Способы повышения устойчивости и изучение антиоксидантной активности представителей рода

В последние годы в озеленении стали чаще использовать различные декоративные интродуценты, в том числе виды рода Рододендрон из сем. Вересковых. Интродукция рододендронов в Центральном Черноземье ведется с 70-х годов в Ботаническом саду Воронежского государственного университета (ВГУ) [1], но остается множество нерешенных вопросов в аспекте адаптации их к условиям окружающей среды, недостаточно изучены их эколого-физиологические реакции. Поэтому важно исследовать такие реакции рододендронов в норме, чтобы иметь надежные контрольные данные для изучения их поведения в стрессовых условиях. Внедрение в озеленение городской зоны и выращивание этих растений в условиях техногенной нагрузки достаточно сложно, поскольку они нуждаются в кислой почве, но могут произрастать и на черноземе. Сохранение рН в пределах 7 в почвах с существенным содержанием тяжелых металлов предотвращает токсичность многих из них, но те же концентрации металлов при рН=5,5 и ниже могут стать летальными для растений [2]. Известно, что для многих видов рода Rhododendron L и других представителей семейства Ericaceae Juss. (вересковых) необходима реакция субстрата рН=4,5–6 [3]. Поэтому в условиях техногенного загрязнения увеличивается нагрузка на растения, произрастающие на кислой почве. А выращивание вересковых на черноземе в городской зоне и на территории промышленных предприятий может стать хорошей защитой от неблагоприятного химического воздействия. Другим способом улучшения состояния растений в условиях стресса можно считать преадаптацию: быстрое приспособление к внешнему воздействию после предварительного пребывания организма при более слабой нагрузке. Доказательством существования преадаптации у растений можно считать неспецифические защитные реакции, отмеченные многими авторами [4, 5]. Так, например, В.Н. Позолотиной с соавторами была отмечена неспецифичность ответа на действие привычного и нового фактора при оценке адаптационных возможностей семенного потомства из популяций, испытывающих умеренный химический и радиоактивный стресс, и выявлена специфичность реакции на оба фактора провокации в фоновой популяции (не испытывающей действия стресса). Растения, использующиеся в озеленении городской зоны, произрастают в условиях техногенного загрязнения различной интенсивности. Поэтому они должны быть преадаптированы к действию стресса, вызванному как техногенным загрязнением, так и резкими колебаниями погодных условий, которые часто отмечаются в последние годы. Для получения более точных данных и сравнения результатов исследований следует использовать в качестве контроля материал, собранный на экологически безопасной территории. Оценить экологическую обстановку и состояние растений в определенном районе можно различными химическими и биологическими методами. Однако применение новых методов требует их всесторонней проверки с помощью уже известных. Для этого необходимо всестороннее изучение материала контрольной территории. Антиоксидантную активность определяют как отражение действия всех присутствующих в объекте восстановителей органической природы связывают с влиянием стресса на организм [6]. Изучение данного показателя состояния растений – относительно новая методика, которая ранее не применялась для рода Rhododendron. В связи с этим целью исследований являлось изучение адаптивных возможностей по всхожести семян, особенностей роста сеянцев после обработки стимулирующими веществами и антиоксидантной активности представителей рода Rhododendron .

Материал и методика. Объектами исследований служили кустарники рододендронов исследуемых видов, произрастающие на территории Ботанического сада Воронежского государственного университета (ВГУ), который расположен в Центральном районе г. Воронежа и характеризуется невысокой техногенной нагрузкой. Материалом исследований служили семена, собранные с кустарников, и полученные из них проростки и сеянцы рододендронов. Посев рододендрона Ледебура и сихотинского производили в октябре 2008 года семенами, собранными в Ботаническом саду ВГУ (трехлетнего срока хранения). Для эксперимента по предпосевной обработке использовали семена рододендронов Ледебура (Rhododendron ledebourii Pojark.) и сихотинского (Rh. sichotense Pojark.) группового сбора (смесь семян 5 растений каждого вида). Семена были обработаны перед посевом: 1 вариант – 3% раствором перекиси водорода, 2 – 0,01% раствором перманганата калия, 3 (контроль) – водопроводной водой. Рододендроны обладают поверхностной корневой системой, поэтому для выращивания сеянцев первого-второго года достаточно использовать субстрат (верховой торф) слоем 10–15 см. Проростки пикировали в стадии 3–4 или 4–5 настоящих листьев двумя способами: в стеллаж, заполненный верховым торфом из Бобровского района Воронежской области (рН=4,8 слоем 15 см), и в ящики с прессованным торфом (производства ЗАО Росторфинвест, Москва, рН=5,5–6,6 слоем 10 см). Фиксировали размер под- и надземной частей растений в стадии 3–4 настоящих листьев. В марте 2009 года производили замеры длины сеянцев. Статистическую обработку результатов проводили на ПЭВМ типа IBM PC/AT с использованием пакета программ “Stadia”. Процедура группировки данных и их обработка изложены в работе А.П. Кулаичева [7]. Варьирование оценивали с использованием коэффициента вариации (КВ) согласно рекомендациям Г.Ф. Лакина [8]. Антиоксидантную активность (АОА) представителей рода Rhododendron L. определяли по окислительно-восстановительному методу, основанному на воздействии восстановителей органической природы, присутствующих в анализируемом объекте, на индикаторную систему Fe (III)/Fe (II) – органический реагент [9]. Пересчет вели на стандарт – аскорбиновую кислоту. Методику адаптировали к объекту исследования впервые. Материалом служили листья рододендронов Ледебура (Rhododendron ledebourii Pojark.) и сихотинского (Rh. sichotense Pojark.) группового сбора. Для выявления лучших экземпляров рододендрона Ледебура АОА определяли для каждого из трех в отдельности.

Результаты и обсуждение . Период прорастания зависит от условий выращивания: количества света, влаги, температуры. Так, например, семена р. Ледебура, по литературным данным, при температуре 18– 20^оС прорастают на 8–9 день. Р.Я. Кондратович [3] указывал, что оптимум прорастания рододендронов находится в пределах 18–22^оС и поддержании 100% влажности. Это способствует более быстрому развитию проростков, чем спор плесневых грибов. При более низкой температуре прорастание семян затягивается до 3 недель и более, снижается всхожесть, отмечается более быстрый рост плесневых грибов, не позволяя нормально развиваться сеянцам. Всхожесть семян составила в 1 варианте 75%, во 2 – 72%, в контроле – 68%. Повышение всхожести семян, хотя и небольшое, свидетельствует о положительном эффекте предпосевной обработки семян. Материал содержали в холодной теплице (при температуре 0+5 ^оС). В таких условиях отмечалось замедление развития, поскольку проростки оставались в стадии семядольных листьев до конца января. Первый настоящий лист во всех вариантах отмечен в начале февраля 2009 года. С этого времени начался интенсивный рост проростков. В начале марта появились 3–5 настоящих листьев у р. сихотин-ского и 3–4 у р. Ледебура. На данной стадии проростки были распикированы в стеллаж и в ящики с субстратом различного состава. Размер надземной части проростков колебался от 0,8 до 1,5 см.

Таблица 1

Размер сеянцев рододендронов в опыте (после предпосевной обработки семян 3% раствором перекиси водорода и раствором перманганата калия) и контроле

* Различия с результатами 2006 г. достоверны (P<0,05); ** Различия с контролем достоверны (P<0,01).

Из таблицы 1 видно, что сеянцы варианта 1 (обработка семян перекисью водорода) достоверно выше контрольных при способах пикировки в стеллаж и в ящик. В стеллаже площадь питания сеянцев больше, чем в ящике, и оказалась более кислая реакция субстрата, что благоприятно повлияло на рост сеянцев во всех вариантах (см. табл.1). Поэтому проростки рододендрона Ледебура, распикированные в стеллаж, были достоверно выше помещенных в ящик, где их рост замедлялся (1 вариант P<0,01; 2 вариант, контроль Р<0,05). Видимо, это связано с более кислой реакцией субстрата, благоприятно влияющей на рост сеянцев, и большей площадью питания, которая позволяет более свободно развиваться корням. Но значительная площадь питания для рододендронов, обладающих поверхностной корневой системой, не требуется. Наоборот, ее сильное увеличение приводит к развитию плесневых грибов и задерживает развитие сеянцев. Длина корня в варианте 1 в среднем составила 2,6±0,1 см, что достоверно отличается от контроля, где корень был 1,4±0,1 см (P<0,01), и варианта 2 (обработка семян раствором перманганата калия) – 1,5±0,1 (P<0,01). Размеры корня у сенцев варианта 2 практически не отличались от контроля. Очевидно, что в последнем случае предпосевная обработка семян не оказала значительного влияния на развитие корневой системы сеянцев. Корневая система в 1 варианте (после обработки семян перекисью водорода) была более разветвленной и мощной. Это, с одной стороны, является свидетельством стрессового воздействия на растительный организм и приспособлением к нему, а, с другой стороны – полезным морфологическим изменением. Подобный эффект отмечался многими авторами при воздействии стимуляторов роста, гербицидов и ретардантов на семена, проростки и молодые побеги. Вместе с тем отмечалось увеличение защитных сил организма, стимулирование жизнедеятельности растения (усиление фотосинтеза, продуктивного дыхания, поглотительной способности корня), повышение устойчивости к действию засухи, перегреву, заморозкам [10,11]. Перекись водорода выступает в качестве стимулятора роста. Данные вещества в небольших дозах включают неспецифические защитные реакции – физиологические ответы живого организма, которые наблюдаются вскоре после воздействия возбуждающего организм фактора. Физиологическая сущность такого типа реакций состоит в активации обменных процессов, связанных с адаптационной перестройкой обмена, обусловливающего защитную реакцию [4].

Такие реакции у организма вызывают малые дозы токсичных веществ различной природы, затрагивающие разные стороны обмена веществ. Поэтому предпосевная обработка семян может служить примером преадаптации к воздействию неблагоприятных факторов среды, в том числе к техногенному загрязнению. Мы предполагаем, что сеянцы, выращенные из семян, обработанных перед посевом перекисью водорода, будут более резистентны к внешнему воздействию. Данный способ предпосевной обработки перспективно использовать при подготовке растительного материала для озеленения городских территорий и зоны промышленных предприятий.

Антиоксидантная активность также является показателем адаптивных изменений, происходящих в растительном организме. АОА в листьях кустарников рода Rhododendron колебалась в зависимости от вида и индивида (табл. 2).

Таблица 2

Антиоксидантная активность (АОА) листьев представителей рода Rhododendron L., мг/г

АОА р. сихотинского оказалась ниже, чем у р. Ледебура, у которого данный параметр отличался у всех изучаемых экземпляров. Наибольший уровень АОА обусловлен увеличением количества антиоксидантов, как у экземпляра 1 р. Ледебура, поскольку этот показатель повышается в периоды наибольшего напряжения растительного организма: весной во время интенсивного роста, цветения, а также в конце вегетационного сезона и в стрессовых условиях. Например, было отмечено повышение уровня кверцетина в разные периоды вегетации [12], увеличение количества аскобиновой кислоты в связи с низкими температурами весной и осенью, обратно корреляционная зависимость между содержанием антоцианов в листьях и температурой окружающей среды [6]. Мы предполагаем, что растения, обладающие наибольшей АОА, являются более приспособленными к стрессу, поэтому можно рекомендовать использование в качестве маточного экземпляра для сбора семян р. Ледебура 1.

Таким образом, при изучении влияния предпосевной обработки, качества субстрата и способа выращивания рододендронов вскрыты следующие закономерности: наибольшим размером характеризовались сеянцы, обработанные 3% перекисью водорода, распикированные на верховой торф с кислой реакцией рН=4–5 слоем 15 см опытные сеянцы по высоте превышали контрольные. При одинаковой площади питания, реакции субстрата выращенные в ящике непикированные сеянцы рододендрона Ледебура были достоверно выше распикированных. После предпосевной обработки семян 3% перекисью водорода у проростков и сеянцев развивалась более мощная корневая система, более длинные и разветвленные корни, что свидетельствует о стрессовом воздействии, вызывающем приспособительную реакцию.

Мы предлагаем использовать один из способов повышения устойчивости и адаптации растений-озеленителей к условиям городской зоны – предпосевную обработку семян 3% перекисью водорода. Это вещество стимулирует всхожесть семян и укрепляет сеянцы, вызывая увеличение надземной части, развитие более мощной корневой системы и резистентность к неблагоприятному воздействию факторов окружающей среды. Применение перекиси водорода для выращивания растительного материала для озеленения экологически загрязненной территории может способствовать получению более устойчивых декоративных форм, адаптированных к городским условиям. Выявление резистентных форм растений осуществляют различными методами, в том числе и биохимическими. Поэтому измерение уровня антиоксидантной активности можно применять для выявления наиболее адаптированных экземпляров, используя их в последующих экспериментах в качестве маточников.