Лекции по физиологии растений

ЛЕКЦИЯ 13

Устойчивость растений к эдафическим факторам: солеустойчивость, ионная токсичность. Классификация растений по способности произрастания на засоленных почвах. Основы и принципы фиторемедиции.

Цель лекции: Солеустойчивость - это способность растений произрастать на засоленных почвах. Засоленность почвы определяется концентрацией солей в корнеобитаемом слое почвы. На сильно засоленных почвах количество солей превышает 0,5% (от веса почвы).  Возделывать культуры на таких почвах нецелесообразно. Среднезасоленные почвы имеют концентрацию солей 0,2-0,5%. Такие почвы используются в сельском хозяйстве, но на них обычно получают пониженный урожай. Незасоленные почвы содержат 0,1-0,2% солей и на них возможно произрастание почти всех полевых культур. Растения по их отношению к засоленности почвы разделяют на две основные группы: галофиты и гликофиты. Растения, приспособленные к существованию в условиях избыточного засоления, называют галофитами.  Гликофиты — растение незасоленных водоемов и почв. Гало и гликофиты различаются рядом анатомических    особенностей    и    особенностей    обмена веществ. Выделяют три механизма губительного воздействия солей: токсический, осмотический, и микробиологический. При повышенной концентрации солей происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования, повреждение поверхностных слоев цитоплазмы, нарушение ультраструктуры клеток  и азотного обмена, угнетение роста растений. В условиях засоления отмечено образование таких токсичных продуктов, как кадаверин и путресцин, являющихся аналогами трупного яда. Принято  различать  карбонатный, хлоридный, сульфатный, сульфатно-хлоридный, хлоридно-сульфидный и смешанный типы засоления. Особенно распространены хлоридный, сульфидный и смешанный типы. Из них наиболее отрицательное действие на растения оказывает хлоридный тип засоления. Меньший вред причиняет смешанный тип засоления.

Изучение воздействия  тяжелых металлов (ТМ) на растения, животных и людей  становится все более актуальным, в связи с возрастающим загрязнением окружающей среды. Тяжелые металлы – это химические элементы, имеющие относительную молекулярную массу больше 40. Однако, некоторые ТМ (ртуть, кадмий, свинец) являются токсичными,  другие (медь, цинк, молибден, железо) в небольших количествах необходимы как животным, так и растениям. Ртуть, кадмий и свиней считаются наиболее опасными загрязнителями окружающей среды, т.к. широко используются в промышленности. Растения, устойчивые к тяжелым металлам подразделяются на аккумуляторы, индикаторы и исключители. Главным фактором токсического действия ТМ  является повреждение ферментов. Один из механизмов адаптации к тяжелым металлам – выработка металлоустойчивых ферментов или металлосвязывающих белков (металлотеониинов). Отравление растений ТМ может происходить как за счет их поступления в организм через корни из загрязненных почв, так и из-за влияния металлов на надземные части растений. В этом случае происходит угнетение фотосинтеза, усиление дыхания, торможение оттока метаболитов и другие процессы, которые являются отрицательной реакцией организма. Механизмы, контролирующие поглощение ТМ растениями объединяют в две группы -  внутренние и внешние.

         Высокое содержание ТМ таких как Hg, РЬ, Cd, Zn, Сг, Со, Си оказывает ядовитое воздействие на живые организмы и их токсичное действие проявляется при различных концентрациях. По чувствительности к ним животных и человека металлы можно расположить в следующий приблизительный ряд: Hg > Си > Zn> Ni > Pb > Cd > Cr > Sn > Fe > Mn > Al.

Вопросы для самоконтроля

1. На какие группы делятся растения по их отношению к засоленности почвы?
2. Сколько известно механизмов воздействия солей на растения? Дайте их основную характеристику.
3. Какие физиолого-биохимические изменения происходят в растениях при их произрастании на засоленных почвах?
4. Какие элементы относятся к тяжелым металлам?
5. Почему тяжелые металлы являются наиболее опасными загрязнителями окружающей среды?
6. За счет каких механизмов растения адаптируются к воздействию тяжелых металлов?

ЛЕКЦИЯ 14

Устойчивость растений к патогенным микроорганизмам. Основные сведения о фитоиммунитете. Физиология больного растения. Использование методов культуры клеток и тканей для получения растений, устойчивых к болезням и вредителям. Получение безвирусного растительного материала в культуре in vitro. Иммунитет растений

Цель лекции: Иммунитет – это невосприимчивость растений к возбудителям болезней и вредителям, а также к продуктам их жизнедеятельности. Частные проявления И. р. — устойчивость (резистентность) и выносливость. Устойчивость заключается в том, что растения какого-либо сорта (иногда вида) не поражаются болезнью или вредителями либо поражаются менее интенсивно, чем другие сорта (или виды). Основатель учения об И. р. — советский биолог Н. И. Вавилов, положивший начало изучению его генетической природы. Он считал, что устойчивость против паразитов выработалась в процессе эволюции растений в центрах их происхождения на фоне длительного (в течение тысячелетий) естественного заражения возбудителями болезней. Если в результате эволюции растения приобретали гены устойчивости к патогенам — возбудителям болезней, то последние приобретали свойство поражать устойчивые сорта вследствие появления новых физиологических рас. Американский генетик и фитопатолог Х. Г. Флор выдвинул гипотезу "ген на ген". По этой теории, все гены резистентного растения (R-гены) рано или поздно должны быть преодолены генами вирулентности паразита, так как темп его размножения намного выше, чем у растения. Единой теории И. р. нет вследствие большого разнообразия типов возбудителей болезней и защитных реакций растений. Н. И. Вавилов подразделял И. р. на структурный (механический) и химический. Механический И. р. обусловлен морфологическими особенностями растения-хозяина, в частности наличием защитных приспособлений (например, густое опушение побегов и т. д.), которые препятствуют проникновению патогенов в тело растений. Химический И. р. обусловлен многими химическими особенностями растений. Иногда И. р. зависит от недостатка в растении какого-либо необходимого для паразита вещества, в других случаях растение вырабатывает вещества, вредные для паразита (фитоалексины немецкого биолога К. Мюллера; фитонциды советского биолога Б. П. Токина). Советский микробиолог Т. Д. Страхов наблюдал, что в тканях устойчивых к болезням растений происходят регрессивные изменения патогенных микроорганизмов, связанные с действием ферментов растения, его обменными реакциями. Советский биохимики Б. А. Рубин и другие связывают реакции растений, направленные на инактивацию возбудителя болезни и его токсинов, с деятельностью окислительных систем и энергетическим обменом клетки. Различные ферменты растений, регулирующие энергообмен, характеризуются разной степенью устойчивости к продуктам жизнедеятельности патогенных микроорганизмов. У иммунных форм растений доля участия ферментов, устойчивых к метаболитам патогенов, более значительна, чем у неиммунных. Наиболее устойчивы к влиянию метаболитов окислительные системы (пероксидазы и полифенолоксидазы), а также ряд флавиновых ферментов. В инфицированных клетках иммунных растений активность этих ферментов не только не падает, но даже возрастает. Это активирование обусловлено биосинтезом ферментных белков, как идентичных присутствующим в незаражённых тканях, так и отличающихся от них по ряду свойств (так называемых изоферментов). У растений, как и у беспозвоночных животных, не доказана способность вырабатывать антитела в ответ на антигены. Только у позвоночных имеются специальные органы, клетки которых вырабатывают антитела.  В инфицированных тканях у иммунных растений образуются полноценные в функциональном отношении органоиды протоплазмы — митохондрии, пластиды, рибосомы, которые обусловливают присущую иммунным формам растений способность не только сохранять, но и повышать при инфекции энергетическую эффективность дыхания. И. р. — выражение особенностей протопласта, клетки, ткани, органа и организма в целом, представляющего сложную, разнокачественную и в то же время функционально единую биологическую систему. Характер ответных реакций растений на повреждения вредителями, паразитами — образование химических, механических и ростовых барьеров, способность к регенерации поврежденных тканей, замена утраченных органов — всё это играет важную роль в И. р. к вредителям и паразитам.

В селекции растений на устойчивость к заболеваниям и вредителям наибольшее значение имеет гибридизация (внутрисортовая, межвидовая и даже межродовая). Исходным материалом для селекции служат авто- и амфиполиплоиды, на основе которых получают гибриды между разнохромосомными видами. Такие амфидиплоиды созданы, например, советским селекционером М. Ф. Терновским при получении сортов табака, устойчивых к мучнистой росе. Для создания устойчивых сортов можно использовать искусственный мутагенез, а у перекрёстноопыляемых растений — отбор среди гетерозиготных популяций. Таким способом советские селекционеры Л. А. Жданов и В. С. Пустовойт получили сорта подсолнечника, устойчивые к заразихе. Для длительного сохранения устойчивости сортов предложено: 1) создание многолинейных сортов путём скрещивания хозяйственно ценных сортов с сортами, несущими разные гены устойчивости. При этом вследствие разнообразия генов устойчивости у полученных гибридов новые расы паразитов не могут накопиться в достаточном количестве; 2) сочетание в одном сорте R-генов с генами полевой устойчивости. Повышению устойчивости способствует также периодическая смена сортового состава в том или ином районе или хозяйстве.

Вопросы для самоконтроля

7. Что такое иммунитет растений?
8. Кто является основателем учения об иммунитете растений?
9. Какие типы иммунитета вы знаете?
10. Какие методы используются для получения растений, устойчивых к заболеваниям и вредителям?
11. В чем преимущество использования метода культуры клеток и тканей растений для получения безвирусного растительного  материала?

ЛЕКЦИЯ 15

Применение методов культуры клеток и тканей для получения растений, устойчивых неблагоприятным факторам окружающей среды. Клеточная селекция растений. Основные принципы и перспективы использования клеточной селекции растений

Цель лекции: Показать основные принципы, пути и перспективы применения методов культуры клеток и тканей для получения растений, устойчивых неблагоприятным факторам окружающей среды. Клеточная селекция растений.

 Одно из направлений клеточных технологий — это использование их в селекции, которое облегчает и ускоряет традиционный селекционный процесс в создании новых форм и сортов растений. Существующие методы культивирования изолированных клеток и тканей in vitro условно можно разделить на две группы. Первая группа — это вспомогательные технологии, которые не подменяют обычную селекцию, а служат ей. К ним можно отнести: оплодотворение in vitro (преодоление прогамной несовместимости), культивирование семяпочек и незрелых гибридных зародышей (преодоление постгамной несовместимости), получение гаплоидов путем культивирования пыльников и микроспор, криосохранение изолированных клеток, тканей и органов, клональное микроразмножение отдаленных гибридов. Вторая группа методов ведет к самостоятельному, независимому от традиционных методов селекции, получению новых форм и сортов растений: клеточная селекция с использованием каллусной ткани, соматическая гибридизация (слияние изолированных протопластов и получение неполовых гибридов), применение методов генной инженерии.

Спонтанный и индуцированный мутагенез в культуре клеток, тканей и протопластов  позволяет получать растения, представляющие практический интерес для селекционеров. Важное практическое значение имеет создание форм растений, устойчивых к неблагоприятному действию факторов внешней среды, таких как низкие температуры, засоление почв, загрязнение природной среды токсическими веществами, поражение вредителями и возбудителями болезней. Эти факторы могут быть использованы в качестве селективного фона в процессе клеточной селекции. Клетки, сохранившие при этом жизнеспособность, могут быть регенерированы в целые растения. В качестве селективных агентов используют антибиотики, ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот, аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, фито- и патотоксины, агенты, вызывающие солевой и водный стресс, аналоги аминокислот и т.д. Для проведения клеточной селекции используют следующие приемы:

— прямая (позитивная) селекция, при которой выживает лишь определенный искомый мутантный тип клеток;

— непрямая (негативная) селекция, основанная на избирательной гибели делящихся клеток дикого типа и выживания метаболически неактивных клеток, но требующая дополнительной идентификации у них мутационных изменений;

— тотальная селекция, при которой индивидуально тестируются все клеточные клоны;

— визуальная селекция и неселективный отбор, когда вариантная линия может быть идентифицирована среди всей популяции клеток визуально или при использовании биохимических методов (тонкослойная или жидкостная хроматография, радиоиммунный анализ, микроспектрофотометрия и др.).

Из перечисленных выше приемов клеточной селекции прямая селекция является наиболее распространенным методом и используется главным образом для выделения растений-регенерантов, устойчивых, например, к гербицидам, антибиотикам, токсинам, тяжелым металлам, солям и другим антиметаболитам. Для проведения работ по клеточной селекции растений в условиях in vitro в качестве объекта исследования могут быть использованы каллусные, суспензионные культуры или изолированные протопласты. Выбор объекта зависит от наличия разработанных технологий применительно к различным видам растений, а также от конечных целей исследования. Проведение селекции на клеточном уровне позволяет создавать новые формы растений в 2—4 раза быстрее по сравнению с традиционными способами селекции.