, 1975; Труфанов, 1994; Биссвангер, 2010; Мошков и др., 2012) с модификациями под дикорастущие злаки (Бондаревич, Осипова, 2010; Бондаревич и др., 2013) и получали экстракты трех протеиновых фракций - альбумины и глобулины (водо- и солерастворимые), проламины (спирторастворимые) и глютелины (кислоторастворимые) объемом 5-7 мл. Для выделения белков семена размалывали в фарфоровых ступках до 70 % выхода муки, навеску муки обезжиривали н-бутанолом. Альбумины и глобулины экстрагировали трижды водным раствором NaCl, 0,4 моль/л. Осадок отмывали от электролита и оставшихся альбуминов и глобулинов дистиллированной водой. Проламины получали трехкратной экстракцией 70%-ным этанолом при комнатной температуре, фракцию глютелиновых белков - трехкратно с 0,1 моль/л уксусной кислотой. Количественно белки определяли фотометрическим методом по методу Lowry при X = 626 нм (фотометр «Эксперт 003», «Эконикс Эксперт», Россия), с реактивом Фолина-Чокалтеу (стандарт - раствор человеческого альбумина 80 мг/мл).
Рис. 1. Распространение Т. октети в Восточном Забайкалье и места сбора семян (площадка 1 и 2)
Fig. 1. Distribution of T. chinensis in the Eastern Transbaikal region and seed collection sites (sites 1 and 2)
Осмотический стресс разной силы (роем. = 5 (506,6 кПа), 10 (1013,25 кПа), 14 (1419 кПа) и 18 атм. (1824 кПа)) создавали раствором сахарозы в дистиллированной воде, что соответствует 5,93, 11,86, 15,80 и 19,86%-ной концентрации (Илли и др., 2005). Метод позволяет на ранних этапах онтогенеза определить относительную засухоустойчивость различных видов растений. Эксперимент проводили в трех повторностях, в каждой из которых содержалось по 50 семян, собранных на площадке 1.
На рис. 2-5 представлены средние значения и их стандартные ошибки. Для расчетов использовали программу MS Excel 2010.
Результаты и обсуждение
В результате серии экспериментов было изучено прорастание семян T. chinensis в условиях различной увлажненности субстрата. Результаты отражены на рис. 2.
Прорастание семян Т. сhinensis в лабораторных условиях при различной влагообе- спеченности было отмечено во всех пробах на 4-е сутки. Семена хорошо прорастают при влажности песка 30 %, что объясняется ксе- роморфной природой изучаемого злака, его способностью максимально эффективно использовать воду (средняя всхожесть 55 %). Более высокая влажность (50 и 70 %) также способствует прорастанию семян, максимальная всхожесть для семян из обеих популяций отмечается при влажности песка 70 % (всхожесть 70 и 55 %) (рис. 2).
Различия всхожести семян из разных популяций можно объяснить несколько различающимися условиями созревания семян, хотя их сбор был осуществлен в одно и то же время (23-25 августа), а также климатическими особенностями районов сбора. По доступ ным метеорологическим данным интернет-ресурса Climatebase.ru со станций с. Акша и с. Александровский Завод, расположенных достаточно близко к районам исследований, условия характеризовались следующими особенностями: при широтном движении с востока на запад региона происходит уменьшение количества осадков и относительной влажности воздуха, особенно в вегетационный период, средняя температура повышается, максимальная температура в летний период увеличивается.
Рис. 2. Динамика прорастания семян T. chinensis (среднее ± SE, n = 3), собранных на площадках 1 и 2, на песке при разной влагообеспеченности (от 30 до 100 % от полной влагоемкости субстрата)
Fig. 2. Dynamics of germination of T. chinensis seeds (mean ± SE, n = 3), collected at sites 1 and 2, on sand with different moisture content (from 30 to 100 % of the maximum water holding capacity)
По этим показателям площадка 1 характеризуется более засушливыми условиями. Также особенностью климата Даурии являются многолетние климатические циклы с периодом около 30 лет, в которых сменяются засушливая и влажная фазы (Мещерская и др., 2009). Период исследования (2013, 2014 гг.) пришелся на начало влажной фазы цикла. Таким образом, семена, собранные в местах с меньшей влагообеспеченностью (площадка 1), имеют большую всхожесть при проращивании в условиях недостатка влаги, оказываясь, таким образом, более адаптированными к водному стрессу.