Чувствительность растений к засухе в репродуктивный период
Засуха снижает урожайность при действии в течение всего вегетационного периода (рис. 6.11). Однако наибольшее отрицательное влияние наблюдается, когда наступление водного стресса совпадает с началом формирования гамет и инициацией образования зерновки. Первый пик чувствительности характерен для всех зерновых, второй пик наблюдается во время цветения — на начальных этапах развития зерновки у риса и кукурузы. Значительно меньшая чувствительность в этот период в условиях сильного водного дефицита отмечена на ячмене, пшенице и овсе. У ржи, проса и сорго, которые, как известно, тоже чувствительны к засухе в репродуктивный период, периоды максимальной чувствительности не установлены. После начала формирования зерновки происходит постепенное снижение восприимчивости к стрессу.
Природа структурных и функциональных нарушений репродуктивных органов и лежащих в их основе механизмов зависит от времени и глубины действия водного стресса. Рассмотрим повреждения в период инициации цветения, развития гаметофита, опыления, начала формирования зерновки и ее роста.
Инициация цветения и развитие гаметофита. Адаптация времени цветения и динамики его протекания к временным колебаниям водообеспеченности рассматривается как один из самых важных признаков, обеспечивающих адаптацию к засухе. Водный стресс в фазу вегетативного развития или в период цветения у зерновых замедляет скорость его протекания, что тормозит или полностью ингибирует цветение. Подобные эффекты обнаружены и при сильном засолении, что частично можно объяснить осмотическим стрессом. Одновременно при водном стрессе ингибируется индукция цветения, в основе которой находится повышенная концентрация АБК. Это обнаружено, в частности, у сахарной кукурузы.
Современные продуктивные сорта пшеницы характеризуются более высоким соотношением показателей использования воды после и до цветения, что обеспечивает лучшую водообеспеченность в период цветения (рис. 6.12) и более высокий уборочный индекс (рис. 6.13).
Изучение динамики анатомических изменений пыльников при стрессе указывает на то, что некоторые метаболические процессы могут быть связаны с нарушениями развития пыльцы. Как известно, пыльцевые зерна у зерновых культур богаты крахмалом, который накапливается на поздних этапах развития пыльцы и затем используется при ее прорастании и росте пыльцевой трубки. Пыльцевые зерна, оказывающиеся стерильными в результате действия дефицита влаги, не в состоянии накапливать крахмал. Водный стресс изменяет также распределение крахмала в пыльниках и ингибирует развитие интины в пыльцевых зернах. Время ингибирования отложения крахмала в запас совпадает с появлением структурных нарушений в ходе развития пыльников, что указывает на возможную причастность метаболизма углеводов к указанным нарушениям. Это подкрепляется данными опытов, согласно которым увеличение поглощения сахарозы колосками пшеницы при их выращивании на питательном растворе улучшает закладку зерен. Добавление ABK в среду снижает поглощение сахарозы и закладку зерен, однако оба эффекта обратимы при повторном добавлении сахарозы. Экстраполируя эти наблюдения на уровень целого растения, можно предположить, что, если ИФ и скорость экспорта фотоассимилятов из листьев при засухе тормозятся, импорт сахарозы в пыльник может быть лимитирующим фактором. Однако в действительности концентрация сахарозы и других сахаров в пыльниках пшеницы и риса в ответ на водный стресс возрастает и, следовательно, дефицит углеводов непосредственно не может быть причиной стерильности пыльцы. Вместе с тем использование накопленных углеводов при стрессе ингибируется. Активности растворимой кислой и мембранно-связанной инвертаз в пыльниках риса и пшеницы резко снижаются и не восстанавливаются даже после возобновления полива. Интересно, что активности других ферментов, в частности АДФ-глюкозо-пирофосфорилазы, а также растворенной и связанной форм крахмал-синтазы при этом не меняются. Установлено также, что экспрессия генов, кодирующих указанные инвертазы, тоже ингибируются. Последний эффект не обусловлен подавлением транскрипции, так как экспрессия гена АДФ-глюкозо-пирофосфорилазы при стрессе в пыльниках изменяется лишь незначительно. У риса активность данного фермента, а также крахмалсинтазы несколько снижается, если стресс действует в период мейоза или сразу вслед за ним. Наиболее сильное снижение активности при этом наблюдается у инвертазы, являющейся главным ферментом расщепления сахарозы в пыльниках у многих видов, включая анализируемые. Снижение количества образующейся при этом глюкозы, необходимой для процессов биосинтеза и генерации энергии, резко ухудшает условия метаболизма. Так, у пшеницы снижение активности инвертазы предшествует или совпадает по времени с появлением анатомических признаков абортации пыльцы. Именно подобное поведение инвертазы приводит к накоплению сахарозы. Поэтому и молекулярная, и метаболическая регуляция ингибирования инвертазы в связи с индуцированной водным стрессом стерильностью пыльцы, заслуживают более пристального внимания, так как это самое раннее стресс-индуцируемое нарушение.
Развитие и фертильность мужского гаметофита в сравнении с женским гораздо более чувствительны к засухе. Подобная тенденция наблюдается также при действии других стрессоров, в частности экстремальных (пониженных и повышенных) температур. Более высокая стресс-толерантность женского гаметофита выполняет адаптивную функцию, поскольку потенциальное воздействие мужской стерильности на завязываемость (закладку) зерновок в поле может быть смягчено перекрестным опылением, в то время как снижение женской фертильности невосполнимо.
Воздействие засухи в стадии мейоза вызывает также другие повреждения цветков, что может повлиять на число формируемых зерновок. К ним, в частности, относятся уменьшение размеров метелки и образование незрелых, маленьких и обесцвеченных колосков у риса. Последнее характерно также для пшеницы, но при более глубоком водном дефиците.
Опыление, оплодотворение и формирование семян. Этот период репродуктивного развития особенно чувствителен к засухе у риса и кукурузы. У риса водный стресс при цветении может снизить К на 60%, причем главным образом в результате снижения закладки зерновок. Аналогичный результат достигается также при суховеях. В указанных случаях метелки не появляются из оберток флаговых листьев, цветение затягивается, снижается доля колосков, открытых при цветении. Только трудности, связанные с появлением метелок, вызывают почти 25—30%-ю стерильность колосков, поскольку они не завершают цветение и процесс оплодотворения (рис. 6.14).
Колоски у риса легко теряют влагу, что приводит к высыханию и сморщиванию пыльников, снижению количества жизнеспособной пыльцы и в конечном счете к неудачному оплодотворению. Снижение озерненности метелки частично обусловлено также абортацией зерновок непосредственно после оплодотворения, хотя по отдельности вклад как неудачного оплодотворения, так и абортивности семян в конечную продуктивность неизвестны.
Что касается кукурузы, снижение зерновой продуктивности при наступлении водного стресса в период цветения можно объяснить целым рядом причин. Для успешной закладки семян прежде всего необходим быстрый рост репродуктивных органов, особенно початка. Водный стресс непосредственно перед цветением ингибирует сильнее рост початка и столбиков пестиков цветка, нежели метелки. Это приводит к асинхронности готовности к опылению и, естественно, к неэффективному опылению. Ингибирование появления метелки также тормозит опыление. Водный стресс в период цветения кукурузы не влияет на жизнеспособность пыльцы или ее способность к оплодотворению, но может вызвать снижение восприимчивости рылец пестиков цветка к оплодотворению. Даже если развитие гамет и цветка протекает нормально и количество пыльцы не является лимитирующим, число зерновок в початке может снизиться только из-за обезвоживания в течение нескольких дней цветения. Неудачи в закладке зерновок обусловлены не ингибированием прорастания пыльцы, роста пыльцевой трубки или оплодотворения, а неспособностью вновь сформированной зиготы выжить более 2—3 дней. Деление клеток в проэмбрио- и эндосперме начинается, а семенная оболочка не дифференцируется. Подобный тип абортации зиготы происходит, даже если растения в варианте с засухой перед опылением поливают. В результате прорастание пыльцы и оплодотворение происходят при высоком водном потенциале. Очевидно, некоторые процессы развития зиготы в женском цветке при низком водном потенциале нарушаются необратимо.
Рост и созревание зерновки. Общий ход развития зерновки можно разделить условно на три фазы: I, II, III (рис. 6.15).
Первая фаза представляет собой период активного деления и дифференциации клеток и характеризуется быстрым увеличением сырой массы зерновки и ее размеров, обусловленным осмотическим поступлением воды. У пшеницы эта фаза длится 14—29 дней после цветения. Именно в этот период определяются потенциальные размеры зерновки. Главными при этом являются число клеток эндосперма и зоны синтеза крахмала в них.
Следующая за ней и несколько перекрывающая ее вторая фаза — период налива зерновки характеризуется быстрым накоплением сухой массы в результате отложения запасных веществ, преимущественно крахмала. Сырая масса зерновки в этот период остается примерно постоянной, поскольку вода в клетках зародыша и эндосперма заменяется на накапливающиеся запасные вещества. В третьей фазе накопление сухих веществ тормозится, и происходит потеря воды.
Ингибирование деления и растяжения клеток. Дефицит воды в первой фазе (5—11 дней после опыления) сказывается прежде всего на потенциальных размерах акцептора. В этом случае происходит некоторое накопление зеина и крахмала, но зерновки прекращают свое развитие преждевременно, и поэтому не завершают налив.
Таким образом, потенциал акцептора у зерновых определяется в первой фазе и является функцией как числа клеток, так и числа крахмальных зерен в эндосперме. Хотя максимальный потенциал акцептора (зерновки) детерминирован генетически, реальная емкость акцептора определяется количеством поступающих ассимилятов и доминирующими погодными условиями. Число клеток эндосперма чувствительно к погодным условиям в период деления. Поэтому снижение продуктивности при засухе и в условиях повышенных температур на начальных этапах формирования зерновки объясняется главным образом меньшим числом клеток эндосперма или амилопластов. Это снижает крахмалонакопительную емкость эндосперма и, соответственно, скорость и продолжительность накопления сухого вещества.
Падение w листа, вызывающее абортацию зерен у кукурузы, ингибирует фотосинтез и приводит к снижению запасов углеводов в стеблях. He исключено, что причиной абортации является сокращение предложения углеводов во время оплодотворения. Это частично подтверждалось тем, что благодаря обогащению воздуха CO2 удалось предотвратить недобор урожая при засухе. Число зерновок при засухе снижается пропорционально уменьшению фотосинтеза. Хотя углеводы при этом продолжают накапливаться в вегетативных акцепторах (листья, стебель), их транспорт к генеративным органам сильно ограничен. Следовательно, раннее развитие зерновок зависит от поступления продуктов текущего фотосинтеза, а не от реутилизации запасенных в вегетативных структурах веществ. Концентрация сахаров в завязи при стрессе постоянна, а поглощение сахара завязями, выделенными из растений при стрессе, снижено.
Таким образом, закладка семян зависит скорее от скорости поступления к ним продуктов текущего фотосинтеза, нежели непосредственно от концентрации сахаров. В связи с этим экспериментальные манипуляции, направленные на повышение накопления резервов углеводов перед цветением или уменьшение размеров акцептора для обеспечения фиксированной доступности ассимилятов, не снижают индуцированной дефицитом влаги потери урожая. Однако искусственное введение в стебель кукурузы раствора углеводов в количестве, компенсирующем потери в результате ингибирования фотосинтеза водным стрессом в фазе цветения, может предотвратить абортацию большинства (около 70%) зерновок. Это лишний раз подтверждает роль текущего фотосинтеза в предотвращении абортации зерновок при стрессе.
При этом нельзя недооценивать роль аттрагирующей силы самих зерновок, а также ингибирования при водном стрессе способности зерновок к утилизации ассимилятов, даже если они имеются. Снижение содержания крахмала — продукта метаболизации сахарозы в завязях лишь частично замедляется при введении сахарозы в стебель. Завязи, выделенные из растений при засухе, поглощают сахарозу с меньшей скоростью, чем при оптимальной влагообеспеченности. Абортация зерновок при введении сахарозы полностью не исключается. Интересно, что активность кислой инвертазы в завязи при стрессе сильно ингибируется, параллельно с прекращением роста завязи, накоплением сахарозы и уменьшением содержания редуцирующих сахаров. Абортация зерновок (и пыльников) при водном стрессе может быть обусловлена метаболическим блоком в результате снижения активности инвертазы.
Преждевременное замедление налива зерновки. После формирования потенциала акцептора и начала накопления крахмала и белка зерновкой (вторая фаза) засуха может снизить конечные размеры зерновки путем лимитирования скорости и продолжительности процесса отложения в запас. Обезвоживание тканей и высокие температуры, сопровождающие водный стресс, оказывают влияние на налив зерновки, приводя к преждевременному созреванию и сокращению периода налива. Обычно дефицит влаги оказывает незначительное влияние на скорость роста зерновки, в то время как высокие температуры ускоряют ее. Сочетание обоих факторов вызывает преждевременное замедление налива зерновки, что может быть обусловлено поступлением в нее недостаточного количества ассимилятов из-за ускоренного старения листьев, уменьшением аттрагирующей способности акцептора или преждевременным обезвоживанием зерновки.
У зерновых культур первые 6—14 дней после цветения создают потенциал для последующего развития зерновки. При этом ни высокие температуры, ни дефицит влаги не влияют на поступление сахарозы в эндосперм. Таким образом, доступность ассимилятов не является лимитирующим фактором. Вместе с тем определенную роль могут играть фитогормоны, особенно АБК и цитокинин. Водный дефицит в течение первой недели после оплодотворения кукурузы повысил концентрацию АБК в зерновке примерно в 8 раз. АБК, видимо, имеет материнское происхождение и снижается до контрольного уровня после налива. Временное увеличение концентрации АБК практически не сказывается на активности инвертазы, сахарозосинтазы и крахмалсинтазы in vitro и последующем накоплении крахмала. Вместе с тем увеличение содержания АБК в апикальных зерновках початка при стрессе, как и при низкой температуре, коррелировало с ингибированием деления клеток эндосперма и со снижением крахмалсинтезирующей способности. Экзогенная АБК оказывает сходное негативное влияние, т. е. увеличение концентрации АБК в эндосперме может увеличить потенциал эндосперма в зерновке.
Цитокинины, в отличие от АБК, оказывают положительное влияние на потенциал акцептора, что показано на кукурузе, рисе, ячмене и пшенице. Содержание зеатина и зеатинрибозида после оплодотворения увеличивалось до 500 раз. Хотя максимальное содержание цитокининов коррелировало с размерами зерновки, причинных связей между этими двумя параметрами не установлено. Обработка цитокинином увеличивает завязываемость семян, а в некоторых случаях также зерновую продуктивность. Однако обработку цитокинином в этом случае проводили до начала периода быстрого деления клеток, что благоприятствовало развитию соцветий и зиготы на ранних этапах. Отсутствуют данные о том, что максимальное содержание цитокинина в зерновках при водном стрессе снижается, как и то, что обработка цитокининами в период быстрого деления клеток эндосперма дает преимущество. Подобная информация могла бы прояснить роль цитокининов или соотношения содержания цитокининов и АБК в сохранении аттрагирующей способности зерновки при стрессе.
Когда деление в эндосперме завершено и зерновка вступает в линейную фазу роста, механизм накопления запасных веществ для оставшегося периода роста запущен. Дефицит воды оказывает небольшое влияние на скорость роста зерновки, но часто сокращает продолжительность периода налива. Гормональная регуляция вовлечена в детерминацию продолжительности налива зерновки, что вытекает из коррелятивных связей между содержанием АБК и отложением белков в запас, белками позднего эмбриогенеза (LEA) и приобретенной устойчивостью к обезвоживанию. Однако есть данные о том, что реакции на АБК в конце налива зерновки индуцированы самой дегидратацией, а не предшествующими гормональными сигналами. Сейчас важно понять, каким образом засуха в период налива влияет на водный режим зерновки и ее обезвоживание.
Конечная сухая масса зерновки и максимальное содержание воды в ней в период налива тесно коррелируют (r2 = 0,86), причем характер корреляции видонеспецифичен. Зерновки тритикале накапливают намного меньше сухой массы, чем можно было бы ожидать на основе их потенциального объема. Диапазон колебаний содержания воды в зерновках кукурузы был наибольшим среди культур и составил около 150 мг (рис. 6.16).
Интересно, что динамика содержания воды в процессе развития зерновки неодинакова у разных видов. У кукурузы и тритикале происходит снижение оводненности зерновки в период быстрого ее налива. Оводненность зерновок пшеницы, ржи и ячменя, напротив, остается относительно постоянной в процессе налива и начинает снижаться только после достижения максимальной сухой массы зерновки. Указанное снижение у зерновок пшеницы, в частности, обусловлено подавлением поглощения воды. Однако независимо от механизмов обезвоживания тканей, отсутствие воды на поздних этапах развития зерновки может лимитировать синтез запасных веществ даже при наличии ассимилятов. Если это действительно так, общая динамика накопления сухой массы зерновкой в расчете на единицу массы воды в ней не должна зависеть от вида, генотипа и условий выращивания. Сильная вариация конечной сухой массы зерновки даже в пределах вида указывает на различия в генетическом потенциале и роли условий выращивания. Заслуживает внимание тот факт, что накопление сухой массы прекращалось при примерно одной и той же влажности зерновок независимо от генотипа и влагообеспеченности, соответственно при 30 и 40% для зерновок кукурузы и пшеницы. Это постоянство указывает на то, что общий механизм может контролировать прекращение роста зерновок и что этот механизм связан с водным режимом зерновки. Можно также предположить, что быстрый синтез конечных продуктов (крахмала, белка, жира) во время налива требует оптимальной координации доступности субстрата, фермента, трансляции и транскрипции. Снижение любого из этих факторов при обезвоживании зерновки может привести к торможению или даже прекращению накопления сухой массы. Как при оптимальном, так и недостаточном влагообеспечении прогрессирующая потеря воды из эндосперма вызывает быстрое снижение ws эндосперма и зародыша в конце налива. Концентрации сахарозы и аминокислот в эндосперме зерновок кукурузы, пшеницы, ячменя и тритикале остаются относительно постоянными в линейную фазу налива зерновки, а затем по мере снижения оводненности возрастают.
Активность ферментов углеродного и азотного метаболизма в эндосперме снижается в конце налива. Опыты in vitro показывают, что обезвоживание семян сильно ингибирует активность ферментов, но только в практически сухих семенах. Интересна реакция других культур на засуху в фазу генеративного развития.
У сои при дефиците влаги во время цветения и формирования бобов снижается число плодов и семян на растении. Особенно большое влияние на урожай оказывает дефицит влаги во время налива семян. В этом случае усиливается опадание листьев и ускоряется созревание. Сокращение периода налива семян может оказать большее негативное влияние на урожайность, чем прямое действие водного стресса на фотосинтез. Если при дефиците влаги во время цветения и формирования бобов снижается число плодов и семян, то во время налива семян — масса одного семени. Установлено, что засушливые условия до цветения сильнее угнетают формирование клубеньков, чем недостаточная влажность почвы после него. При этом рост клубеньков угнетается не только непосредственно из-за недостатка влаги, но и вследствие снижения фотосинтеза у растения-хозяина и, соответственно, количества поставляемых углеводов.
У подсолнечника критическим для формирования урожая семян и масла является период эмбрионального роста зародышей семян. В условиях засухи эмбриональный рост обеспечивается ускоренным отмиранием нижних листьев, расходованием за этот период запаса влаги, накопленного клетками сердцевинной паренхимы стебля. Однако основным источником воды в это время является поглощение корнями труднодоступной влаги из почвы. Это в значительной мере обусловлено способностью корней проникать в почву на глубину 2—3 м. Интересно, что в сравнимых условиях TK подсолнечника был почти вдвое выше, чем у кукурузы. Хотя высокие значения TK считают показателем плохой приспособленности культуры к засушливому климату, подсолнечник относится к числу достаточно засухоустойчивых культур: его успешно выращивают при низкой влагообеспеченности, когда возделывание кукурузы неэффективно.
У льна-долгунца период от фазы елочки до конца фазы цветения в значительной степени определяет величину и качество урожая. Даже кратковременное действие засухи в этот период приводит к снижению ИФ в 1,5 раза, замедляет экспорт ассимилятов из листьев и приток их в стебель. В результате снижается масса и наружной, и внутренней частей стебля. Особенно губительно влияние засухи в период быстрого роста, причем именно для клеток лубяных волокон. Это приводит к снижению урожая и выхода волокна, причем «слабое звено», формирующее неоднородность волокна, расположено в участке стебля, находящемся выше точки слома в момент действия засухи.
Источник