Содержание

                                                                                                                         стр.

Введение……………………………………………….………….................4

1 Глобальная проблема засоления почв………………………..…………..9

1.1 Глобальная проблема засоления почв. Типы почвенного засоления ..10

1.2 Типы растений по их отношению к почвенному засолению. Солеустойчивость………………………………………………………………….10

1.3 Влияние соли на растения. Способы адаптации растений к солевому стрессу (морфологические, физиологические, биохимические)………………..12

1.4 Причины и характер повреждения и гибели растений при засолении почвы…………………………………………………..............................................14

1.5 Борьба с засолением и повышение солеустойчивости…………..........17

1.6 Экологическое состояние почв Казахстана………………………….18

2. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЙ СТРЕСС……………………………………...21

2.1. Радикалы……………………………………………………………..26

2.2. Основные формы активированного кислорода, их образование

и свойства ………………………………………………………………………………34

2.3. Молекулярные механизмы защиты от активированного кислорода………………………………………………………….........................36

2.4. Активированный кислород и повреждение растений…………….38

3. Материалы и методы………………………………………………..42

4. РЕЗУЛЬТАТЫ…………………………………………………… ….44

4.1 Определение степени повреждения растений H2O2 галофитов и гликофитов методом окрашивания DAB листовых дисков томата и Aster tripolium……………………………………………………………………………46

4.1.1 Влияние  NaCl на повреждение H2O2 листовых дисков галофитов …

4.1.2 Совместное действие кадмия и 50 мМ NaCl на листовые диски галофита……………………………………………………………………………..

4.2 Морфологические изменение корня и длины проростков арабидопсиса в контроле и на токсических средах  

4.3.  Изменение активности альдегидоксидазы, ксантиндегидрогеназы и супероксиддисмутазы при окислительном стрессе…………………      54

4.4. Образование свободного пролина в условиях окислительного  стресса у галофитов и гликофитов………………………………………….60

4.5. Прорастание семян арабидопсиса ……………………..............62

4.6. Изменения концентрации хлорофилла при действии NaCl и тяжелых металлов на галофиты и гликофиты ……………………....................66

4.7 Уридный обмен в условиях окислительного стресса………..…69

4.8  Изменение показателей галофитов при действии соли …70

4.9  Влияние молибдена на прайминг семян галофитов ………………71

Заключение………………………………………………………………….79

Литература………………………………………………………………….80

Приложение 1

Приложение 2

 Введение

 

Окружающая среда является важным фактором, определяющим географическое распространение растений и их продуктивность. Одним из основных, весьма необходимых мероприятий по сохранению и охране растительного разнообразия и повышения эффективности их использования, является борьба с процессами опустынивания на аридных территориях. По данным временного секретариата Конвенции по борьбе с опустыниванием (Рио-де-Жанейро, 1992), нигде ситуация не является столь критической, как на засушливых землях, которые занимают более 1/3 части нашей планеты. Причем наиболее серьезно опустынены районы Азии (более 1,4 млрд.га). 

В Казахстане площадь сельскохозяйственных угодий составляет 222,6 млн. га, из них орошаемые - 2,3 млн. га.  Значительная часть этих земель под влиянием хозяйственной деятельности человека подвержена процессам опустынивания: деградация растительного покрова, дефляция песков, водная эрозия, засоление орошаемых земель, засоление почв, вызванное понижением уровня Аральского моря, техногенное опустынивание, загрязнение почвы промышленными отходами, ядохимикатами и др.

Основные причины опустынивания земель в Казахстане те же, что в большинстве засушливых стран, испытывающих опустынивание: чрезмерный выпас, вызвавший деградацию 49 млн. га пастбищ; несовершенная система земледелия, при которой опустынена третья часть пашни - 10,4 млн. га; разработка месторождений полезных ископаемых - нарушено около 10 млн. га продуктивных сельскохозяйственных земель.

Прогноз опустынивания на ближайшие годы свидетельствует о дальнейшей деградации земель и крупномасштабной миграции людей из зон Приаралья и Прибалхашья.

Основными причинами деградации земель в Казахстану являются: водная эрозия, истощение почв, перевыпас и перегрузка пастбищ, загрязнение почв и нерациональное землепользование и орошение.

С увеличением численности населения и систематическим отчуждением земель для несельскохозяйственных нужд, размер пахотных площадей на одного жителя республики за последние 20 лет уменьшился с 0,43 до 0,3 га, в том числе орошаемых - с 0,27 до 0,21 га. К 2030 г. прогнозируется соответственно 0,18 и 0,1 га.

В природе окислительный стресс - прямое следствие гипоксии и аноксии, поэтому устойчивые к кислородной недостаточности растения, по-видимому, должны обладать устойчивостью и к этому воздействию. Постоянное или временное переувлажнение характерно для многих регионов Земли, и в том числе для резко-континентального климата Казахстана. Подобные условия способствуют возникновению кислородной недостаточности, при этом ограничивается жизнедеятельность представителей дикой флоры и создаются трудности для возделывания сельскохозяйственных культур. 

 У большинства растений отсутствие кислорода вызывает остановку роста, что характерно, например, для пшеницы. Тем не менее, существуют растения, способные произрастать не только в обедненной кислородом среде, но даже при его полном отсутствии. В первую очередь это гидро- и гигрофитные виды. Многочисленные исследования, направленные на изучение этого феномена, показали, что подобные растения обладают рядом морфолого-анатомических и физиолого-биохимических приспособлений, затрагивающих главным образом дыхательный метаболизм и энергетику клетки (Чиркова, 1988). К адаптивным реакциям этих растений относится синтез аноксических стрессовых белков и перестройки в структуре и функциях мембранных компонентов (Чиркова, 1988). У устойчивых к гипоксии растений может происходить удлинение побегов, в то время как рост корней обычно тормозится. Так, например, при постоянно сменяющихся условиях гипоксии и реаэрации растет рис (Drew, 1997). В литературе известно большое количество работ, посвященных проблеме окислительного стресса у животных объектов. Это связано с тем, что активные формы кислорода (АФК) в клетках животных участвуют в таких процессах как фагоцитоз, бактерицидные эффекты, различные виды патогенеза при ишемической болезни сердца, лучевом поражении, катаракте, воспалительных процессах и многих других болезнях. Известно, что АФК, образующиеся в период реоксигенации, принимают участие в механизмах программируемой смерти клетки у животных, растений и микроорганизмов (Levine et al.,1996). У растений же этой проблеме до недавнего времени уделялось недостаточное внимание, хотя роль АФК в их мембранных структурах очень велика (Мерзляк, 1989). Влияние реоксигенации на клетки растений после выдерживания их в условиях гипо- и аноксии рассмотрено лишь в нескольких работах (Monk et al., 1987; Van Toai et al.,1991, Biemeltetal., 1998). Первым шагом в образовании АФК является генерация супероксид-аниона О2*~, который представляет собой начальный компонент окислительного каскада. Образующийся супероксид, при помощи супероксиддисмутазы переводится в пероксид водорода (Н2О2), который в настоящее время рассматривается и как компонент сигнальной трансдукции. Однако, вместе с тем, это соединение запускает перекисное окисление липидов, нарушает стабильность мембран, т.е., оказывает повреждающее воздействие на клетку. Клетки растений располагают многоуровневой системой защиты от повреждающего действия АФК. К ней относятся ферментные системы, предотвращающие образование супероксид-аниона, а также антиоксидантные системы, убирающие продукты одноэлектронного восстановления кислорода. К этой группе помимо супероксиддисмутазы относят каталазу, а также различные виды пероксидаз, среди которых выделяют аскорбат-, глутатион- и гваяколпероксидазы. Гваяколпероксидаза связана с фенольным обменом в клетках растений и способствует функционированию таких процессов как, например, лигнификация клеточной стенки. Аскорбат- и глутатион перо ксидазы входят в состав антиоксидантных систем клеток и играют важную роль в разрушении Н2О2. Таким образом, растительные пероксидазы входят в антиоксидантную систему растений, и, кроме того, гваяколпероксидазы связаны с ростовыми процессами. Исследование антиоксидантных систем при переходе растений от гипо- или аноксии к нормальной аэрации проводились в немногих работах (Чиркова, 1988; Blokhina et al., 2001; Biemelt et al., 1998 и некоторых другие). Итак, взаимодействие аноксии и окислительного стресса, а также особенности функционирования комплекса защитных антиоксидантных систем у растений, различающихся по устойчивости к недостатку кислорода, остаются почти не исследованными. Поэтому, целью настоящей работы явилось изучение влияния анаэробиоза и последующей реаэрации на продукцию некоторых АФК (супероксид-аниона и пероксида водорода), а также на активность как цитоплазматических, так и связанных с клеточной стенкой ряда пероксидаз и каталазы, участвующих в разрушении различных пероксидов в проростках пшеницы и риса.

 

Цель: Сравнительное изучение путей адаптации галофитных и гликофитных растений к окислительному стрессу

 

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие задачи

1. Определить степень повреждения растительных клеток галофитов и галофитов пероксидом водорода

2. Рассмотреть морфолого-анатомические приспособления корней проростков арабидопсиса при окислительном стрессе.

3. Изучить действие окислительного стресса на активность альдегидоксидазы, ксантиндегидрогеназы, супероксиддисмутазы галофитных и гликофитных растений.

4. Выяснить влияние окислительного стресса на накопление свободного пролина в корнях и листьях галофитов и гликофитов.

5. Определить качество прорастания семян арабидопсиса различных генотипов при окислительном стрессе

6. Изучить с помощью метода прайминга возможность использования галофитов (Aeluropus littoralis, Salsola crassa) для восстановления засоленных земель Казахстана

7. Определить влияние NaCl на хозяйственноөважные качества солероса

 

Научная новизна

 

Проведено сопоставление продукции АФК и эффективности работы антиоксидантной энзиматической системы у растений, различающихся по устойчивости. Использование электрофоретического метода  и полученные данные электрофореграмм позволили предположить о регуляторном действии антиоксидантных ферментов на гормональную систему растений. Полученные данные позволяют заключить, что растение, устойчивое к дефициту кислорода благодаря эффективно работающей антиоксидантной системе, способно лучше противостоять и окислительному стрессу, а первичной реакцией на стресс у гликофита и галофита является накопление свободного пролина сначала в корнях, а затем в листьях, наблюдается повышение активности супероксиддисмутазы – фермента, играющего ключевую роль в нейтрализации окислительного действия.

 

Практическая значимость

 

Изучение адаптационных механизмов к кислородной недостаточности и окислительному стрессу необходимо для разработки способов выращивания растений на затопляемых почвах, приёмов защиты от повреждения или повышения устойчивости растений, введения в культуру приспособленных к недостатку кислорода растений. Более глубокое представление о механизмах адаптации важно для создания тестовых систем для селекционного отбора устойчивых к затоплению и засолению видов и сортов растений, для программирования урожая различающихся по устойчивости к кислородному дефициту растений. 

Рекомендуется использование галофитов (Aeluropus littoralis, Salsola crassa) и метод прайминга с Мо для восстановления засоленных земель Казахстана

Полученные результаты могут быть также использованы как в  лекционных курсах, так и практикумах по экологической физиологии  и и биохимии растений

 

Положения, выносимые на защиту

 

 Индукция защитного ответа в галофитах и гликофитах определяется активацией одних и тех же метаболических путей, но в гликофитах она сильнее и проявляется раньше, чем у галофитов, особенно в наземных органах.

 соль в определенных концентрациях является для галофита необходимым фактором окружающей среды, поддерживающим физиологическое состояние растения, т.к повреждение листовых дисков галофита

 растения имеющие экспрессию гена более устойчивы к стрессовому воздействию

 у гликофита корни не являются полноценным барьером для осмотического действия NaCl, поэтому в листьях индукция защитных систем выше, чем в солеустойчивых растениях.

 Молибден повышается устойчивость растений к стрессу и прайминг галофитов с помощью молибдена можно рекомендовать для практического использования с целью восстановления засоленных земель Казахстана.