Некоторые морфометрические параметры Avena sativa и содержание в нем пролина при засолении NaCl на фоне кислой и щелочной реакции почвенной среды

Засоление является одним из основных абиотических факторов, действие которого приводит к угнетению роста и развития растений, снижению их продуктивности. Глобальное потепление и опустынивание земель в значительной степени способствуют расширению масштабов почвенного засоления, которое в ближайшей перспективе может только прогрессировать. Повышение устойчи-

вости растений к засолению пахотных земель является одной из ключевых задач современного сельскохозяйственного производства [Аверина и др., 2014].

В почвах накопление солей может сопровождаться увеличением щелочности, техногенное засоление развивается и на фоне кислой реакции среды [Еремченко и др., 2017]. В свою очередь, для большинства сельскохозяйственных культур, в особенности для молодых растений, требуется благоприятная среда, близкая к pH 6.5. Снижение рН внешней среды на 1 единицу уменьшает рН цитоплазмы примерно на 0.1 единицы [Wilkinson et all., 1989]. С другой стороны, при увеличении рН внешней среды происходит осаждение ионов фосфора и металлов, увеличивается поглощение неорганических анионов, нарушается ионный баланс [Yang et all., 2008]. Поэтому и кислотный, и щелочной уровень рН корневой среды изменяет рН клеток и тканей. Уровень рН среды существенно влияет на фотосинтез, генерацию активных форм кислорода и усиление перекисного окисления липидов, проницаемость мембран и т.д. [Bhuyan et all., 2019; Shi, Sheng, 2005; Guo et all., 2015].

Одним из признанных маркеров устойчивости растения считается уровень пролина. Многочисленные публикации свидетельствуют в пользу его протекторного действия при стрессах. Свободный пролин при стрессе обладает полифункциональ-ным биологическим эффектом, который проявляется не только в осморегуляторной, но также и в антиоксидантной, энергетической и других функциях, обеспечивающих поддержание клеточного гомеостаза и его переход в новое адаптивное состояние [Кузнецов, Шевякова, 1999; Zhu, 2001; Shi, Sheng, 2005; Lv et al., 2013; Guo et al., 2015; Tomar, 2018; Bhuyan et al., 2019].

Таким образом, актуальность изучения механизмов адаптации растений к совместному воздействию засоления и кислотности / щелочности корневой среды, в том числе, с участием универсального осмопротектора – пролина, обусловлена тем, что эти факторы сочетаются в природных и техногенных почвах. В современной физиологии растений недостаточно изучена ответная реакция растений на комбинированное воздействие этих факторов корневой среды, особенно, сочетание засоления и кислотности [ Shi, Sheng, 2005; Liu, Shi, 2010; Lv et al., 2013 ] .

Целью данной работы являлось изучение морфометрических параметров Аvena sativa и оценка уровня накопления в нем пролина при засолении почвы NaCl на фоне кислой и щелочной почвенной среды.

Объект и методы исследования

Ответную реакцию овса посевного Avena sativa L. (несортовой) изучали в модельном эксперименте. Растения выращивали в контейнерах с дерново-подзолистой почвой (элювиальный горизонт) в различных сочетаниях pH-уровня и засоления NaCl. Исходная реакция почвы – 4.9 рН. Нейтральная среда почвенной среды до pH=7.1 создавалась путем добавления CaCO3, для подщелачивания до 8.2 использовали Na2CO3. Засоление NaCl создавалось в процентном отношении к сухому весу почвы. Контролем в опыте считали вариант без засоления с 7.1 рН.

Варианты опыта:

Без засоления	С засолением, %
pH=4.9	pH=4.9+0.5 NaCl	pH=4.9+1 NaCl
pH=7.1	pH=7.1+0.5 NaCl	pH=7.1+1 NaCl
pH=8.2	pH=8.2+0.5 NaCl	pH=8.2+1 NaCl

У растений в течение 8 дней с момента появле- ния всходов определяли всхожесть, длину и массу надземной части, площадь листовой пластины [по: Аникиев, Кутузов, 1961] в 30-кратной повторности. На 8-й день после появления всходов листья растений фиксировали при 105оС и досушивали при 60оС. В сухой массе изучили количество ионов Na+ – методом пламенной фотометрии, Cl- – мер-курометрическим методом, пролин – методом Бейтса – в 3-кратной биологической повторности. Данные обработаны с применением пакета статистических программ Stadia 8.0 и использованием методов описательной статистики, сдви-га/положения, непараметрической корреляции, регрессионного и дисперсионного анализов.

Результаты и их обсуждение

Максимальная всхожесть семян овса посевного наблюдалась в контрольном варианте нашего эксперимента. В варианте без засоления почвы при щелочной и кислой реакции среды всхожесть была на 8 и 17% ниже контроля соответственно. Значительное снижение всхожести наблюдалось в вариантах с засолением NaCl 0.5%; при этом на фоне нейтральной среды всхожесть была ниже в 6.6 раза, а при кислой и щелочной средах – в 13 раз. В вариантах с засолением почвы NaCl 1% семена не взошли.

Известно, что интенсивность роста является интегральным показателем состояния растений, отражающим функциональные и метаболические изменения в растении. При наблюдении за изменением длины надземной части растений установлено, что при кислой и щелочной среде без засоления достоверно снижалась скорость роста овса. На 8-й день после появления всходов высота растений была ниже 18% при щелочной среде и на 22% – при кислой среде относительно контроля (рис. 1).

Во всех вариантах засоление 0.5% NaCl способствовало значимому снижению высоты растений в каждый срок наблюдений по сравнению с контролем. На 8-й день после появления всходов в варианте с засолением при рН 7.1 длина надзем- ной части была на 34% меньше, чем без засоления; а при щелочной среде с засолением – ниже на 36% и при кислой с засолением – ниже на 45% по сравнению с незасоленными вариантами. Таким образом, сильнее всего подавлялся рост овса при сочетании засоления и кислой реакции корневой среды, что может быть связано не только с действием NaCl и кислотностью среды, но и с дополнительным негативным влиянием токсичных катионов, таких как A13+ и Mn2+ [Shavrukov, Hirai Yo, 2016]. В вариантах без засоления почвы при кислой и щелочной среде наблюдалось значимое уменьшение площади листовой пластинки во все сроки наблюдений относительно варианта с нейтральной средой (рис. 2); на 8-й день после появления всходов площадь листа овса посевного была ниже на 27 и 32% соответственно.

день с момента появления всходов

Засоление NaCl 0,5%

день с момента появления всходов

pH=7,1 (контроль)            pH=4,9 + 0,5% NaCl pH=4,9

pH=7,1 (контроль)       pH=8,2

pH=7,1 + 0,5% NaCl          pH=8,2 + 0,5% NaCl

pH=4,9

pH=7,1        pH=8,2

Рис. 2. Площадь листовой пластинки Avena sativa L. при разном уровне pH почвы и засолении

Рис. 1 . Длина надземной части Avena sativa L. при разном pH-уровне почвы и засолении

день с момента появления всходов pH=7,1                  pH=4,9 + 0,5%NaCl

pH=7,1 + 0,5%NaCl        pH=8,2 + 0,5%NaCl

Во всех вариантах с засолением 0.5% NaCl в каждый срок наблюдений отмечали значимое снижение площади листовой пластинки растений. На 8-й день после появления всходов в варианте с засолением при рН 7.1 площадь листа была меньше на 51%, при кислой среде – на 62%, при щелочной – на 57% относительно незасоленных вариантов.

Медленный рост позволяет растениям выживать при стрессе, так как освобождает множество ресурсов (строительных блоков и энергии) для реализации защитной программы, что, по-видимому, необходимо в условиях неблагоприятной реакции корневой среды. В исследованиях С. Yang [2009] отмечено уменьшение роста как кор- ней, так и побегов ячменя в щелочных условиях, снижение содержания воды и фотосинтетических пигментов. Аналогичное ингибирование роста при щелочном стрессе было также зарегистрировано у растений томата Solanum lycopersicum [Wang et al., 2011]. Кислотный стресс тормозит рост корней, что, в свою очередь, приводит к снижению поглощения воды и питательных веществ. Основными ограничениями для роста растений на кислых минеральных почвах являются токсичные концентрации минеральных элементов, таких как Al3+, H+, и/или низкая доступность минеральных питательных веществ [Marschner, 1991]. В исследованиях M.H.M.B. Bhuyan и др. [2019], у проростков пше- ницы, выращенных при рН 4.0 и 8.5, наблюдалось снижение содержания биомассы, воды и хлорофилла, в отличие от растений нейтральной среды.

Полученные данные по росту овса посевного в условиях засоления соответствуют мнению многих авторов о том, что солевой стресс оказывает отрицательное воздействие на ранних стадиях онтогенеза проростков, ингибируя процессы митотического цикла и тем самым замедляя развитие растений [Зайцева, 2009; Zhang, 2010; Mahmood, 2011; Shahri et all., 2012; Yousufinia et all., 2013; Pascaru et all., 2014; Гордеева, Татауров, 2017]. Подавление клеточного деления и особенно растяжения при действии неблагоприятных условий приводит к задержке роста растений, которую рассматривают как защитную реакцию. Устойчивые виды растений быстрее адаптируются к стрессу и восстанавливают рост [Белозерова, Боме, 2014].

Данные по массе надземной части овса посевного в вариантах опыта представлены на рис. 3. Максимальная масса растений зафиксирована в условиях щелочной реакции почвенной среды, как без засоления, так и при засолении 0.5% NaCl. Масса растений в вариантах с кислой и нейтральной средой не имела значимых различий (рис. 3).

pH=4,9        pH=7,1        pH=8,2

■ без засоления ■ засоление 0,5% NaCl

Рис. 3 . Масса надземной части Avena sativa L. (для одного растения) при разном уровне pH почвы и засолении

Увеличение массы растений на щелочной почве при общей тенденции снижения других ростовых показателей, скорее всего, связано с накоплением воды, что, в свою очередь, может быть обусловлено накоплением осмолитов в клетках. Так, в исследованиях китайских ученых [Shi, Sheng, 2005] отмечено, что содержание пролина, лимонной кислоты и Na+ увеличивалось в побегах подсолнечника с повышением уровня засоления и щелочности корневой среды. Лимонная кислота может выполнять функцию осмолита, а также регулировать рН в клетке. Rui Guo и др. [2010] также зафиксировали накопление органических кислот в проростках пшеницы при действии щелочного стресса.

При проведении эксперимента установлено значимое снижение массы растений на засоленных вариантах относительно незасоленных, при ней- тральной среде с засолением масса растений овса посевного была ниже на 40, при рН 4.9 и 8.2 – на 30%.

В условиях засоления торможение роста растений связывают также и с накоплением токсичных ионов Na+ и Cl- [Munns et al., 2006]. В ходе исследования обнаружено, что на почве без засоления с разным рН-уровнем больше всего ионов Cl- накапливается на щелочном фоне (на 70% больше контрольного варианта) (рис. 4). Между контролем и вариантом с кислой средой статистически достоверных различий не обнаружено.

При кислой и щелочной реакции среды и одновременном засолении 0.5% NaCl наблюдалась аккумуляция ионов хлора в листьях; при рН 4.9 их было больше в 1.5 раза, а при рН 8.2 – в 2.3 раза, что, по-видимому, связано с нарушением проницаемости мембраны. Кислотный и щелочной стрессы усиливают генерацию активных форм кислорода и перекисное окисление липидов, что отражается на проницаемости мембран [Yang, 2009; Bhuyan et al., 2019].

Содержание натрия

pH=4,9      pH=7,1

pH=8,2

■ без засоления ■ засоление 0,5% NaCl

Рис. 4 . Содержание свободных ионов Na⁺ и Cl^- в надземных органах Avena sativa L. при разном уровне pH почвы и засолении

Различный pH-уровень почвенной среды влияет и на количество натрия в надземной части овса. Статистически значимые различия обнаружены между контролем и вариантами pH 4.9 и 8.2; в варианте с кислой почвой количество натрия снижено на 32, с щелочной – выше на 54%.

При засолении почвы увеличение содержания ионов натрия в листьях овса наблюдалось при всех уровнях рН: при нейтральной среде – в 1.5 раза, при кислой и щелочной – в 1.8–1.9 раз соответственно. Известно, что состояние гиперосмотического шока заставляет растение поддерживать снижающееся осмотическое давление клеток путем поглощения катионов натрия и сопровождающего аниона хлора. Повышение концентрации этих ионов приводит к нарушению метаболических процессов из-за возникающего ионного дисбаланса и токсичности натрия [Палладина, 1999]. Кроме того, по данным Rui Guo и др. [2010] повреждение клеток, вызванное щелочным стрессом, может вызывать массовый приток Na+, что приводит к серьезному дефициту отрицательного заряда. Растения, пытаясь восстановить осмотический баланс, синтезируют органические кислоты в качестве контрионов. Для устранения ионного дисбаланса, возможно, накапливаются и анионы Cl- в листьях овса при щелочной почвенной среде.

В большинстве исследований феномен накопления пролина связывается с устойчивостью к стрессу [Франко, Мело, 2000]. Результаты нашего эксперимента показали, что содержание пролина в надземных органах овса посевного в вариантах без засоления при рН 4.9 и 8.2 достоверно ниже контрольного варианта (в 2.5–3 раза) (рис. 5).

без засоления засоление 0,5% NaCl

Рис. 5 . Содержание пролина в надземной части Avena sativa L. при разном уровне pH почвы и засолении

Максимальным содержанием пролина в надземных органах овса посевного отличались варианты с засолением. В варианте с нейтральной почвой его количество выше в 3 раза относительно контроля, что свидетельствует об осморегулятор-ной роли этой аминокислоты, и наиболее успешной адаптацией растений к засолению в условиях нейтральной реакции корневой среды.

В вариантах с засоленной почвой и при сочетании с кислой и щелочной реакцией среды количество пролина было больше, чем в контроле с соот- ветствующей рН (на 45 и 60%), но оставалось все-таки ниже, чем на нейтральной засоленной почве (практически в 2 раза).

Во многих исследованиях отмечается накопление пролина как при солевом, так и при кислотнощелочном стрессах. Так, в работах Shi, Sheng [2005] наблюдалась концентрация пролина в листьях подсолнечника при солевом и щелочном стрессах. Повышение содержания пролина в растениях риса прослежено при щелочном стрессе [Lv et al., 2013]. Кислые условия корневой среды способствовали накоплению пролина в листьях томатов [Tomar, 2018]. По Bhuyan и др. [2019] аккумуляция пролина в проростках пшеницы при кислотном и щелочном стрессах могла обеспечить защиту от окислительного повреждения и поддержать водный баланс растений.

В нашем эксперименте отличительной особенностью воздействия щелочной и кислой почвенной среды было снижение уровня пролина в листьях овса относительно нейтрального варианта. Роль пролина в рН-регуляции отмечалась в отдельных работах [ Zhu, 2001; Shi, Sheng, 2005; Lv et all., 2013; Tomar, 2018; Bhuyan et all., 2019 ] , но в нашем случае накопления пролина не происходит, а, следовательно, его роль в отсутствие засоления оказалась малозначительной. Снижение уровня пролина может также указывать и на повышенное его потребление в условиях стресса [Сергеева и др., 2011].

Заключение

Таким образом, результаты наших опытов показали негативное влияние засоления NaCl, кислой и щелочной почвенной среды на всхожесть семян и морфометрические показатели овса посевного. В вариантах со щелочной и кислой почвой рост растений овса был в среднем ниже на 20%, а листовая поверхность – на 30% относительно варианта с нейтральной почвой. При сочетании засоления с кислой и щелочной средой эти показатели состояния растений уменьшались практически еще в 2 раза.

Максимальная масса растений овса отмечена в варианте со щелочной почвой, как при засолении NaCl, так и без него. Увеличение массы при общей тенденции снижения других ростовых показателей, скорее всего, связано с накоплением воды, что, в свою очередь, может быть обусловлено аккумуляцией осмолитов в клетках.

Количество засоляющих ионов Na+ и Cl- в листьях овса увеличивалось во всех вариантах опыта с засолением почвы. Максимальное накопление этих ионов зафиксировано в условиях засоления и щелочной среды, что может быть связано с дополнительным внесением щелочной соли натрия, а также с нарушением проницаемости мембран.

Содержание пролина в надземных органах овса посевного возрастало при засолении почвы во всех вариантах рН-уровня, что связано с осмопротек-торными функциями этой аминокислоты. При выращивании овса на кислой и щелочной почве наблюдалось снижение количества пролина относительно варианта с нейтральной средой; следовательно, значение этого многофункционального протектора в адаптации овса посевного к отдельному действию неблагоприятной почвенной рН не прослежено.