Динамика показателей развития солевого стресса у овса посевного при разном уровне рН корневой среды
О.А. Четина, А.К. Арисова
Аннотация
Актуальность и цели. Развитие процесса засоления почв может сопровождаться как снижением, так и повышением рН; при этом растения испытывают комплексный стресс (солевой + щелочной стресс, солевой + кислотный стресс). Цель исследований - проследить динамику содержания перекиси водорода, пероксидазной активности и содержания пролина в листьях овса посевного под воздействием NaCl на фоне кислой, нейтральной и щелочной реакций корневой среды. Материалы и методы. В качестве объекта исследования использовали овес посевной Avena sativa L. Растения выращивали на вермикулите в течение 6 дней, далее добавляли стресс-факторы, в качестве которых использовали растворы, сочетающие засоление NaCl (200 мМ) и разные уровни рН (рН 3, рН 6.5, рН 10). Щелочная среда создавалась глицин-KOH буфером, кислая - уксусной кислотой. После стресс-воздействия в течение 48 ч в листьях растений определяли содержание перекиси ферротиоцианатным методом, пероксидазную функцию - по методу Бояркина, пролин - по методу Бейтса.
Результаты. При воздействии засоления NaCl на фоне нейтральной реакции среды высота растений была ниже контрольного варианта только через 48 ч наблюдений; в листьях овса наблюдали изменчивость в содержании перекиси, повышение активности пероксидаз и накопление пролина. В варианте NaCl на щелочной среде высота овса не отличалась от высоты растений на фоне щелочной реакции среды; в отдельные сроки наблюдений в листьях овса отмечено повышение активности пероксидаз и накопление пролина. Засоление на фоне кислой реакции среды способствовало снижению высоты растений овса; в листьях не повышалась активность пероксидаз, а накопление пролина отмечали только через сутки после стресс-воздействия.
Выводы. На фоне нейтральной, щелочной и кислой реакции среды отмечена разная степень проявления солевого стресса. Повышенное угнетение и слабые ответные реакции растений свидетельствуют о наиболее негативном воздействии солей на фоне кислой реакции среды.
Ключевые слова: солевой стресс, кислая и щелочная реакция, перекись водорода, пероксидаза, пролин.
Abstract
Dynamics of salt stress parameters in cultivated oat with different pH levels of root environment
O.A. Chetina, A.K. Arisova
Background. The development of the process of soil salinization can be accompanied by both a decrease and an increase in pH; at the same time, plants experience complex stress (salt + alkaline stress, salt + acid stress). The purpose of the research is to trace the dynamics of hydrogen peroxide content, peroxidase activity and proline content in oat leaves under the influence of NaCl against the background of acidic, neutral and alkaline reactions of the root environment. Materials and methods. The oat Avena sativa L. was used as the object of study. Plants were grown on vermiculite for 6 days, then stress factors were added, which were solutions combining NaCl salinity (200 mM) and different pH levels (pH 3, pH 6.5, pH ten). The alkaline medium was created with a glycine-KOH buffer, and the acidic medium was created with acetic acid. After stress exposure for 48 hours, peroxide content was determined in plant leaves by the ferrothiocyanate method, peroxidase function - by the Boyarkin method, proline - by the Bates method.
Results. When exposed to NaCl salinity against the background of a neutral reaction of the environment, the height of the plants was lower than the control variant only after 48 hours of observation; in oat leaves, variability in the content of peroxide, an increase in the activity of peroxidases, and the accumulation of proline were observed. In the NaCl variant on an alkaline medium, the height of oats did not differ from the height of plants against the background of an alkaline reaction of the medium; in some periods of observation, an increase in the activity of peroxidases and the accumulation of proline were noted in oat leaves. Salinization against the background of an acid reaction of the environment contributed to a decrease in the height of oat plants; the activity of peroxidases did not increase in the leaves, and the accumulation of proline was noted only a day after the stress exposure.
Conclusions. Against the background of neutral, alkaline and acid reactions of the environment, different degrees of manifestation of salt stress were noted. Increased inhibition and weak plant responses indicate the most negative effect of salts against the background of an acidic environment.
Keywords: salinization, acid and alkaline reaction, hydrogen peroxide, peroxidase, proline.
Введение
Изучение физиологии стресса и механизмов устойчивости у растений является актуальнейшей проблемой современной физиологической науки. В результате хозяйственной деятельности человека создаются новые неблагоприятные условия для растений (загрязнение тяжелыми металлами, нефтепродуктами, глобальное потепление и др.), которые в сочетании с природными факторами создают новые риски в производстве продуктов питания, в технологиях озеленения и восстановления ландшафтов. Развитие солевого стресса и механизмов толерантности у растений уже несколько десятилетий находится в центре внимания исследователей [1-3].
В природных и техногенных ландшафтах развитие засоления может сопровождаться как снижением, так и повышением рН [4]. При этом растения испытывают комплексный солевой и щелочной стресс, солевой и кислотный стресс, а адаптивные механизмы направлены на осморегуляцию, защиту от избытка засоляющих ионов и окислительных радикалов, рН-регуляцию. В ряде работ обосновано усиленное негативное воздействие на растения щелочных солей (NaHCO3 и Na2CO3), по сравнению с нейтральными солями (NaCl и Na2SO4) [5, 6]. Ответная реакция растений на засоление при разной кислотно-щелочной реакции корневой среды изучена недостаточно.
Цель наших исследований - проследить реакцию растений овса посевного на воздействие засоления NaCl на фоне разной кислотно-щелочной реакции корневой среды по содержанию перекиси водорода, пероксидазной активности и содержанию пролина в листьях. Первые два показателя характеризуют ответную реакцию растений на окислительный стресс [7, 8]; а пролин - обладает многофункциональной активностью, участвует в осморегуляции, выполняет протекторную и рН- регуляторную роль [9, 10].
Материалы и методы
В качестве объекта исследования использовали несортовой овес посевной Avena sativa L.
Предварительно замоченные семена овса высаживали в умеренно увлажненный вермикулит в контейнеры размером 16*12*7 см. Растения в течение 5 дней выращивали при температуре 25 °С и длине светового дня - 18 ч. На 6-й день в вермикулит вносили кислые (рН 3) и щелочные (рН 10) растворы. В вариантах опыта с засолением растворы с разной рН среды содержали NaCl в концентрации 200 мМ. В контрольном варианте растения поливали дистиллированной водой (рН 6,5).
Кислую среду растворов (рН 3) создавали уксусной кислотой, щелочную среду растворов (pH 10) - глицин-KOH буфером. Реакцию среды в вермикулите контролировали путем измерения на иономере в течение двух суток; через 24 ч она оставалась устойчивой, через 48 ч кислотность и щелочность среды изменялись в нейтральную сторону на 0,5 рН.
После стресс-воздействия через определенные интервалы времени (1, 2, 3, 4, 5, 6, 16, 24 и 48 ч) отбирали пробы зеленых листьев для определения содержания перекиси и пероксидазной функции. Определение количества перекиси проводили ферротиоцианатным методом [11], пероксидазной функции - по методу А. Н. Бояркина [12]. Пролин определяли в сухих пробах листьев - по методу Бейтса [13]. Биологическая и аналитическая повторность определения физиолого-биохимических показателей - трехкратная. Значимость различий между вариантами опыта оценивали дисперсионным непараметрическим методом (критерий Крускал - Уоллиса); значимыми считали различия между сравниваемыми средними величинами с доверительной вероятностью 95 % и выше (Р < 0,05).
Высоту растений замерили по вариантам опыта в 30-кратной повторности через 24 и 48 ч после стресс-воздействия; существенность различий между вариантами оценили статистически по критерию Стьюдента (Р < 0,05).
Высота надземной части растений
Через 24 ч после стресс-воздействия высота надземной части растений в вариантах с кислой и щелочной средой была меньше контрольного варианта (рис. 1,а). В условиях кислотного стресса высота растений была наименьшей в оба срока наблюдений, на 12-15 % ниже относительно контрольного варианта (Р варьировал в диапазоне 0,001-0,013). На фоне щелочной реакции корневой среды наблюдалось снижение на 7 % через 24 ч после воздействия стресс-фактора (Р = 0,015), через 48 ч значимых различий с контрольным вариантом не обнаружено (Р = 0,116).
При воздействии засоления NaCl 200 мМ на фоне нейтральной реакции среды через 24 ч не наблюдалось статистически значимых различий с контрольным вариантом по высоте надземной части (Р = 0,347) (рис. 1,6). Через 48 ч отмечено угнетение растений и снижение высоты на 14 % относительно незасоленного варианта опыта (Р = 0,003).
Засоление на фоне кислой реакции корневой среды не оказало значимого влияния на высоту надземной части растений в оба срока наблюдений (Р = 0,287-0,460) (рис. 1,в). В варианте с засолением на щелочной среде через 24 ч после стресс-воздействия не наблюдали значимого влияния на высоту растений (Р = 0,098), но через 48 ч высота овса была ниже на 7,5 % относительно незасоленного щелочного варианта опыта (Р = 0,03) (рис. 1,г).
Содержание перекиси водорода в листьях растений
После добавления кислых и щелочных растворов в корневую среду содержание перекиси водорода (рис. 2,а) через 1 ч снижалось на фоне рН 10 (на 34 % относительно контроля) (Р = 0,030), затем значительно возрастало через 3 часа(на кислой среде на 57,5 % (Р = 0,028), а на щелочной среде - на 34 % (Р = 0,042). В последующие часы наблюдений уровень перекиси постепенно снижался и через 24 ч приблизился к контрольному уровню (Р = 0,130-0,260). В целом в условиях кислой корневой среды перекиси в листьях овса накапливалось больше, чем в щелочных условиях.
Рис. 1. Высота надземной части растений овса посевного при засолении NaCl и разном уровне рН корневой среды: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 6,5 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
Рис. 2. Динамика содержания перекиси в надземных органах растений при засолении NaCl и разном уровне рН корневой среды: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 6,5 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
Под воздействием засоления NaCl на фоне нейтральной реакции корневой среды (рис. 2,б) в отдельные сроки наблюдалось увеличение количества перекиси в листьях овса относительно контрольного варианта: через 3 ч - на 25 % (Р = 0,028) и через 5 ч - на 11 % (Р = 0,047), в остальные сроки значимых различий с контролем не отмечалось (Р = 0,10-0,350). Через 24 ч после стресс-воздействия содержание перекиси снизилось на 36 % (Р = 0,028), через 48 ч - на 26 % относительно контрольного варианта (Р = 0,029).
Под воздействием засоления на фоне кислой реакции корневой среды в течение первых 5 ч отмечено снижение уровня перекиси водорода в листьях на 23-47 % относительно растений в незасоленном кислом варианте опыта (Р = 0,028-0,036) (рис. 2,в). В последующие сроки наблюдений эти варианты опыта не имели значимых различий (Р = 0,070-0,090).
В варианте с засолением и щелочной реакцией корневой среды (рис. 2,г) наблюдалось снижение количества Н2О2 в растениях относительно незасоленного щелочного варианта через 3 и 48 ч после стресс-воздействия, на 19 % (Р = 0,030) и 37,5 % (Р = 0,030) соответственно. В остальные сроки наблюдений по количеству перекиси между засоленными и незасоленными вариантами опыта на фоне щелочной реакции среды не выявлено значимых различий (Р = 0,06-0,43).
Активность пероксидазы в листьях растений
В условиях кислой реакции корневой среды в первые 6 ч после стресс- воздействия в активности пероксидазы в листьях овса не наблюдалось значимых различий с контрольным вариантом опыта (Р = 0,157-0,500) (рис. 3,а). Но через 24 ч и 48 ч в условиях кислотного стресса отмечено усиление перок- сидазной функции в растениях на 56 % (Р = 0,030) и на 72 % (Р = 0,030) соответственно. При щелочном стрессе прирост активности пероксидазы на 25 % наблюдался через 2 ч (Р = 0,029), наибольший прирост активности на 59 % - через 48 ч (Р = 0,030), по сравнению с растениями в варианте с нейтральной реакцией среды.
Рис. 3. Динамика пероксидазной функции в надземных органах растений при засолении NaCl и разном уровне рН корневой среды: а - варианты опыта с различным уровнем рН корневой среды; б - варианты опыта с засолением NaCl при нейтральном уровне рН; в - варианты опыта с засолением NaCl и рН 3; г - варианты опыта с засолением NaCl и рН 10. Звездочкой отмечены значимые различия между вариантами опыта в каждый временной промежуток: а - между вариантом рН 6,5 и вариантами рН 3, рН 10; б, в, г - между вариантами с засолением и без него при каждом уровне рН
При засолении NaCl и нейтральной реакции корневой среды во все сроки наблюдений наблюдалось существенное усиление активности пероксидаз в листьях относительно растений в контрольном варианте опыта (рис. 3,б). Наибольшая активность пероксидазы зафиксирована через 4 ч после стресс-воздействия (в 2,7 раза выше контрольного уровня) (Р = 0,031).
В условиях солевого стресса на кислой реакции корневой среды не установлено изменений пероксидазной функции в листьях овса по сравнению с растениями в незасоленном кислом варианте опыта (рис. 3,в) (Р = 0,066-0,500).
Засоление корневой среды на щелочном фоне способствовало усилению пероксидазной функции через 3-4 ч на 24-27 % (Р = 0,031-0,036), через 48 ч - на 38 % относительно незасоленного щелочного варианта опыта (Р = 0,029) (рис. 3,г). В остальные временные интервалы активность пероксидаз в листьях по вариантам опыта не имела значимых различий (Р = 0,130-0,425).