Физиология растений, 2022, T. 69, № 5, стр. 543-550

ВВЕДЕНИЕ

К числу факторов внешней среды, оказывающих сильное отрицательное влияние на рост и продуктивность растений и урожай сельскохозяйственных культур, относится дефицит элементов минерального питания, в частности микроэлементов. Это связано с их необходимостью для нормального протекания многих процессов жизнедеятельности растений, в том числе и для формирования у них органов плодоношения. Одним из наиболее важных микроэлементов, непосредственно влияющих на величину урожая семян, является цинк. Установлено, что он необходим для работы более 300 ферментов [1] и участвует в функционировании и защите клеточных мембран [2, 3]. Кроме того, цинк является структурным элементом транскрипционных факторов с доменом “цинковые пальцы” (zinc finger), которые играют ключевую роль в регуляции экспрессии целого ряда генов, участвующих в процессе генеративного развития растений [4]. Помимо этого, хорошо известно и опосредованное влияние дефицита этого микроэлемента на формирование урожая семян за счет торможения роста растений, замедления скорости фотосинтеза, нарушения водного обмена [5].

Как известно, элементы семенной продуктивности растений закладываются последовательно на разных этапах их жизненного цикла [6, 7]. Например, у злаков количество генеративных побегов определяется в фазу кущения, число колосков в колосе и цветков в колосках – в фазу выхода в трубку. Число зерен в колосе зависит от процессов, происходящих в фазы колошения и цветения, а размеры зерновок и их масса – в фазы налива и созревания семян. Все эти процессы контролируются большим числом различных генов [8, 9]. Кроме того, существенное влияние на процесс формирования семян оказывают также и условия окружающей среды, которые действуют как сигнал к корректировке развития с учетом пластических и энергетических возможностей организма [10, 11].

К настоящему времени накоплен довольно большой фактический материал, однозначно свидетельствующий об отрицательном влиянии недостатка цинка в почве на урожай зерна культурных злаков, а также на отдельные компоненты семенной продуктивности [4, 12]. Однако основные причины снижения урожая в этих условиях до сих пор четко не определены. Не выявлены и так называемые “критические периоды” в развитии злаков, когда они наиболее чувствительны к недостатку этого микроэлемента, хотя и обнаружено, что ответная реакция растений на дефицит цинка, а также их устойчивость к действию данного стресс-фактора на разных фазах развития неодинакова [13].

Исходя из вышеизложенного целью данного исследования явилось изучение влияния дефицита цинка на ряд показателей роста и состояния фотосинтетического аппарата (ФСА) ячменя на разных фазах развития растений, а также на их семенную продуктивность.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования использовали яровой ячмень (Hordeum vulgare L.) сорта Нур. Растения выращивали в условиях вегетационного опыта в вегетационном домике в сосудах с песком (высота 40 см, диаметр 20 см) объемом 5 л до фазы восковой спелости семян. Плотность посева составляла 15 растений на сосуд. В опыте использовали промытый водой и прокаленный крупный белый речной песок. Полив осуществляли два раза в неделю питательным раствором Хогланда-Арнона с оптимальной (2.0 мкМ) концентрацией Zn²⁺ (контроль) или без добавления Zn²⁺ (опыт). Анализ растений проводили через 26, 34, 50 и 88 суток после посева, когда у растений фиксировали фазу кущения (IV этап органогенеза, переход к формированию соцветия), фазу выхода в трубку (V−VI этапы органогенеза, начало формирования органов цветка), колошения (VIII этап органогенеза, завершение формирования органов цветка) и созревания семян (XII этап органогенеза), соответственно [6].

В фазы кущения и выхода в трубку о влиянии дефицита цинка на рост растений судили по изменениям (относительно контроля) длины наиболее развитого корня, биомассы подземных и надземных органов, суммарной длины междоузлий стебля. Помимо этого, измеряли высоту конуса нарастания побега и определяли этап органогенеза [6]. Для оценки состояния ФСА растений использовали наиболее молодой, полностью закончивший рост лист (2-й от основания главного побега в фазу кущения и 4-й – в фазу выхода в трубку). О состоянии ФСА судили по таким показателям, как площадь листовой пластинки, содержание фотосинтетических пигментов, количество устьиц на единицу площади листа, диаметр устьичной щели, устьичная проводимость и скорость фотосинтеза.

В фазу колошения о работе ФСА судили по скорости фотосинтеза в 4-ом от основания главного побега, 5-ом (подфлаговом) и 6-ом (флаговом) листьях.

Влияние дефицита цинка на семенную продуктивность определяли в фазу восковой спелости семян, используя следующие показатели: общее число побегов на растении и количество генеративных побегов, длину и биомассу колоса главного и боковых побегов, количество в них колосков и зерновок, массу 1000 зерновок, урожай зерна с одного растения [14].

Высоту конуса нарастания и этап органогенеза определяли с помощью бинокулярной лупы МБС-10 (ЛЗОС, Россия). Площадь листа рассчитывали по формуле: S = 2/3ld, где l – длина листа, d – ширина листа [15]. Содержание пигментов (хлорофиллы a, b и каротиноиды) измеряли спектрофотометрически, экстрагируя 80% ацетоном [16]. Подсчет числа устьиц на нижнем эпидермисе листа и измерение диаметра устьичной щели осуществляли методом отпечатков с использованием светового микроскопа Микмед-2 (ЛОМО, Россия) и окуляр-микрометра [17]. Интенсивность фотосинтеза и устьичную проводимость изучали с помощью установки для исследования СО₂-газообмена и концентрации водяных паров HCM-1000 (Walz, Германия).

Биологическая повторность для морфометрических показателей в каждом варианте опыта составляла не менее 20 растений. При измерении физиологических показателей биологическая повторность была 5-кратной, аналитическая повторность – 3-кратной. Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием программы Microsoft Excel 2007. Достоверность различий между вариантами опыта оценивали с помощью t-критерия Стьюдента при P < 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенные опыты показали, что в фазу кущения у опытных растений ячменя длина наиболее развитого корня, сухая биомасса корней, а также сухая биомасса побега оказались заметно меньше, чем в контроле (табл. 1). Помимо этого, суммарная длина междоузлий стебля главного побега у них была на 33% ниже, чем у растений контрольного варианта. На росте конуса нарастания побега на этой фазе развития недостаток цинка не сказывался – его высота была практически равной у растений контрольного и опытного вариантов, однако в условиях неблагоприятного минерального питания несколько задерживалась его дифференцировка. Так, если в контроле 86% растений находились на этапе образования лопастей соцветия (IV этап органогенеза), а у 14% на конусе нарастания уже фиксировали начало закладки цветковых бугорков, что соответствует началу V этапа органогенеза, то в опытном варианте у всех растений отмечался IV этап органогенеза.

Анализ ФСА показал, что в фазу кущения при недостатке цинка в субстрате площадь 2-го листа заметно уменьшается (на 20% по сравнению с контролем), но его фотосинтетическая активность при этом меняется незначительно (табл. 2). Небольшое уменьшение у растений опытного варианта количества устьиц и диаметра устьичной щели, а также отношения хлорофиллов (a/b) не повлияло на устьичную проводимость и скорость фотосинтеза, что свидетельствует о сохранении в листе необходимого уровня газообмена.

В фазу выхода в трубку отрицательное влияние недостатка цинка в субстрате на растения в отношении параметров роста несколько сглаживалось. В частности, у опытных растений не было обнаружено уменьшения (по сравнению с контролем) большинства изученных морфометрических показателей, за исключением суммарной длины междоузлий, которая была на 20% ниже, чем в контроле. Значимых различий в размере и дифференциации конуса нарастания побега между опытными и контрольными растениями также не наблюдалось.

В отличие от показателей роста, параметры, характеризующие состояние ФСА, оказались весьма чувствительными к дефициту цинка на этой фазе развития растений. Так, несмотря на сохранение площади 4-го листа на уровне контроля, у растений опытного варианта снижалось содержание зеленых и желтых пигментов (на 17 и 14%, соответственно), а также отношение содержания хлорофиллов (а/б) (табл. 2). Кроме того, у них отмечено уменьшение (на 12% по отношению к контролю) диаметра устьичной щели и значительное снижение (на 50%) устьичной проводимости. Одновременно с этим замедлялась (на 25%) и скорость ассимиляции углекислого газа.

К фазе колошения растения, выросшие в условиях недостатка цинка, отставали от растений контрольного варианта по высоте побега на 15%. Кроме того, у них оказалась меньше, чем в контроле площадь листовых пластинок 5-го (подфлагового) и 6-го (флагового) листьев (на 27 и 54%, соответственно). При этом скорость фотосинтеза подфлагового листа практически не отличалась от растений контрольного варианта, а флагового – даже превышала контрольные значения (рис. 1).

Рис. 1.

Влияние недостатка цинка в субстрате на интенсивность фотосинтеза в листьях растений ячменя в фазу колошения. 1 – контроль; 2 – опыт. Звездочкой (*) обозначены достоверные различия от контроля (Р < 0.05).

Отставание опытных растений от контрольных по высоте главного побега и накоплению сухой биомассы надземных органов сохранялось и в фазу созревания семян (табл. 3). При этом отрицательное влияние недостатка цинка на количество генеративных побегов, а также на длину колоса главного побега и количество колосков не наблюдалось (табл. 4). Тем не менее количество зерновок в колосе у опытных растений оказалось заметно меньше, чем у контрольных: на главном побеге – на 11%, на боковых побегах – на 56%. Необходимо также отметить, что масса 1000 зерновок на главном побеге была практически равной у опытных и контрольных растений, тогда как на боковых побегах в опытном варианте наблюдалось значительное уменьшение этого показателя (на 41% по отношению к контролю). В результате общий урожай зерна с растения при недостатке цинка оказался на 23% ниже, чем при его оптимальном содержании в субстрате.

ОБСУЖДЕНИЕ

Хорошо известно, что продуктивность растений во многом определяется их способностью поддерживать в неблагоприятных условиях внешней среды темпы роста и нормальную работу ФСА. Недостаток цинка, как известно, негативно влияет на рост и ФСА растений [4, 12]. При этом обнаружено, что их ответная реакция на воздействие этого стресс-фактора во многом зависит от фазы развития. Так, у фасоли признаки дефицита цинка выявлялись к фазе 1-го настоящего листа [18]. У растений ячменя негативное влияние недостатка этого микроэлемента на рост проявлялось сильнее в фазу созревания семян, по сравнению с фазой начала колошения [13]. Полученные нами данные также подтверждают это. В частности, в фазу кущения влияние недостатка цинка в субстрате на изученные показатели роста оказалось более выраженными, чем в фазу выхода в трубку. Отметим, что в большей степени в этих условиях уменьшалась длина междоузлий. Ингибирование роста междоузлий стебля, а также уменьшение размеров листьев наблюдалось при дефиците цинка и у других видов растений [19]. Предполагается, что это может быть обусловлено снижением содержания ауксина – гормона, который контролирует процессы деления и растяжения клеток [3, 12]. Кроме того, являясь структурным элементом белков, участвующих в регуляции экспрессии генов, связанных с метаболизмом ДНК, цинк напрямую влияет на деление клеток, а его недостаток приводит к торможению этого процесса. Дефицит этого микроэлемента может отрицательно влиять и на растяжение клеток, вызывая нарушение проницаемости клеточных мембран [20, 21].

О влиянии дефицита цинка на дифференциацию апикальной меристемы стебля данных в известной нам литературе нет. В наших опытах при недостатке цинка у растений ячменя несколько задерживалось наступление очередного этапа органогенеза в фазу кущения. Однако уже к фазе выхода в трубку различия в темпах развития между опытными и контрольными растениями нивелировались.

В целом ряде работ указывается на значительное замедление скорости фотосинтеза у растений, испытывающих дефицит цинка [22–24]. По мнению одних авторов, это связано с нарушениями в протекании световых реакций [22, 24], по мнению других – с работой устьичного аппарата [19, 25]. В литературе также имеются единичные сведения, указывающие на то, что ответная реакция ФСА на дефицит цинка может изменяться в ходе онтогенеза [26]. В наших опытах при анализе функционирования ФСА на разных фазах развития ячменя, мы учитывали то обстоятельство, что листья, в зависимости от их местоположения на побеге, играют разную роль в обеспечении органов растения пластическими веществами. В частности, у злаков ассимиляты из нижних листьев (1-го и 2-го) передвигаются преимущественно в корни и молодые листья. Из 3-го и 4-го листьев усиливается отток ассимилятов к конусу нарастания побега, где начинается формирование соцветия, 5-й лист снабжает ассимилятами развивающийся колос, а 6-й лист – формирующиеся зерновки [6]. Полученные нами результаты показали, что в фазу кущения недостаток цинка практически не оказывает отрицательного воздействия на фотосинтетическую активность 2-го листа у ячменя. Обнаруженное снижение у опытных растений отношения хлорофиллов (a/б), свидетельствующее об увеличении доли мембран гран в хлоропластах [24], вероятно, связано с адаптацией к неблагоприятным условиям минерального питания и в определенной степени направлено на сохранение скорости фотосинтеза на необходимом уровне.

В отличие от этого, в фазу выхода в трубку было зафиксировано довольно сильное негативное воздействие недостатка цинка на фотосинтетическую функцию 4-го листа, на что указывает заметное уменьшение содержания фотосинтетических пигментов, снижение устьичной проводимости и замедление скорости фотосинтеза. Уменьшение количества хлорофиллов и каротиноидов при дефиците микроэлемента считается одним из типичных признаков этого типа стрессового воздействия. Ранее подобный эффект уже был отмечен у растений кукурузы [22, 23], риса [24], капусты [19] и нута [26]. Полагают, что это обусловлено главным образом усилением деградации пигментов под влиянием избытка АФК, образующихся в этом случае [3]. С увеличением образования радикалов кислорода и повреждением мембран хлоропластов также часто связывают и снижение интенсивности фотосинтеза растений при недостатке цинка в субстрате [19, 24]. Однако ранее нами было установлено, что у ячменя в этих условиях усиления интенсивности ПОЛ в листьях не происходит, что говорит об отсутствии окислительного стресса [27]. Более вероятной причиной снижения скорости ассимиляции углерода у ячменя является замедление скорости протекания реакций темновой фазы фотосинтеза вследствие нарушения работы устьичного аппарата и/или уменьшения активности участвующих в них ферментов. Снижение устьичной проводимости у растений при недостатке цинка уже отмечалось ранее [22, 24, 25]. При этом обнаружено, что в таких условиях уменьшается количество устьиц [25, 28] и нарушается работа замыкающих клеток из-за снижения содержания в них K⁺ [19, 20]. Помимо этого, не исключается, что дефицит цинка может оказывать прямое негативное воздействие на активность РБФК/О [23], а также карбоангидразы – важнейшего Zn-содержащего фермента растительных клеток, который способствует обеспечению РБФК/О молекулами СО₂ [23, 26]. В наших опытах у растений, испытывающих дефицит цинка, несколько снижался (по отношению к контролю) только диаметр устьичной щели. Устьичная же проводимость при этом оказалась в 2 раза ниже, чем в контроле, что может быть связано с низкой активностью карбоангидразы, как это было обнаружено у пшеницы при дефиците этого микроэлемента [12].

В фазу колошения у растений опытного варианта скорость фотосинтеза в 4-ом листе оставалась низкой, тогда как в подфлаговом листе она не уступала контрольным значениям, а во флаговом – даже превышала их. Известно, что поддержание в неблагоприятных условиях минерального питания высокой скорости фотосинтеза в листьях, обеспечивающих колос ассимилятами, чрезвычайно важно для формирования семян, особенно при уменьшении площади листьев. Поэтому обнаруженный нами эффект, очевидно, является защитно-приспособительным механизмом, направленным на сохранение семенной продуктивности у растений, испытывающих дефицит цинка.

В целом ряде исследований показано, что недостаток цинка в субстрате негативно отражается на урожае семян у большинства зерновых злаков [29]. Среди основных причин этого называют снижение количества генеративных побегов, уменьшение размера соцветия [30], количества колосков [31, 32], снижение завязываемости семян [29, 32] и задержку их созревания [33]. В наших опытах у ячменя в условиях дефицита цинка не было зафиксировано уменьшения количества продуктивных побегов, размера соцветия и количества колосков в колосе. Существенное же снижение урожая зерна было связано главным образом с уменьшением количества зерновок. Известно, что у ячменя количество зерновок определяется прежде всего числом фертильных цветков, сформированных к началу фазы цветения, что, в свою очередь, зависит от условий окружающей среды, которые складываются на протяжении фазы выхода в трубку и стеблевания [7, 11]. Установлено, что недостаток цинка в этот период ведет к нарушению процессов микроспоро- и гаметогенеза [34, 35], что может быть обусловлено снижением активности целого ряда факторов транскрипции, содержащих домен “цинковые пальцы”, которые участвуют в процессах развития пыльников и пыльцевых зерен [36, 37]. Это подтверждают данные о том, что на этом этапе развития у растений наблюдается активизация большого количества генов, связанных с транспортом минеральных элементов, в том числе микроэлементов [7]. Причиной слабого завязывания семян в условиях недостатка цинка может быть также пониженный уровень ауксина [12] и/или повышенный уровень АБК, приводящие к преждевременной гибели цветков [38]. Среди причин снижения урожая семян в неблагоприятных условиях минерального питания важную роль может играть и низкая активность ФСА [11, 39, 40]. Это согласуется с полученными нами результатами. Дефицит цинка не оказывал сильного негативного влияния на активность ФСА в фазу кущения, когда на конусе нарастания побега происходит закладка основных элементов соцветия, но вызывал значительное уменьшение фотосинтетической активности в фазу выхода в трубку, когда начинается формирование цветков. Не исключено, что ухудшение снабжения соцветия ассимилятами в этот период может быть одним из факторов, ведущих к увеличению количества стерильных цветков и, как следствие, к уменьшению количества зерновок в колосе и урожая семян. Отсутствие же снижения в стрессовых условиях биомассы зерновок, сформировавшихся на главном побеге, вероятно, связано с поддержанием высокой скорости фотосинтеза в подфлаговом и флаговом листьях.

Таким образом, полученные нами данные показывают, что отрицательное влияние недостатка цинка в субстрате на рост и ФСА растений ячменя различно на разных фазах онтогенеза. В фазу кущения определенные структурно-функциональные перестройки ФСА, по-видимому, способствуют поддержанию высокой фотосинтетической активности растений, испытывающих дефицит цинка, что во многом обеспечивает успешный переход к генеративному развитию и формирование элементов соцветия. В фазу выхода в трубку, когда заметно возрастает потребность растений в микроэлементах, дефицит цинка негативно сказывается на работе ФСА, что выражается в замедлении скорости фотосинтетических процессов и, по нашему мнению, может быть одной из причин уменьшения в этих условиях количества фертильных цветков и снижения количества зерновок и, в целом, урожая семян. Поддержание же высокой скорости фотосинтеза в листьях, являющихся основными донорами ассимилятов в созревающие семена, обеспечило формирование на главном побеге полноценных зерновок с биомассой, соответствующей биомассе зерновок с растений, находящихся в благоприятных условиях минерального питания.

Исследования проводили с использованием оборудования Центра коллективного пользования Федерального исследовательского центра “Карельский научный центр РАН”.

Финансовое обеспечение исследований осуществлялось из средств федерального бюджета на выполнение государственного задания КарНЦ РАН (тема № FMEN-2022-0004).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая статья не содержит каких-либо данных, полученных с участием людей и животных в качестве объектов исследования.