Избыточное увлажнение (100 %) негативно сказывается на прорастании семян Т. Экспериментально установлено, что прорастание наступает позже и процент всхожести оказывается несколько ниже (рис. 2). Избыточное увлажнение способствует развитию сапрофитной микрофлоры, главным образом плесневых грибов, которые приводят к загниванию и гибели зерновок. Гибель семян в подобных условиях также может быть вызвана гипоксией.
В ходе определения всхожести семян были проанализированы морфометрические показатели проростков (длина листовой пластинки, длина корня) Т. сhinensis в условиях различной увлажненности субстрата (площадка 1) (рис. 3). При влажности субстрата
Рис. 3. Динамика средней длины листовой пластинки и корня у проростков T. chinensis (среднее ± SE, nmin=3, nmax=105) при проращивании на песке в условиях разной влагообеспеченности (от 30 до 100 % от полной влагоемкости субстрата). Семена собраны на площадке 1
Fig. 3. Dynamics of average leaf and root lengths of T. chinensis seedlings (mean ± SE, nmin=3, nmax=105) during germination on sand with different moisture content (from 30 to 100% of the maximum water holding capacity). The seeds were collected at site 1
30, 50 и 70 % от полной влагоемкости средние значения линейных параметров листовой пластинки были сходными и концу второй недели проращивания составили в среднем от 8,5 до 9,5 мм. При 100%-ной влажности песка отмечаются более низкие показатели: средняя длина листовой пластинки в таких условиях на 14-е сутки равнялась 6,2 мм (рис. 3).
При 30, 50 и 70%-ном увлажнении линейные параметры листовой пластинки имели к 14-м суткам очень близкие значения (рис. 3). То есть данный параметр сложно применять для оценки влияния увлажнения субстрата на адаптационные особенности Т. сhinensis, и злак достаточно эффективно использует условия среды для создания надземной вегетационной массы. Избыточное увлажнение субстрата отрицательно сказалось на ростовых процессах. Темпы роста листовой пластинки во всех условиях увлажнения наиболее интенсивно увеличиваются после 7-х суток прорастания (средняя длина увеличивается почти в 2 раза).
Изменение линейных параметров корня оказалось менее значительным. Средняя длина к концу второй недели прорастания составила от 2 до 3,5 мм. Диапазон влажности субстрата для наилучшего развития корня Т. сhinensis находится в области от 50 до 70 %. Меньшая влажность (30 %) вызывает замедление роста корня, но постепенно к 14-м суткам корень достигает уровня развития, близкого к наблюдающемуся при 50 %. При влажности песка 100 % рост корня медленный и к концу эксперимента составил не более 2 мм. Это подтверждает негативное влияние избытка увлажнения на ростовые процессы исследуемого злака. Подобные условия могут вызывать гипоксию, которая приводит к нарушению деления клеток и, как следствие, к угнетению роста.
Для оценки засухоустойчивости Т. сhinensis на ранних этапах онтогенеза проращивали семена, собранные на площадке 1, в растворах сахарозы различной концентрации (рис. 4). Осмотическое давление в 5 атм. существенно снижает процент всхожести семян (почти в два раза). При давлении 10 атм. прорастание затягивается еще на сутки, и процент всхожести оказывается в семь раз меньше по сравнению с контролем (влажная фильтровальная бумага).
Рис. 4. Динамика прорастания семян T. chinensis, собранных на площадке 1, в условиях осмотического стресса (среднее ± SE, n = 3)
Fig. 4. Dynamics of germination of T. chinensis seeds collected at site 1 under osmotic stress (mean ± SE, n = 3)
Кроме того, осмотический стресс (5 и 10 атм.) замедляет рост вегетативных органов проростков T. chinensis. При более высоком осмотическом давлении (14 и 18 атм.) семена исследуемого злака не проросли. Высокое осмотическое давление раствора, имитируя засуху, вызывает водный стресс у растений, который нарушает поступление воды и запуск ростовых процессов. В целом это приводит к прямым или косвенным нарушениям метаболизма, к дефициту метаболической воды, накоплению различных токсических соединений и недостатку питательных веществ (Сидоров, 1990; Григорюк и др., 2000), что может вызвать остановку прорастания.
Питание проростка до перехода его к автотрофному способу обеспечивают запасы эндосперма. Основными резервными соединениями в семенах злаков являются углеводы (крахмал) и белки. Проросток нуждается в постоянном притоке азотистых веществ, которые выделяются при гидролизе белкового комплекса, они же служат и основным источником аминокислот. Поэтому изучение белкового состава семян имеет важное значение для развития концепции устойчивости растений. Большинство работ в этой области посвящено сельскохозяйственным растениям (Kreis et al., 1985; Верхотуров, 2008; Shewry, Halford, 2002; Осипова, 2011). Злаки, не относящиеся к этой группе, исследовались меньше (Семихов и др., 2006; Бондаревич и др., 2013), хотя для дикорастущих видов растений проблема сохранения жизнеспособности семян, их адаптации к меняющимся условиям среды актуальна. Эти особенности позволяют сохраняться видам в составе фитоценозов в условиях значительной конкуренции и осваивать новые пространства для жизни.
В связи с этим был изучен фракционный состав запасных белков семян T. chinensis, так как они вносят существенный вклад в обеспечение жизнеспособности семян. Был количественно (в мг белков на г сырой массы) определен фракционный состав запасных белков семян Т. chinensis и их динамика при набухании и прорастании, а также процентное соотношение белковых фракций (рис. 5).
В ходе исследования выявлены следующие особенности изменения белкового комплекса семян до прорастания и во время этого процесса в оптимальных условиях (рис. 5). Количественно в сухих семенах преобладали альбумины и глобулины, представляющие собой быстро мобилизуемые источники аминокислот в первые часы и сутки прорастания, а также обладающие ферментативной активностью (протеазной, гликозидазной). В первые сутки от начала набухания зерновок эти фракции количественно сокращаются практически вдвое (с 20 до 12 мг/г сырой массы), и в последующие этапы наблюдений их содержание меняется незначительно (рис. 5). Процентное содержание альбуминов и глобулинов меняется от первых к девятым суткам наблюдений не более чем на 5 %.
Уникальным механизмом адаптации многих злаков, в частности Т. chinensis, является накопление проламиновой фракции. Эта особенность приспособления наиболее выражена у внетропических злаков и связана с реализацией ростовых процессов в неблагоприятных условиях прорастания (Семихов и др., 2006). Проламиновая фракция активнее всего расходуется в наблюдаемый период, за который зародыш от гетеротрофного питания переходит к автотрофному и формирует зародышевые листовые пластинки и корень. Так, в сухих зерновках Т. chinensis содержание проламинов составляло 17 мг/г сырой массы, а через 24 ч снизилось уже до 9,49 мг/г сырой массы, т.е. практически вдвое. В последующие несколько суток их количество изменялось не столь интенсивно, но к 9-м суткам снизи лось до 4,32 мг/г сырой массы, что составило 4-кратное уменьшение (рис. 5).
Рис. 5. Динамика фракций запасных белков при прорастании семян T. chinensis, собранных на площадке 1 (среднее ± SE, n = 3)
Fig. 5. Dynamics of storage protein fractions during germination of T. chinensis seeds collected at site 1 (mean ± SE, n = 3)
Таким образом, показатель абсолютного и относительного количества проламиновой фракции можно использовать для оценки адаптационного потенциала Т. chinensis и определения стратегии выживания в состоянии стресса при прорастании зерновок.
Глютелиновая фракция претерпела не такие значительные изменения. Так, в сухих зерновках Т. chinensis содержание глютелинов было 8 мг/г сырой массы, а к девятым суткам от начала набухания и прорастания составило 5,6 мг/г сырой массы. В относительном выражении доля этой фракции возросла более чем на 10 % (1-е сутки - 17,77 %, 9-е - 28,53 %), что, вероятно, имеет две причины. Глютелины образуют гетерогенный комплекс с большим количеством дисульфидных сшивок с проламинами, и в результате работы восстановленного тиоредоксина происходит расщепление этих связей (Хелдт, 2011). Вследствие этого количество экстрагируемого белка возрастает. Второй причиной служит гидролиз белков нерастворимо - го остатка и переход их в форму отдельных субъединиц, которые и подвергаются экстракции кислотой, повышая количественное содержание фракции.
Известно, что проламины и глютелины богаты пролином, глутамином и глутаматом. Согласно современным представлениям о биохимических процессах в растительных клетках (Szabados, Savoure, 2010; Хелдт, 2011) пролин является малотоксичным осмолитом, защищающим растительный организм от обезвоживания или действия осмотического стресса. Также эта аминокислота выступает как один из элементов антиоксидантной защиты, сигнальным веществом и регулятором экспрессии некоторых генов (Кузнецов, Шевякова, 1999). Глутаминовая кислота и глутамин играют ключевую роль в азотном метаболизме.
Роль глютелинов заключается в способствовании выживанию проростков в экстремальных условиях. Известно, что у растений, устойчивых к неблагоприятным условиям обитания, содержание глютелинов значительно выше, чем у восприимчивых (Сергеева, 1971). Имеются данные о значительном содержании глютелинов в семенах таких злаков на территории Забайкалья, как Melica turczaninowiana (относительное содержание глютелинов составляет от 80 до 90 %), Spodiopogon sibiricus (46 %), Agropyron cristatum (31 %), Festuca litvinovii (46 %) (Бон- даревич и др., 2013). Эти виды используют данный механизм адаптации к прорастанию в аридных условиях среды.
Заключение
Изучение процессов, происходящих на начальных этапах онтогенеза T. chinensis, позволяет внести вклад в исследование адаптации ксерофитных злаков к условиям среды. В петрофитных степях злак оказывается под влиянием комплекса экстремальных факторов среды. Однако T. chinensis формирует в таких местообитаниях наибольшие по численности и плотности популяции.
Одним из адаптационных механизмов является формирование комплекса запасных белков семени. Существенное значение для метаболических процессов, происходящих в прорастающих семенах исследуемого злака, имеют проламины. За счет осмотического действия водорастворимых белков, которые преобладают в белковом комплексе семян, Т. chinensis может эффективно использовать почвенную влагу для запуска прорастания, создавая сосущую силу, а активный расход проламинов обеспечивает быстрый переход к ростовым процессам и поступление антиоксидантов и осмолитов.
Выяснено, что семена Т. chinensis способны прорастать в широком диапазоне влажности субстрата (от 30 до 100 % от полной влагоемкости). Эта особенность обеспечивает возможность прорастания и перехода к автотрофному питанию в условиях различной влагообеспеченности в природных условиях. Избыточное увлажнение (100 % от полной влагоемкости субстрата) замедляет прорастание, уменьшая процент всхожести, а также угнетает развитие вегетативных органов проростков Т. chinensis. На физиологическую засуху Т. chinensis реагирует снижением всхожести семян.
Поскольку исследуемый злак занесен в Красную книгу РФ (категория статуса 2 - сокращающийся в численности), Красную книгу Забайкальского края, то изучение особенностей начальных этапов онтогенеза может внести вклад в работы по интродукции Т. chinensis с целью сохранения этого вида.
Список литературы
1. Биссвангер Х. (2010) Практическая энзимология. М., БИНОМ. Лаборатория знаний, 328 с. [Bisswanger H. (2010) Practical enzymology. Moscow, BINOM. Laboratoriya znaniy, 328 p. (in Russian)]
2. Бондаревич Е.А., Осипова C.B. (2010) Высокое содержание глютелинов в семенах реликтового злака Melica turczaninowiana (Poaceae). Журнал Сибирского федерального университета. Биология, 3(4): 384-390 [Bondarevich E.A., Osipova S.V. (2010) High contents of glutelins in seeds of relic Melica turczaninowiana (Poaceae). Journal of Siberian Federal University. Biology, 3(4): 384390 (in Russian)]
3. Бондаревич Е.А., Борискин И.А., Якимова Е.П. (2013) Эколого-биологические особенности злаков Восточного Забайкалья. Чита, Экспресс-издательство, 184 с. [Bondarevich E.A., Boriskin I.A., Yakimova E.P. (2013) Ecological and biological characteristics of cereals of the Eastern Transbaikal region. Chita, Express izdatelstvo, 184 p. (in Russian)]
4. Бондаревич Е.А., Коцюржинская Н.Н. (2014) Состав фитоценозов на территории Восточного Забайкалья с участием некоторых редких видов: Tripogon chinensis (Franch.) Hack., Zizania latifolia (Griseb.) Stapf и Melica virgata Turcz. ex Trin. (Poaceae). Материалы IVМеждунар. научно- практич. конфер.: Изучение, сохранение и восстановление естественных ландшафтов. Волгоград, Волгоградское научное издательство, с. 20-23 [Bondarevich E.A., Kotsyurzhinskaya N.N. (2014) Composition of plant communities in the Eastern Transbaikal region with rare species: Tripogon chinensis (Franch.) Hack., Zizania latifolia (Griseb.) Stapf and Melica virgata Turcz. ex Trin. (Poaceae). Proceedings of the IVinternational scientific-practical conference: Study, preservation and restoration of natural landscapes. Volgograd, Volgograd Scientific Press, p. 20-23 (in Russian)]
5. Бондаревич Е.А., Коцюржинская Н.Н. (2015) Новые местонахождения Tripogon chinensis (Franch.) Hack. (Poaceae) в Восточном Забайкалье. Проблемы ботаники Южной Сибири и Монголии: сборник научных статей по материалам XIV международной научно-практической конференции. Барнаул, изд-во АлтГУ, c. 12-17 [Bondarevich E.A., Kocjurzhinskaja N.N. (2015) New locations of Tripogon chinensis (Franch.) Hack. (Poaceae) in East Transbaicalia. Problems of botany of South Siberia and Mongolia: proceedings of the XIV international scientific-practical conference. Barnaul, Altai State University Press, p. 12-17 (in Russian)]
6. Верхотуров В.В. (2008) Физиолого-биохимические процессы в зерновках ячменя и пшеницы при их хранении, прорастании и переработке. Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. М., 40 с. [Verkhoturov V.V. (2008) Physiological and biochemical processes in the grains of barley and wheat during storage, germination and processing. Abstract of the thesis for the Candidate of Biol. Sciences degree. Moscow, 40 p. (in Russian)]
7. Глобальные изменения природной среды (2001) Добрецов Н.Л., Коваленко В.И. (ред.) Новосибирск, изд-во СО РАН, филиал «Гео», 373 с. [Global changes of the natural environment (2001) Dobretsov N.L., Kovalenko V.I. (eds.) Novosibirsk, SB RAS, filial “Geo”, 373 p. (in Russian)]