Влияние стресса от засухи на структурные и функциональные характеристики Triticum spelta L.

Пшеница принадлежит к главным продовольственным зерновым культурам мира. Важным элементом, определяющим ее урожайность, является создание устойчивых к биотическим и абиотическим стрессам сортов. Все виды пшеницы по морфологическим признакам разделяют на голозерные (настоящие) и пленчатые или полбяные (Жуковский, 1971). Гексаплоидный вид Triticum spelta L. принадлежит к пленчатым пшеницам, содержит 42 хромосомы и генетически близок к мягкой пшенице Triticum aestivum L. (Господаренко и др ., 2016). Как отдельный биологический вид T. spelta возникла на Ближнем Востоке в регионе «Плодородного полумесяца» вследствие спонтанного изменения в геноме Aegilops squarrosa (Господаренко и др ., 2016; Бабенко и др ., 2017). Спельта неприхотлива к условиям выращивания, имеет высокий коэффициент кущения, отличается скороспелостью и стекловидностью зерна, которое не осыпается и не повреждается вредителями, устойчива к переувлажнению, обладает холодо- и зимостойкостью (Дорофеев и др ., 1987). Зерно T. spelta содержит до 25% белка, что вдвое выше чем у T. aestivum , 18 незаменимых аминокислот, богата ненасыщенными жирными кислотами и клетчаткой (Шелепов и др. , 2004; Горн, 2008). Высокие пищевые качества и адаптированность к малозатратному органическому земледелию привлекают внимание к T. spelta во многих странах Европы (Твердохлеб, Богуславский, 2012).

Определяющими факторами, влияющими на процессы роста, развития и урожайность аграрных культур, являются температура и водный режим. Ранее нами были исследованы структурнофункциональные характеристики новых перспективных сортов озимой пшеницы при действии температурных стрессов (Babenko et al. , 2014; Kosakivska et al. , 2014; 2015). Целью настоящей работы было изучение влияния почвенной засухи на рост, микроструктуру поверхности листа и спектр фотосинтетических пигментов дикого сородича озимой пшеницы – T. spelta .

MATERIALS AND METHODS

Опыты проводили с 14-дневными растениями T. spelta сорта Франкенкорн. Сорт среднерослый, устойчив к полеганию, морозо- и засухоустойчивый, экологически пластичный (Schmitz, 2006). Семена были получены из коллекции Национального центра генетических ресурсов растений Украины (г. Харьков).

Откалиброванные семена стерилизовали в 80% растворе этилового спирта, промывали дистиллированной водой и замачивали на 3 часа. Затем проращивали в кюветах на смоченной водой фильтровальной бумаге в термостате при температуре +24⁰C в течение 21 ч. Проклюнувшиеся семена высаживали в сосуды емкостью 2 л. В качестве субстрата использовали прокаленный речной песок. Растения выращивали при температуре 20/17°С (день/ночь), интенсивности освещения 690 мкмоль/(м²·с), фотопериод составлял 16/8 ч. (день/ночь), относительная влажность воздуха 65 + 5%, влажность субстрата поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости. Полив проводили ежедневно раствором Кнопа из расчета по 50 мл на сосуд. Почвенную засуху создавали, прекращая полив 14дневных растений на четыре дня до увядания листьев и снижения влагоемкости субстрата вдвое. В фазу 2-3 листьев (на 18 день) полив восстанавливали, рост растений происходил в нормальных условиях (фаза 2-4 листьев) до 23 дня. Длину и вес надземной части и корней определяли на 14, 18 и 23 день. Микроструктуру листовой поверхности исследовали на электронном микроскопе JEOL JSM-6060 LA (Япония). Подготовку образцов для анализа проводили согласно (Щербатюк и др., 2015). Размеры структур на микрофотографиях определяли, используя программу UTHSCSA Image Tool 3.0. Фотосинтетические пигменты экстрагировали 80% ацетоном и определяли согласно (Wellburn, 1987). Опыты проводили в двух биологических и трех аналитических повторах. Для каждого биологического повтора отбирали по 40 растений.

Статистическую обработку результатов проводили, используя t-тест Стьюдента, статистически достоверной считали разницу при р≤ 0.05.

RESULTS AND DISCUSSION

Засухоустойчивость – сложный полигенный признак, который определяется адаптивными, генетически обусловленными свойствами растения (Fischer, 2011). Показано, что скорость потери воды зависит от анатомического строения, интенсивности метаболических процессов и возраста органа растения (Alves, Setter, 2004). При водном дефиците из-за нарушения системы регуляции вода активно поступает в листья, тогда как корневая система обезвоживается. Однако из-за отмирания корневых волосков функциональная активность корневой системы после реабилитации полностью не восстанавливается (Das et al. , 2015)

Нами было показано, что почвенная засуха, вызванная прекращением полива в течение 4 дней, замедляла рост растений T. spelta. Более чувствительной к недостатку влаги оказалась корневая система, длина которой уменьшилась на 19%, а вес – на 48%, тогда как изменения в надземной части были менее выраженными. В период реабилитации после возобновления полива разница между биометрическими показателями контроля и опыта уменьшилась, однако полного восстановления у растений, которые подверглись воздействию засухи, не произошло (рис. 1).

Листовая амфистоматическая пластинка T. spelta имеет ярко-зеленую окраску. На адаксиальной и абаксиальной эпидерме расположены трихомы двух типов: «хуки» и длинные игловидные трихомы (рис. 2А, Б). Эпидерма покрыта слоем воска, представленным двумя видами кристаллов: пластинками и тубусами (рис. 2В, Г). Тубусы расположены в основном в зоне устьиц (рис. 2Д). К первичным функциям кутикулярных восков относятся защита от чрезмерной инсоляции и уменьшение испарения при водном дефиците (Yeats, Rose, 2013).

Figure 1. Влияние почвенной засухи на биометрические показатели Triticum spelta.

Figure 2. Микроструктура эпидермиса листа Triticum spelta в контрольных условиях (А–Д) и в условиях почвенной засухи (Ж). А – внешний вид трихомы типа «хук»; Б – внешний вид игловидной трихомы.; В – слой восковых пластинок на адаксиальной поверхности листа; Г – общий вид адаксиальной поверхности листа; Д – устьице в контроле; Ж – устьице в условиях почвенной засухи. К – кремниевые клетки; Х – «хуки»

Table 1. Влияние почвенной засухи на соотношение фотосинтетических пигментов Triticum spelta

Образец	а/b	a+b/ каротиноиды
Контроль, 18 день	2,89	4,86
Опыт, 18 день	3,23	5,00
Контроль, 23 день	2,81	5,18
Реабилитация после засухи, 23 день	3,83	6,19

Figure 3. Влияние почвенной засухи на содержание фотосинтетических пигментов у растений Triticum spelta . 1 – 18-дневные растения контроль; 2 – 18-дневные растения после 4-дневной почвенной засухи; 3 – 23-дневные растения контроль; 4 – восстановление после почвенной засухи, 23 день.

Эпидермальная ткань состоит преимущественно из длинных извилистых кремниевых клеток (рис. 2Г). Устьица парацитного типа расположены на обеих поверхностях листовой пластинки на одном уровне с основными эпидермальными клетками и ориентированы вдоль проводящих пучков (рис. 2Г). Количество устьиц в межреберной зоне на 1 мм2 составляет 64,44 ± 7,19 шт., Площадь устьица равна 42,23 ± 2,14мкм2, длина устричной щели – 10,91 ± 0,64 мкм. В условиях почвенной засухи характерные признаки эпидермиса листовой пластинки T. spelta сохранялись. Устьица на обеих поверхностях листовой пластинки оставались закрытыми (рис. 2Ж).

Успешность адаптации в значительной степени зависит от оптимального функционирования ассимиляционного аппарата, одним из показателей состояния которого является содержание фотосинтетических пигментов (Андрианова, Тарчевский, 2000). Соотношение хлорофиллов а/b рассматривается как один из признаков фотосинтетической активности, а при стрессах используется в качестве маркера устойчивости (Косаковская и др., 2014; Babenko et al., 2014)

В условиях почвенной засухи у растений T. spelta зафиксировано незначительное уменьшение количества хлорофиллов a и b. Однако после восстановления на 23 день произошло дальнейшее снижение уровня хлорофиллов а (в 1,7 раза) и b (в 1.3 раза), а также существенное уменьшение содержания каротиноидов (рис. 3). Соотношения между хлорофиллами а и b после почвенной засухи и в период реабилитации возросло. Также у опытных растений на 23 день значительно увеличилось соотношение суммы хлорофиллов к каротиноидам (табл.).

В работах других авторов сообщалось, что засуха негативно влияла на содержание хлорофиллов у разных видов растений (Guerfel et al. , 2009; Mafakheri et al. , 2010; Zhang, Kirkham, 2016). Так, установлено значительное снижение количества пигментов у шести сортов T. aestivum (Nyachiro, 2001). Уровень хлорофилла а во флаговом листе пшеницы используется в качестве маркера при скрининге на устойчивость к засухе (Arjenaki et al. , 2012). Полученные нами данные продемонстрировали, что пигментный комплекс активно реагировал на засуху, а отмеченные изменения в соотношениях между пигментами указывают на устойчивость спельты к почвенной засухе. Сохранение достаточно высоких показателей в содержании зеленых пигментов после обезвоживания соответствовало данным биометрических исследований, продемонстрировавшим стабильность ростовых процессов в надземной части растений.

CONCLUSION

В современном производстве пшеницы четко обозначились тенденции, сосредоточенные на возрождении, селекции и внедрении в производство забытых региональных зерновых культур, так называемых «античных злаков», обладающих ценными хозяйственными свойствами. Одним из таких злаков является T. spelta. В результате проведенного исследования нами было установлено, что более чувствительной к воздействию засухи была корневая система растений T. spelta, длина которой уменьшилась на 19%, а вес – на 48%. В период реабилитации на 23 день разница между биометрическими показателями контроля и опыта уменьшилась, однако полного восстановления у растений не произошло. Микроструктурный анализ амфистоматической листовой пластинки выявил одинаковое количество устьиц с близкими значениями размеров устьичных щелей на адаксиальной и абаксиальной поверхностях. После почвенной засухи наблюдалось   увеличение плотности воска, устьица на обеих поверхностях листовой пластинки оставались   закрытыми.

Пигментный комплекс 14-дневных растений реагировал на засуху уменьшением количества хлорофиллов и каротиноидов.   В период реабилитации на 23 день зафиксировано дальнейшее снижение уровня фотосинтетических пигментов. Сохранение достаточно высоких показателей в содержании зеленых пигментов сразу после обезвоживания на 18 день соответствовало данным биометрических исследований, продемонстрировавшим стабильность ростовых процессов в надземной части растений. Изменения в соотношении между пигментами, зафиксированные после обезвоживания, а также особенности микроструктуры листовой поверхности коррелируют с устойчивостью спельты к почвенной засухе.