Глава 1 Обзор литературы
1.1 Понятие стресса у растений
Понятие «стресс» введено в науку канадским физиологом Гансом Селье в 1936 г. Г. Селье определил стресс как «совокупность всех неспецифических изменений, возникающих под влиянием любых сильных воздействий и сопровождающихся перестройкой защитных систем организма» [44]. В 70-х годах прошлого столетия понятие «стресс» было перенесено в физиологию растений и появилось новое направление биологической науки – стресс-физиология растений. Наблюдаемый при стрессе комплекс метаболических перестроек у растений назван фитострессом. В фитофизиологии термин «стресс» используется в двух разных аспектах. В одних случаях «стресс» служит синонимом слову «воздействие», если стресс отражает количественную сторону раздражителя. В других случаях, когда, например, говорят о водном, солевом или окислительном стрессе, то под стрессом понимают целый комплекс ответных неспецифических и специфических изменений [42].
Неблагоприятный фактор, действующий на живой организм, принято называть стрессором. Стрессор – сильно действующий фактор внешней среды, способный вызвать в организме повреждение или даже привести к смерти. Если повреждающее действие стрессора превосходит защитные возможности организма, то наступает смерть, в этом случае говорят об экстремальном факторе.
Наиболее распространенными неблагоприятными для растений факторами являются засуха, высокие и низкие температуры, избыток воды и солей в почве, недостаток кислорода, присутствие в атмосфере вредных веществ, ультрафиолетовая радиация, ионы тяжелых металлов, фитопатогены. Существуют критические периоды воздействия стрессовых факторов на растения. Показано, что растения наиболее устойчивы в покоящемся состоянии (в виде семян, луковиц, клубней) и наиболее чувствительны в ювенильный период (молодой возраст), период появления всходов, период формирования гамет, во время цветения и плодоношения.
По существующей классификации все факторы можно разделить на абиотические, биотические и антропогенные.
— климатические – свет, тепло, воздух (его состав и движение), влага (включая осадки в разных формах, влажность почвы и воздуха);
-эдафические (или почвенно-грунтовые) – механический и химический состав почв, их физические свойства и т. д.;
— топографические (или орографические) – условия рельефа [51].
— фитогенные – влияние растений — сообитателей как прямое (механические контакты, симбиоз, паразитизм, поселение эпифитов), так и косвенное (фитогенные изменения среды обитания для растений);
— зоогенные – влияние животных (поедание, вытаптывание и прочие механические воздействия, опыление, а также косвенное влияние на среду);
Согласно современным представлениям, для растений характерны три фазы стресса: 1) первичная стрессовая реакция, 2) адаптация, 3) истощение.
Во время первой фазы происходит повышение проницаемости мембран и деполяризация мембранного потенциала плазмалеммы вследствие выхода ионов калия из клеток. Как правило, это влечет за собой увеличение концентрации ионов кальция в цитоплазме за счет его выхода из внутриклеточных депо (вакуоль и эндоплазматический ретикулум).
Воздействие стрессового фактора на растение вызывает появление электрических сигналов (импульсов). У растений существуют электрические сигналы – первый это ПД – первая реакция на раздражитель, ВП – возникает при действии весьма сильного раздражителя, и ещё выделяют ПП. ПД в растениях сам несет в себе возможность непосредственного влияния на функции органов и тканей, по которым он распространяется, вызывая изменения электрического сопротивления клеток и тканей. Это связано с тем, что при прохождении сигнала по данному участку ткани или в месте, до которого он дошел, сильно меняется ионный состав, в особенности содержание ионов калия и хлора, которые выходят из возбудимых клеток при генерации импульса. Кроме того, электрические сигналы носят и предупреждающий характер – временное повышение устойчивости органов и тканей растений к неблагоприятному воздействию. Это временное повышение устойчивости носит неспецифический характер и может рассматриваться как своеобразная предадаптация [8].
Усиление активности протонной помпы в цитоплазматической мембране и, возможно, в тонопласте, приводят к сдвигу рН цитоплазмы в кислую сторону. Вследствие этого происходит активация гидролитических ферментов и увеличение процессов распада над процессами синтеза. Преобладающим процессом становится катаболизм, т.е. накапливаются продукты распада [5]. Активируется активность свободнорадикальных процессов и увеличение содержания активных форм кислорода.
Вместе с тем происходит активация синтеза стрессовых белков и усиление синтеза этилена и АБК. Тормозится деление и рост клеток, их поглотительная активность.
Интенсивность и длительность катаболических процессов при стрессе не должны выходить за рамки необратимых изменений (неизбежно ведущих к гибели), поэтому, вероятно, в клетках должны образоваться и накапливаться стресс — лимитирующие факторы. Известны некоторые структуры в клетках, по которым можно судить о защитных свойствах растения в ответ на действие стрессора. Одним из них является трансляционный аппарат клеток, который является лимитирующим звеном в ответе растений на разнообразные стрессовые факторы и его состояние может служить критерием для оценки защитного действия в условиях неблагоприятных факторов среды различных по структуре соединений [53].
Индикатором физиологического статуса растительного организма является функциональное состояние белоксинтезирующей системы в клетках, т.к. известно, что стрессовые факторы биотической и абиотической природы вызывают деградацию белоксинтезирующего аппарата, что приводит к торможению скорости ростовых процессов в растениях, а это, в свою очередь, впоследствии неизбежно проявляется в снижении их продуктивности [53].
Вторая фаза стресса – фаза адаптации. Под адаптацией понимают генетически детерминированный процесс формирования защитных систем, обеспечивающих повышение устойчивости и протекание онтогенеза в ранее неблагоприятных для него условиях. У растений на основании изменений, произошедших во время первой фазы, включаются главные механизмы адаптации. Они характеризуются снижением активности гидролитических и катаболических реакций и усилением процессов синтеза. Во время этой фазы включаются защитные реакции, также в значительной степени неспецифичные. Они способствуют более интенсивному синтезу белка и нуклеиновых кислот, за счет образования стрессовых белков — изоферментов усиливается «мощность» ферментных систем. Происходит стабилизация мембран, в результате чего восстанавливается ионный транспорт. Повышаются активность функционирования митохондрий, хлоропластов и соответственно уровень энергообеспечения. Снижается генерация активных форм кислорода, и тормозится ПОЛ. Возрастает роль компенсаторных шунтовых механизмов, например, усиливается активность пентозофосфатного пути дыхания как поставщика восстановителя и пентоз, необходимых для синтезов (в частности, нуклеиновых кислот).
На уровне целостного организма механизмы адаптации, свойственные клетке, дополняются новыми реакциями. Они основываются на конкурентных отношениях между органами за физиологически активные и питательные вещества и построены по принципу аттрагирующих (притягивающих) центров. Такой механизм позволяет растению формировать в условиях стресса минимальное количество генеративных органов (аттрагирующих центров), которые могут быть обеспечены необходимыми веществами для созревания. Благодаря переброске питательных веществ из нижних листьев сохраняются жизнеспособными более молодые — верхние.
На популяционном уровне адаптация выражается в сохранении только тех индивидуумов, которые обладают широким диапазоном реакций на экстремальный фактор и, оказавшись генетически более устойчивыми, способны дать потомство [51].
Общей стратегией адаптации растений к различным стрессорам является уход от воздействия, который может быть обеспечен, например, образованием поверхностной корневой системы при недостатке кислорода, опушенностью листьев, их редукцией, опадением или закрыванием устьиц для снижения потери воды при засухе, смещением сроков вегетации и т.п. Другой путь для преодоления стрессовых воздействий — изменение обмена веществ, т.е. возникновение метаболических приспособлений. Последние требуют больших энергетических затрат, так как связаны с включением восстановительных механизмов, направленных на предотвращение или исправление повреждения. Ввод в действие такого комплекса защитных реакций способствует поддержанию и удлинению фазы адаптации.
Конечным результатом адаптации растительного организма является формирование устойчивости, или стресс-толерантность – способность растения переносить действие неблагоприятных факторов и давать в таких условиях потомство; способности растения сохранять относительное постоянство внутренней среды, т. е. гомеостаз, в определенном диапазоне внешних воздействий [51].
Если адаптационный потенциал организма недостаточен, наблюдается третья фаза – истощение. В период третьей фазы разрушаются клеточные структуры, в хлоропластах происходит распад гран, в митохондриях уменьшается количество крист, появляются дополнительные вакуоли, где обезвреживаются токсические вещества, образующиеся в результате изменений обмена в стрессовых условиях. Нарушение ультраструктуры основных энергетических генераторов – митохондрий и хлоропластов – приводит к энергетическому истощению клетки, что и влечет за собой сдвиги физико-химического состояния цитоплазмы. Эти сдвиги свидетельствуют о сильных, необратимых повреждениях клетки.
Источник
Работы по стрессам у растений
Семена
Управление стрессами растений
Растения подвержены многочисленным стрессам, которые порой серьезно сказываются на их продуктивности. К таким неблагоприятным воздействиям можно отнести как низкие, так и высокие температуры, как недостаток влаги, так и засуху, а также влияние фитопатогенов, ультрафиолетовой радиации и пр.
Даже применение химических препаратов не обходится без стресса для организмов культурных растений. Наука интенсивно работает над вопросом уменьшения воздействия на растения различных негативных факторов, над тем, чтобы помочь им подготовиться к экстремальным ситуациям еще до момента столкновения с ними. И у нанотехнологов уже есть определенные результаты
Ирина Дидур, генеральный менеджер Agro Nanotechnology Corp
Три фазы реакции растения на стрессы
Термин стресс (от англ. stress – напряжение) введен в научный лексикон в 1936 г. для описания реакции организма на любое сильное неблагоприятное воздействие. Основоположником стрессовой теории стал канадский ученый-физиолог Ганс Селье.
Согласно его учению ответные реакции на стрессовое воздействие у животных и человека имеют вид кривой, включающей три фазы («триада Селье») – тревоги, адаптации (резистентности) и истощения. В этот период формируется неспецифическая резистентность (адаптация), но при увеличении стрессового воздействия и истощении защитных сил организма наступает его гибель. Основы стрессовой теории были перенесены на физиологию растений, в результате чего в науке появилось новое направление – стресс-физиология растений. Для них фазы триады Селье были названы первичной индуктивной стрессовой реакцией, адаптацией и истощением ресурсов надежности.
Способность защищаться от неблагоприятных условий внешней среды – неотъемлемое свойство любого живого организма. Ввиду относительной неподвижности и невозможности избежать неблагоприятных факторов, просто переместившись в другой ареал, растение вынуждено включать активные механизмы саморегуляции, в результате чего происходят глубокие изменения в обмене веществ без нарушения согласованности между отдельными функциями, что позволяет сохранять единство организма и среды (гомеостаз).
К числу наиболее распространенных факторов, способных вызвать у растений стресс, относятся: экстремальные температуры (как низкие, так и высокие), недостаток влаги (засуха), избыток воды в почве, чрезмерная засоленность почвы, низкая или чрезмерная освещенность, влияние фитопатогенов (микроорганизмов и грибов), ультрафиолетовая радиация, воздействие ионов тяжелых металлов.
Во время первой фазы – первичной индуктивной стрессовой реакции – у растения увеличивается проницаемость мембран в результате изменения молекулярного состава их компонентов, что приводит к закислению цитоплазмы и, как следствие, к активации гидролаз и процессов распада полимеров. Синтез белка тормозится, в то время как синтез стрессовых белков активизируется. Дыхание и фотосинтез сначала усиливаются, а затем подавляются.
Накапливаются продукты распада. Во время второй фазы – адаптации – в растении усиливаются процессы синтеза. Происходит стабилизация проницаемости мембран. Растение формирует минимальное количество генеративных органов. В третьей фазе – истощения – защитные возможности растения исчерпываются, клеточные структуры (хлоропласты и митохондрии) разрушаются и вызывают энергетическое истощение клетки, что приводит к физикохимическим изменениям цитоплазмы. Как правило, это необратимый процесс, ведущий к гибели растения.
Как помочь растению подготовиться к стрессу
Последние исследования физиологии растений подтвердили тот факт, что защитные механизмы растений являются своего рода химическим оружием против стресса. При этом «внутренний защитник» растения действует по следующей схеме:
1) распознает стресс;
2) ищет в «информационной базе» ДНК растения самые лучшие средства для выживания;
3) активизирует синтез специфических и неспецифических элементов стрессовой защиты, таких как энзимовантиоксидантов, стрессовых белков, глютатиона, фенолов и других антиоксидантов;
4) перемещает синтезированные стрессовые белки и вещества в проблемные зоны для борьбы со стрессом.
Над созданием препарата, способного помочь растению справляться с различными стрессовыми ситуациями, работает множество ведущих фирм мира. Agro Nanotechnologi, Corp предложил аграриям революционный продукт – Nano-Gro, который способен подготовить растение к отражению стрессового воздействия еще до момента его наступления. В результате его применения растение получает конститутивные механизмы устойчивости по аналогии, например с растениями-галофитами, солеустойчивость которых предопределена генетически. Иными словами, механизмы устойчивости срабатывают в любых условиях независимо от наличия или отсутствия стрессового фактора. В то время как необработанные растения для включения защиты должны сначала почувствовать и распознать стресс (индуцированные механизмы защиты, которые хотя и детерминированы генетически, но реализуются только при действии стрессора). Как это происходит?
Нанопрепарат содержит активные вещества в столь малых концентрациях, что в килограмме готового продукта можно найти только их отдельные молекулы. При последовательном разведении до концентрации 10-9 вещество как таковое исчезает, остаются лишь следы его присутствия. Но после исчезновения молекулы базового вещества остается информационное поле, содержащее все его компоненты. Такое поле действует гораздо быстрее и эффективнее, чем само вещество. Вода ввиду наличия большого количества водородных связей и образования кластерной структуры является идеальным транспортером информации. Поэтому для равномерного распределения информационных следов между кластерами воды препарат следует развести водой и тщательно перемешать. Растение, обработанное раствором гранул, мгновенно распознает информацию, которую несут следы активных веществ, и трактует ее как предупреждение о предстоящем стрессе (наличие токсичных соединений в почве, аномальные температуры, недостаток влаги, а также различные вирусные, инфекционные и грибковые заболевания и поражения вредителями). Движимое соображениями выживания, растение сразу начинает готовиться к предстоящему (воображаемому) стрессу на клеточном уровне, в результате чего происходят:
– стимуляция биосинтеза фитогормонов (цитокининов, гиббереллинов, абсцизовой кислоты, брассиностероидов);
– регуляция экспрессии генов, индуцирование синтеза стрессовых белков, фитоалексинов и других компонентов системы фитоиммунитета, в том числе витаминов, например аскорбиновой кислоты, являющейся антиоксидантом, препятствующим деструкции натурального ауксина. Опыт на томатах в Польше показал значительное повышение содержания витамина С в обработанной группе по сравнению с контролем: 21,5% против 18,9%
– по сорту Рамбозо; 25,8% против 20% – по сорту Гермес;
– адаптация к новым условиям метаболизма.
В итоге мы имеем:
• более развитую корневую систему (в стремлении защитить себя от воображаемых токсичных металлов растение развивает мощную корневую систему, резервируя в корнях пространство, чтобы «закрыть» токсины и не дать им подняться по васкулярным тканям в другие органы – стебель, листья, плоды);
• лучшую обеспеченность минеральными веществами за счет деятельности привлеченных анаэробных бактерий, позволяющих по трофическим цепям поднимать азот из более глубоких слоев почвы;
• укрепление общего здоровья растения и улучшение сопротивляемости неблагоприятным условиям окружающей среды за счет стимуляции синтеза шоковых белков (БТШ70, БТШ90) и более выраженного иммунного ответа на изменение условий;
• повышенную урожайность и улучшенные качественные показатели урожая (содержание сухой массы, важнейших белков и микроэлементов, витаминов).
Нанопрепарат подтвердил свою эффективность в стимулировании защитных механизмов против ЛЮБОГО вида стресса. Растение активизирует как биохимические, так и физиологические реакции. В частности, опыт на томатах в Краковском сельскохозяйственном университете (Польша) подтвердил формирование растением более длинных волосков на поверхности листа, что предохраняет культуру от атак вредителей.
Синтезированные под влиянием антистрессового регулятора роста стрессовые белки проявляют антифризную и криопротекторную активность, предотвращая замерзание жидкости и образование льда в клетках под воздействием низких температур, а также препятствуют локальной дегидратации и денатурации белков, участвуют в процессах регулирования устойчивости клеток. В естественных условиях реализация антистрессовых перестроек метаболизма требует от растения значительных энергетических затрат. Теряя энергию, предназначенную для обеспечения процессов продуктивности, растение дает меньший урожай. Применение же антистрессового препарата позволяет регулировать процессы метаболизма на высоком уровне и активизировать устойчивость к широкому спектру стрессовых факторов с сохранением высокой урожайности культур.
Антистрессовый регулятор роста растений – гомеопатический препарат, абсолютно нетоксичный и безопасный, представляющий собой органический стимулятор роста растений. Его активные ингредиенты (сульфаты железа, кобальта, алюминия, магния, марганца, никеля и серебра) в наномолекулярной (10-9) концентрации скомбинированы в форме водорастворимых гранул сахарозы диаметром 4 мм. Препарат может применяться на всех культурах – зерновых, овощных, бобовых, многолетних насаждениях, виноградниках, плодовоягодных и декоративных. Обработка растений может проводиться как перед посадкой, так и во время вегетации. При этом препарат растворяется в обычной водопроводной воде и применяется в рамках традиционной агротехнологии (в том числе в смеси с другими протравителями, жидкими удобрениями, пестицидами), не требуя дополнительных затрат трудовых и энергетических ресурсов.
Эффект от применения нанопрепарата выражается в:
• увеличении урожая (в среднем до 20%);
• сокращении сроков созревания плодов;
• однородности плодов по размеру и форме;
• увеличении содержания сахаров, важнейших белков и масла (для масличных культур);
• повышении устойчивости к болезням и погодным условиям;
• улучшении вкусовых качеств плодов.
Комментарий ученого Виктор Швартау, член-корреспондент НАН Украины:
– Разработка нанотехнологий и их применение в сельском хозяйстве очень актуальны. Предполагается, что они позволят повысить эффективность и рентабельность выращивания культур и, вероятно, качество самой продукции. Нынче активно развивается направление создания и испытаний влияния наносоединений на физиологические процессы растений, прежде всего культурных, в целях регулирования их роста и развития, устойчивости к стрессам и т.д. (http://www.nano.nas.gov.ua и http://www.nano-info.ru).
Так, применение нанопрепаратов в растениеводстве в качестве микроудобрений обеспечивает повышение стойкости к неблагоприятным погодным условиям и повышению урожайности почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощи, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Предложено механизм, по которому эти эффекты достигаются благодаря более активному проникновению микроэлементов в ткани растений за счет наноразмеров частичек и их электрохимически нейтрального статуса. Ожидается также положительное влияние наномагния на повышение продуктивности фотосинтеза, нанокремния – на повышение стойкости растений к стрессам. Такие опыты разрабатывают многие ведущие компании мира. Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности ведет к появлению абсолютно нового класса пищевых продуктов – нанопродуктов. Согласно официальному заявлению экспертов международной исследовательской организации ЕТС Group со временем нанопродукты вытеснят генномодифицированные.
Перспективы и возможности, которые открываются для человечества с развитием нанотехнологий, трудно переоценить. При этом многое остается невыясненным – от механизмов воздействия нанопрепаратов на организм растений до вероятных путей взаимодействия синтезированных наносоединений с другими компонентами экосистемы. Представленные авторами статьи эффекты нанопрепарата достаточно интересны и требуют детального изучения в условиях полевых опытов и производственных испытаний. Требуют также дополнительного обоснования представленные механизмы действия препарата. Желаю авторам разработки успехов в испытаниях и внедрении перспективных технологий в растениеводстве.
Александр Бовсуновский, руководитель департамента агротехнологий «Амако Украина»:
– Наша компания – один из признанных лидеров в области аграрных инновационных технологий. Мы постоянно отслеживаем все новинки, появляющиеся на аграрном рынке, тестируем их и внедряем в производство. Появление в Украине такого продукта, как Nano-Gro, не могло остаться без нашего внимания. Особый интерес вызвал тот факт, что этот продукт снимает в растениях стрессы различной природы – термические, от засухи, излишних осадков и пр. Причем механизм действия продукта строится на самых современных научных парадигмах, таких как структурализм, теория нелинейных существенно неуравновешенных сред, синергизма и пр. Кроме того, препарат насыщен активными веществами-антистрессантами в очень малых количествах, но через созданную ими структурную матрицу информация передается на органеллы растений намного быстрее и активнее, чем через прямой контакт с веществом.
Мы испытывали препарат на посевах гибридной кукурузы компании «Лендком» в 2010 году. Место проведения опытов – с. Кичкирит Радомышльского района Житомирской области. Гибрид кукурузы – PR 39612, посев – 08.05.2010 г. Густота посевов – 96 000 растений на га, глубина посева – 6 см. Система удобрения: под основную обработку – 128 кг/га тукосмеси N7P19K29+5S на базе хлористого калия, нитроаммофоски и супрефоса), припосевное удобрение – 230 кг/га известково-аммиачной селитры.
Система защиты: гербицид Пропонит – 2,5 л/га после посева, гербицид Майстер – 0,15 кг/га + прилипатель Биопауер – 1,0 л/га в фазе 6 листьев.
Опыт проводился на четырех участках по 10 га. Опрыскивание Nano-Gro проводилось в фазе 8-9 листьев. Результаты влияния на урожайность были следующими (урожайность элеваторная, 14,8% влажности):
1) Карбамид (6кг/га) + Грамитрел (1,0 л/га) – 8,47 т/га;
2) Nano-Gro – (7 гранул на емкость опрыскивателя) – 8,88 т/ га;
3) Карбамид (6кг/га) + Nano-Gro (7 гранул) – 8,93 т/га;
4) Карбамид (6кг/га) + Грамитрел (1,0 л/га) + Nano-Gro (7 гранул) – 9,04 т/га.
А что такое прибавка урожая 0,6 т? Если учесть нынешнюю цену (1700 грн/т), то это 1020 грн на гектаре, на 100 га – 102 000 грн, а на 1000 га – уже миллион. Добавьте к этому усиление иммунитета растений, улучшение качественных характеристик и простоту в использовании.
Источник