УДК 581.1

УСТЬИЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ В ЛИСТЬЯХ Cucumis sativus ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ И КРАТКОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР

© 2012 г. Е. Н. Икконен, Т. Г. Шибаева, М. И. Сысоева, Е. Г. Шерудило

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт биологии КарНЦ РАН, Петрозаводск

Поступила в редакцию 06.10.2011 г.

Изучали устьичную проводимость (УП) в листьях растений огурца (Cucumis sativus L., сорт Зозуля), подвергнутых на ранних этапах онтогенеза ежесуточному кратковременному (2 ч в конце ночного периода) или длительному (постоянному в течение суток) воздействию пониженной до 12°С температуры. Независимо от освещенности длительное низкотемпературное воздействие либо не изменяло, либо снижало УП по сравнению с контролем (23°С). Кратковременная периодическая низкотемпературная обработка способствовала повышению УП в области низких температур, независимо от освещенности, и в области высоких температур (33°С) – при освещенности 800 мкмоль/(м2 с) ФАР. Предполагается, что у теплолюбивых растений, подвергшихся разным типам низкотемпературной обработки, в ответ на низко- и высокотемпературные воздействия включаются разные механизмы регуляции устьичной реакции и стратегии приспособления растений к изменению условий обитания. “Необычное” поведение устьиц, проявляющееся в способности растений открывать их в условиях низких и высоких температур, способствует расширению адаптивного потенциала растений, подвергнутых периодическим кратковременным ежесуточным низкотемпературным обработкам, что обуславливает высокий уровень фотосинтеза, накопление биомассы и поддержание активной жизнедеятельности растений.

--------------------------------

Сокращения: ДРОП - кратковременное ежесуточное снижение температуры (от англ. drop), ПНТ – постоянная низкая температура, УП – устьичная проводимость.

Адрес для корреспонденции: Сысоева Марина Ивановна. 185910 Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11. Институт биологии КарНЦ РАН. Факс: 007 (8142) 76-98-10; электронная почта: sysoeva@krc.karelia.ru

Ключевые слова: Cucumis sativus – кратковременное и постоянное низкотемпературное воздействие – устьичная проводимость

 

ВВЕДЕНИЕ

Движение устьиц занимает важное место в регуляции водного баланса и газообмена растений, которая зависит от конкретной экологической ситуации [1] и находится под контролем внешних и внутренних факторов. Важная роль в регуляции движения устьиц и транспирации принадлежит температуре. Известно, что при низких температурах воздуха и почвы устьица закрываются, и у листьев теплолюбивых растений нарушается регуляция устьичной проводимости (УП). Однако в температурной регуляции движения устьиц остается много неясного. В частности, не исследована реакция устьичного аппарата на периодические кратковременные снижения температуры, которым растения довольно часто подвергаются в районах с умеренным климатом, причем, согласно одному из сценариев изменения климата, температурные колебания будут усиливаться, особенно в ранневесенний период [2]. Такие кратковременные низкотемпературные воздействия отличаются от длительного действия субоптимальных температур, что характерно для большей части вегетационного сезона при выращивании теплолюбивых культур на “низкотемпературных” границах их географического распространения [3]. Кроме того, периодические кратковременные снижения температуры широко используются в современном растениеводстве в качестве одного из приемов выращивания растений в условиях защищенного грунта [4].

Целью настоящей работы явилось изучение ответной реакции устьичного аппарата теплолюбивых растений огурца на длительное и периодическое кратковременное действие низких температур. 

 

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Семена огурца (Cucumis sativus L., сорт Зозуля) проращивали в термостате при 28°С в течение двух суток, высаживали в вазоны с песком (полив питательным раствором Кнопа с добавлением микроэлементов, рН 6.2-6.4) и помещали в камеру искусственного климата. Растения выращивали при температуре 23°С, фотопериоде 12 ч, освещенности 120 мкмоль/(м2 с) ФАР, влажности воздуха 60-70% в течение двух недель. По достижении фазы первого настоящего листа часть растений оставляли при 23°С (контроль), а остальные растения в течение 6 суток либо подвергали ежесуточным снижениям температуры (с 23 до 12°С) на 2 ч в конце ночного периода (вариант ДРОП), либо выращивали при постоянной низкой температуре 12°С (вариант ПНТ). Затем растения всех вариантов переносили в первоначальные оптимальные свето-температурные условия на 2 недели. По окончании низкотемпературных обработок и в конце эксперимента у первого настоящего листа измеряли УП при помощи портативной системы для исследования СО2 и Н2О-обмена, соединенной с листовой камерой с контролируемыми условиями освещенности, температуры и влажности воздуха (“Walz”, Германия). Измерения проводили в климатической камере при температуре воздуха 8, 13, 17, 22 и 33°С и освещенности 200 и 800 мкмоль/(м2 с). Перед началом измерений растения адаптировали к температурным условиям в течение 1 ч. 

На рисунках приведены средние арифметические значения из двух независимых опытов и их стандартные отклонения. Повторность при оценке УП – 5-кратная. Данные обработаны статистически с использованием пакета программ Statgraphics for Windows 7.0. В статье обсуждаются величины, достоверно различающиеся при Р < 0.05.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

При обоих исследованных уровнях освещенности различия в величинах УП растений трех вариантов были статистически недостоверны в области оптимальных температур.

При освещенности 200 мкмоль/(м2 с) УП контрольных растений не изменялась в диапазоне температур 17–33°С и снижалась при температурах 8 и 13°С (рис. 1а). С увеличением освещенности до 800 мкмоль/(м2 с) УП контрольных растений в среднем возросла на 20%, незначительно варьируя во всем исследованном диапазоне температур (рис. 1б). Постоянная низкотемпературная обработка растений (вариант ПНТ) вызывала по сравнению с контролем статистически значимое снижение УП в области температур выше 13°С, наиболее сильно выраженное при высокой температуре (33°С) в условиях освещенности 200 мкмоль/(м2 с) (рис. 1а). УП растений варианта ПНТ была ниже, чем в контроле в области температур ниже 17°С при освещенности 800 мкмоль/(м2 с) (рис. 1б). Уровень снижения УП растений варианта ПНТ по сравнению с контролем составил в среднем 50%.

На ежесуточные кратковременные низкотемпературные обработки (вариант ДРОП) растения реагировали значительным (в 2 раза) повышением УП в ответ на снижение температуры до 8 и 13°С независимо от освещенности (рис. 1). Высокая освещенность и высокая температура (33°С) также увеличивали УП у растений данного варианта (рис. 1б). 

В последействии низкотемпературных обработок, спустя 2 недели выращивания растений в оптимальных свето-температурных условиях, УП у опытных растений не отличалась от контроля в температурном диапазоне 8-23°С независимо от уровня освещенности (рис. 2). Различия выявлялись только при температуре 33°С, при которой сохранилось наблюдаемое в действии низкотемпературных обработок снижение УП на 50% относительно контроля у растений варианта ПНТ при низкой освещенности (рис. 2а) и повышение УП на 53% у растений варианта ДРОП при высокой освещенности (рис. 2б).

 

ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ экспериментальных данных позволил установить различия в реакции устьичного аппарата у растений огурца на постоянное и периодическое кратковременное охлаждение. В условиях оптимальных температур оба типа низкотемпературной обработки (ПНТ и ДРОП) незначительно изменяли УП по сравнению с контрольными растениями. Различия проявлялись только при низких и высоких температурах. Постоянная низкотемпературная обработка растений снижала, а кратковременная ежесуточная низкотемпературная обработка повышала УП у растений. Изменения УП под влиянием высоких температур зависели от уровня освещенности. В целом, реакция устьичного аппарата растений варианта ПНТ отличалась от реакции контрольных растений только количественно, но при этом у них сохранялся схожий характер зависимости УП от температуры. Реакция же растений, подвергшихся кратковременным ежесуточным воздействиям низкой температуры (вариант ДРОП), отличалась качественно. “Необычное” поведение устьиц у растений варианта ДРОП, т.е. увеличение УП при низких и высоких температурах, свидетельствует о том, что при периодических кратковременных низкотемпературных воздействиях у теплолюбивых растений регуляция водного баланса осуществляется с помощью другого, альтернативного механизма.

Известно несколько механизмов, которые могут вызвать закрытие устьиц в ответ на действие низких температур. Основными из них являются снижение гидравлической проводимости корней и притока воды в надземную часть [5] и изменение содержания эндогенных фитогормонов в листьях растений [6, 7]. Установлено [8], что низкие температуры вызывают значительное изменение уровня свободной АБК в тканях растений, причем эта реакция происходит достаточно быстро. Так, содержание АБК в листьях огурца при 10°С возрастало уже через 1-2 ч после начала низкотемпературного воздействия и многократно увеличивалось на третьи сутки [8, с. 55-58]. На седьмые сутки экспозиции растений огурца при температуре 7°С концентрация АБК в ксилеме увеличилась почти в 50 раз, что сопровождалось 5-кратным уменьшением УП [9]. Показано, что помимо АБК в регуляции состояния устьиц участвуют и цитокинины: поддержание устьиц в открытом состоянии при высоком уровне цитокининов и их закрытие при снижении содержания фитогормона [7]. У растений огурца при воздействии температуры 7°С на седьмые сутки уровень цитокининов снижался на 91.5% [9]. Эти литературные данные объясняют изменения УП у контрольных растений и растений варианта ПНТ в ответ на понижение температуры. 

Механизм же повышения УП в ответ на действие низких температур у растений варианта ДРОП до настоящего времени остается неясным, однако можно предположить, что вызванный ежесуточными кратковременными низкотемпературными обработками “необычный” эффект открытия устьиц при низких температурах, возможно, связан с изменением чувствительности устьиц к АБК. Известно, что у некоторых видов теплолюбивых растений, таких как огурец, томат, фасоль, хлопок и соя, низкие температуры могут вызывать блокирование устьиц в открытом состоянии вследствие снижения чувствительности к АБК замыкающих клеток [10-12]. Предполагается, что феномен снижения реакции устьиц на АБК в условиях низких температур широко распространен и может иметь большое физиологическое и экологическое значение [13]. Функциональная значимость этого явления заключается в установлении суточного характера изменений УП у растений, находящихся в условиях мягкого водного стресса, листья которых содержат и/или получают достаточное количество АБК для контроля за поведением устьиц. В ранние утренние часы, когда температура и потенциальная транспирация имеют низкие значения, наличие АБК не ингибирует открытие устьиц. Это дает возможность растению фотосинтезировать в период, когда мала вероятность того, что открытие устьиц подвергнет растение риску сильного водного стресса. Однако позже в течение дня, когда температура повышается и значительно возрастает потенциальная скорость транспирации, тот же уровень содержания АБК обеспечивает защиту растения, индуцируя закрытие устьиц [13].

При повышении температуры до 33°С реакция контрольных растений и растений варианта ПНТ согласуется с общими представлениями о частичном закрытии устьиц при температурах выше 30°С. Однако растения варианта ДРОП в условиях высоких температур и освещенности продемонстрировали “необычный” эффект повышения УП. Возможно, при кратковременных ежесуточных низкотемпературных воздействиях адаптивная реакция растений на повышение температуры основана на описанном в литературе изменении гидравлической проводимости корней в соответствии с транспирационным запросом для поддержания оводненности листа при любом воздействии, создающем дисбаланс между поглощением воды и ее потерей [14, 15]. Показано возрастание гидравлической проводимости у корней при повышении температуры и предполагается, что механизм координации устьичной и гидравлической проводимости связан с характером перераспределения АБК в растении, а именно с притоком гормона из побега в корень по флоэме при повышении температуры [16, 17]. При этом сбалансированность притока воды и ее испарения позволяет устьицам оставаться открытыми, что обеспечивает газообмен и фотосинтез растений. Кроме того, имеются данные о повышении (восстановлении) гидравлической проводимости корней после ее резкого первоначального снижения при воздействии низких положительных температур, однако клеточные механизмы восстановления гидравлической проводимости корней остаются неясными [18].

Ранее было показано, что основными отличиями ответной реакции растений на ежесуточное кратковременное воздействие низкой закаливающей температурой являются более высокий прирост холодоустойчивости с параллельным приростом теплоустойчивости, а также сочетание высокой холодоустойчивости с высокой фотосинтетической активностью и повышением продуктивности [19-21]. 

Полученные в настоящей работе результаты свидетельствуют об адаптивной реакции растений варианта ДРОП, позволяющей поддерживать устьица в открытом состоянии, что важно для сохранения высокого уровня фотосинтеза и накопления биомассы. Результаты нашего исследования подтверждают высказанное ранее предположение [20] о том, что стратегия развития растения при периодических кратковременных снижениях температуры заключается в повышении устойчивости, стимуляции метаболических процессов и настройке на активный метаболизм.

В противоположность кратковременному действию низких температур, при постоянном действии тех же закаливающих температур рост холодоустойчивости растений огурца [20] сочетается с ингибированием СО2-газообмена и ростовой активности растений [19, 21, 22], что соответствует выявленной нами низкой УП у растений варианта ПНТ в области низких температур.

Таким образом, у растений огурца, подвергшихся разным типам температурного воздействия, в ответ на действие низких и высоких температур включаются разные механизмы регуляции устьичной реакции и стратегии приспособления к изменению условий среды. Способность растений поддерживать устьица в открытом состоянии в условиях низких и высоких температур способствует расширению адаптивного потенциала растений, подвергнутых кратковременным ежесуточным низкотемпературным обработкам, что обуславливает высокий уровень фотосинтеза, накопление биомассы и поддержание активной жизнедеятельности таких растений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 10-04-00097_а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Matzner S., Comstock J. The Temperature Dependence of Shoot Hydraulic Resistance: Implications for Stomatal Behaviour and Hydraulic Limitation // Plant Cell Environ. 2001. V. 24. P. 1299-1307.

2. Филатов Н.Н., Назарова Л.Е., Сало Ю.А., Семенов А.В. Динамика и прогноз изменения климата Восточной Фенноскандии // Гидроэкологические проблемы Карелии и использование водных ресурсов / Под ред. Филатова Н.Н., Регеранд Т.И., Лившица В.Х., Карпечко Ю.В. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2003. С. 33-39.

3. Allen D.A., Ort D.R. Impact of Сhilling Temperatures on Photosynthesis in Warm-Climate Plants // Trends Plant Sci. 2001. V. 6. Р. 36-42.

4. Moe R., Heins R.D. Thermo- and Photomorphogenesis in Plants // Adv. Floricult. Res. Agric. Univ. Norway. 2000. Rep. № 6. P. 52–64.

5. Davies W.J., Rodriguez J.L., Fiscus E.L. Stomatal Behavior and Water-Movement through Roots of Wheat Plants Treated with Abscisic Acid // Plant Cell Environ. 1982. V. 5. P. 485-493.

6. Mansfield T.A., McAinsh M.R. Hormones as Regulator of Water Balance // Plant Hormones / Ed. Davies P.J. London: Kluwer, 1995. P. 598-616.

7. Веселова С.В., Фархутдинов Р.Г., Веселов Д.С., Кудоярова Г.Р. Роль цитокининов в регуляции устьичной проводимости проростков пшеницы при быстром локальном изменении температуры // Физиология растений. 2006. Т. 53. C. 857-862.

8. Титов А.Ф., Таланова В.В. Устойчивость растений и фитогормоны. Петрозаводск: изд-во КарНЦ РАН, 2009. 206 с.

9. Zhou Y., Huang L., Zhang Y., Shi K., Yu J., Nogues S. Chill-Induced Decrease in Capacity of RuBP Carboxylation and Associated H2O2 Accumulation in Cucumber Leaves Are Alleviated by Grafting onto Figleaf Gourd // Ann. Bot. 2007. V. 100. P. 839-848.

10. Bagnall D., Wolfe J., King R.W. Chill-Induced Wilting and Hydraulic Recovery in Mung Bean Plants // Plant Cell Environ. 1983. V. 6. P. 457-464.

11. Eamus D. Influence of Preconditioning upon the Changes in Leaf Conductance and Leaf Water Potential of Soybean, Induced by Chilling, Water Stress and Abscisic Acid // Aust. J. Plant Physiol. 1987. V. 14. P. 331-339.

12. Guye M.G., Wilson J.M. The Effects of Chilling and Chill-Hardening Temperatures on Stomatal Behaviour in a Range of Chill-Sensitive Species and Cultivars // Plant Physiol. Biochem. 1987. V. 25. P. 717-721.

13. Honour S.J., Webb A.A.R., Mansfield T.A. The Response of Stomata to Abscisic Acid and Temperature Are Interrelated // Proc. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1995. V. 259. P. 301-306.

14. Steudle E. Water Uptake by Roots: An Integration of Views // Plant Soil. 2000. V. 226. P. 15-56.

15. Кудоярова Г.Р., Веселов Д.С., Фаизов Р.Г., Веселова С.В., Иванов Е.А., Фархутдинов Р.Г. Реакция устьиц на изменение температуры и влажности воздуха у растений разных сортов пшеницы, районированных в контрастных климатических условиях // Физиология растений. 2007. Т. 54. C. 54-58.

16. Фархутдинов Р.Г., Веселова C.B., Золотов А.Л., Леонтьев И.П., Кудоярова Г.Р. Изучение гидравлической и устьичной проводимости для проверки засухоустойчивости проростков пшеницы при повышении температуры // Агрохимия. 2004. Т. 7. С. 53-57.

17. Kudoyarova G., Veselova S., Hartung W., Farhutdinov R., Veselov D., Sharipova G. Involvement of Root ABA and Hydraulic Conductivity in the Control of Water Relations in Wheat Plants Exposed to Increased Evaporative Demand // Planta. 2011. V. 233. P. 87-94.

18. Melkonian J., Yu L.-X., Setter T.L. Chilling Responses of Maize (Zea mays L.) Seedlings: Root Hydraulic Conductance, Abscisic Acid, and Stomatal Conductance // J. Exp. Bot. 2004. V. 55. P. 1751-1760.

19. Акимова Т.В., Попов Э.Г. Влияние температуры на фотосинтез и дыхание растений огурца // Эколого-физиологические механизмы устойчивости растений к действию экстремальных температур / Петрозаводск: изд-во Кар. ф-ла АН СССР, 1978. С. 66-74.

20. Марковская Е.Ф., Сысоева М.И., Шерудило Е.Г. Феномен ежесуточного кратковременного влияния низких закаливающих температур на жизнедеятельность растения // Онтогенез. 2008. Т. 39. С. 323-332.

21. Сысоева М.И., Икконен Е.Н., Шерудило Е.Г. Влияние кратковременных и длительных низкотемпературных воздействий на нетто-фотосинтез листьев огурца // Матер. межд. конф. “Структурные и функциональные отклонения от нормального роста и развития растений под воздействием факторов среды” / Под ред. Новицкой Л.Л. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. С. 335-337.

22. Чермных Л.Н., Чугунова Н.Г., Кособрюхов А.А., Карпилова И.Ф., Чермных Р.М. Взаимосвязь ростовых процессов и фотосинтеза в онтогенезе листа огурцов при действии пониженной ночной температуры // Физиология растений. 1980. Т. 27. С. 1101-1109.

Подписи к рисункам 

 

Рис. 1. Устьичная проводимость в листьях растений огурца при кратковременном (ДРОП) и постоянном (ПНТ) действии температуры 12°С при освещенности 200 мкмоль/(м2 с) (а) и 800 мкмоль/(м2 с) (б).

  - контроль,   - ДРОП,   - ПНТ.

 

Рис. 2. Устьичная проводимость в листьях растений огурца в последействии кратковременного (ДРОП) и постоянного (ПНТ) низкотемпературного (12°С) воздействия при освещенности 200 мкмоль/(м2 с) (а) и 800 мкмоль/(м2 с) (б).

  - контроль,   - ДРОП,   - ПНТ.