Секция – биологические науки,

подсекция биохимия и биофизика

Цандеков П.А.

доцент кафедры биологии, экологии и безопасности жизнедеятельности Крымского инженерно-педагогического университета

Биофизические методы оценки зимостойкости

в селекции растений

Для ускорения селекции устойчивых к неблагоприятным условиям внешней среды растений в последние годы успешно разрабатываются косвенные методы определения зимостойкости сортов, основанные на достижениях в области биохимии, физиологии и биофизики.

В селекции клевера лугового на современном этапе все большее значение приобретают физиологические исследования исходного материала, основу которого составляют сложные по биотипическому составу популяции. На базе изучения изменчивости и взаимосвязи признаков в популяциях клевера, всесторонней физиолого-биохимической оценке входящих в их состав биотипов, изучения физиологических основ высокой зимостойкости и продуктивности могут быть выявлены перспективные формы для селекции новых сортов, разработаны методы ускоренной оценки и отбора.

Что же происходит в растении в период воздействия экстремального фактора?

Прежде всего, нарушается сущность внутренних физиолого-биохимических процессов, обуславливающих высокую устойчивость растений. Одним из показателей, незамедлительно реагирующих на воздействие возмущающего фактора, является спонтанное сверхслабое свечение.

Способность живых организмов к “свечению” человек наблюдал еще в древние времена, и высказывались предположения, что в биологических системах должно наблюдаться слабое излучение универсального типа, свойственное всем клеткам и являющееся отражением происходящих в них энергетических процессов [7]. Изучение этого свойства у различных растительных организмов показало широкую универсальность обнаруженного явления, названного сверхслабым [8].

В результате проведенных многочисленных исследований установлено, что сверхслабое свечение присуще всем живым системам, оно является следствием протекающих в клетках и тканях реакций окислительного характера. Это свечение представляет большой интерес в связи с возможностью использования его для получения от живых клеток информации об их физиологическом состоянии и физико-химических процессах, происходящих в них [1].

Изучая модели и субстраты окисления, извлеченные из клеток, было установлено, что по спектральным характеристикам это биологическое излучение ближе всего стоит к излучению липидов [6]. Было показано, что наиболее интенсивным источником этого излучения являются фракции клеток содержащие липидные системы (легкие фракции гомогенатов органов, митохондрий и т.д.). В результате высказано предположение, что по сверхслабому излучению можно получить информацию о протекании окислительных процессов в этом субстрате. При отрицательных температурах, например, в тканях растений как внутри клеток, так и в межклеточных пространствах образуются кристаллы льда, которые вызывают механическое повреждение тканей, нарушение компартментации клетки [5], того упорядоченного расположения молекул, которое обеспечивает согласованное протекание биохимических реакций. В результате повреждения тканей происходит накопление окислителей. Избыточное накопление окислителей сопровождается резким возрастанием сверхслабого свечения [3].

Результаты наших исследований оценки физиологического состояния растений на примере различных по устойчивости сортов клевера лугового в моделируемых и полевых условиях позволили выявить зависимость интенсивности сверхслабого свечения от сортовых особенностей и вида неблагоприятного фактора. Причем, морозостойкость растений клевера лугового динамичное свойство и ее уровень колеблется в отдельные годы в зависимости от комплекса условий, складывающихся в осенне-зимний период. При этом резкие колебания температуры в середине зимы приводили к ухудшению физиологического состояния растений и интенсификации окислительных процессов, следствием чего явилось увеличение сверхслабого свечения. При стабилизации погодных условий наблюдалось уменьшение интенсивности свечения, обусловленное, по-видимому, восстановлением первоначальной структуры клеточных мембран. В период выхода растений из состояния покоя и активации ростовых процессов наблюдалось увеличение интенсивности свечения, особенно у слабозимостойких сортов клевера лугового, что было обусловлено повреждающим действием зимне-весенних факторов.

Исследованиями многих ученых установлена прямая связь между морозостойкостью и проницаемостью мембран растительных клеток. Различные изменения, происходящие при замерзании, объясняются нарушением проницаемости мембран. В результате этих нарушений происходит выход электролитов в водную среду. По удельной электропроводности экстракта растительного материала можно судить о способности вида, сорта противостоять действию неблагоприятного фактора внешней среды [4].

Следует отметить, что сопротивление (электропроводность) дистиллированной воды в подобных случаях изменяется в основном за счет неорганических ионов. А в результате нарушения проницаемости клеточных мембран происходит усиленный выход из клеток и тканей не только электролитов, но и различных органических соединений. Учитывая вышеизложенные обстоятельства, для изучения процессов, происходящих в результате повреждения клеточных мембран, нарушения их проницаемости в течение периода перезимовки, в нашей работе был использован разработанный нами так называемый “двойной” метод [2].

Метод основан на использовании в качестве сигнала двух показателей: электрохемилюминесценции (ЭХЛ) и электропроводности (ЭП), характеризующих внутреннее состояние растительного организма при влиянии неблагоприятных факторов внешней среды. Первый показатель указывает на выход органических веществ, второй – неорганических, в результате повреждения целостности клеточных мембран.

Таким образом, использование комплекса биофизических показателей позволяет проследить за изменением стационарного режима внутриклеточных окислительных процессов, выявить общую реакцию организма на воздействие неблагоприятных факторов и нарушения клеточных структур, вызванных последними. Сверхслабое свечение тканей, электрохемилюминесценция и электропроводность раствора органических и неорганических веществ, вышедших из растительных тканей в результате нарушения проницаемости клеточных мембран под действием неблагоприятных факторов, позволяет оценить состояние растений в процессе перезимовки и вывить периоды их повреждения.

Список литературы

1. Агавердиев А.Ш. Информационное значение некоторых квантометрических методов при исследовании вляиния внешних факторов на жизнедеятельность растений.- Материалы IV Международного биофизического конгресса. М., 1972, с.365-366

2. Агавердиев А.Ш., Шарикова Л.А., Цандеков П.А. Биофизические критерии оценки состояния растений клевера лугового в период перезимовки. С/х биология, №3, “Агропромиздат”, 1985, с.113-117

3. Мерзляк М.Н., Юферова С.Г., Соболев А.С. Роль супероксидных анион-радикалов кислорода в реакциях фотопереокисления липидов изолированных хлоропластов. – Биофизика, 1977, т.22, вып.5, с.846-849

4. Палта Дж.П., Ли П.Х. Свойства клеточных мембран в связи с повреждениями при замерзании.- В кн.: Холодостойкость растений. М.: Колос, 1983, с.79-84

5. Самыгин Г.А. Причины вымерзания растений.- М.: Наука, 1974, 190 с.

6. Тарусов Б.Н., Журавлев А.И. Биолюминесценция липидов.- В кн.: Тр. Симп. “Биолюминесценция”. М.: Наука, 1965, с.7

7. Тарусов Б.Н., Веселовский В.А. Сверхслабое свечение растений и их прикладное значение.- М.: МГУ, 1978, 149 с.

8. Цандеков П.А. Механизм адаптации растений к неблагоприятным условиям внешней среды. Тезисы докл. X научно-теор. конфер. КГИПУ, Симферополь, 2005, с.142-143

9. Collini L., Faccini U. Light emission by germinating plants. Nuevo-Cimento, 1954, 12, 1, p. 150