Роль 24-эпибрассинолида в агроценозе при совместном использовании с пестицидами

 

 

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. ЛОМОНОСОВА

 

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

 

 

 

Роль 24-эпибрассинолида в агроценозе

при совместном использовании с пестицидами

 

 

 

Курсовая работа

студентки 4 курса

Фроловой Анны Михайловны

Научный руководитель:

Доктор биологических наук

Воронина Людмила Петровна

 

 

Москва - 2014 г.

Содержание:

 

Введение……………………………….…………………………………………. 3

I.Обзор литературы

I.1.Физиологические особенности действия брассиностероидов …...................6

1.1. Характеристика брассиностероидов…………………………...……………6

1.2.Ростстимулирующая активность брассиностероидов………………………7

1.3.Молекулярно–генетический анализ действия брассинотероидов…………………………………………………………………9

I.2. Антистрессовое действие  брассиностероидов………………………………9

2.1. Протекторная роль  брассиностероидов  при воздействии  различных стрессовых агентов………………………………………………………………..9

II. Экспериментальная часть

II.1. Материалы и методы………………………………………………..………17

II.2.Результаты.....................................................................................................23

Выводы…………………………………………………………………………..32

Список литературы…………………………………………………………….33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

    Исследование гормональной регуляции жизни растений – одна из одна из центральных задач мировой физиологии, биохимии и молекулярной биологии растений. Это связано с тем, что вся жизнь растительных организмов проходит под контролем фитогормонов. Регуляторы роста важны в реакции растений на внешние воздействия и формировании устойчивости растений к экстремальным условиям [Кулаева, Кузнецов, 2004].

Поиск новых эффективных регуляторов роста в сельском хозяйстве активно ведется с целью повышения продуктивности и устойчивости растений к неблагоприятным факторам произрастания, стимуляции плодо- и корнеобразования, улучшения биохимического состава плодов, и увеличения сроков их хранения. Выявление наиболее эффективных регуляторов роста, оптимальных способов их использования является актуальной задачей современной агрохимии. Производство экологически безопасной продукции, которая будет соответствовать установленным общегигиеническим, токсикологическим нормативам, не влияющей негативно на здоровье человека – первоочередное требование. Преимущество регуляторов роста является экологическая чистота, высокая степень распада [Солиев и др., 2012]. В Улучшение сельскохозяйственного производства имеет цель получение качественного продовольствия в условиях антропогенного воздействия на окружающую среду [Ибрагим Мохамед Салех Мохамед Али, Байрамбеков, 2010].

В научной литературе широко обсуждается способность брассиностероидов регулировать рост и развитие растений в процессе онтогенеза. Известно, что они изменяют активность ферментов, мембранный потенциал, активируют синтез белков и нуклеиновых кислот, регулируют метаболизм аминокислот и жирных кислот, влияют на гормональный статус растительного организма, стимулирую растяжение и деление клеток. Среди преимуществ брассиностероидов можно отметить их способность вызывать эффекты антистрессового действия в чрезвычайно низких концентрациях, по сравнению с другими гормонами. Однако механизмы стресс-протекторного действия стероидных фитогормонов остаются в настоящее время практически не исследованными [Ефимова и др., 2013].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Цель:

Получить аналитические данные по защитному действию брассиностероидов в условиях абиотических стрессов при выращивании сельскохозяйственных культур.

 

Задачи:

1. Описать полученные в вегетационных экспериментах ответные реакции растений при воздействии на них стрессовых агентов (пестицидов)
2. Оценить роль эпибрассинолида как фактора адаптации к изменяющимся условиям внешней среды
3. Провести анализ результатов в учетом защитного действия эпибрассинолида
4. Биотестирование гербицида раундап и его характеристика
5. Провести экспериментальные лабораторные исследования на тест-культуре по влиянию ЭБ на растения при его совместном применении с гербицидом раундап.
6. Микробиологические характеристики (смыв с листа, ризосфера и почва) экспериментальных объектов при воздействии исследуемых факторов (эпибрассинолид, раундап).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I.1.Физиологические особенности действия брассиностероидов

 

Характеристика брассиностероидов

 

Давно имело место мнение, что основные группы фитогормонов ауксины, цитокинины, гиббереллины, АБК и этилен не исчерпывают свой набор. О существовании гормонов стероидной формы были высказаны догадки в середине сороковых годов ХIХ века. Проводились многочисленные биотесты с применением эстрогена и тестостерона, однако результаты получались весьма  специфичными из-за высокой концентрации гормонов. Основная задача состояла в выделении гормонов из растений, осуществление которой происходило на протяжении долгого времени. В 1979 г. Гроув с соавторами выделил фитогормон стероидной формы в виде масляного экстракта, обнаруженный в пыльце рапса  (Brassica napus)  и  стимулирующий рост проростков в длину вторго междоузлия фасоли. Для того чтобы выделить 4 миллиграмма стероидного соединения необходимо было собрать 10 кг пыльцы рапса. Из липидной фракции Brassica napus кристаллическое вещество стероидной природы.  От латинского название рапса фитогормон стал называться брассинолидом (Рис. 1.), а вещества имеющее схожее молекулярное строение и  схожее физиологическое воздействие стали называть брассиностероидами, которых в настоящее время выделяют порядка шестидесяти соединений.

Рисунок 1. -  Брассинолид - первый выделенный брассиностероид

 

БС является производным 5-α-холестан, для которого характерно структурное сходство со стероидными гормонами животных эстрогена, тестостерона, экдизона. БС являются характерными соединениями для всего царства растений БС обнаружили во всех органах растений,  исключая корни, особенно отмечены повышенные концентрации в генеративных органах (от 5 до 190 нг/г сырой массы). Брассиностероиды способны к дистанционному транспорту, подтверждением этого факта являются данные о транслокации экзогенных меченных БС. В настоящее время брассиностероиды рассматриваются в качестве эффективных эндогенных регуляторов роста, что связано с большим количеством факторов  оказания физиологического воздействия на растения, включающие в себя ростстимулирующее и  защитное действие по отношению к стрессовым агентам [Шакирова, 2001; Чуб, 2003].

 

 

Ростстимулирующая активность брассиностероидов

 

С момента открытия брассиностероидов было известно об их ростстимулирующем действии, в связи с этим проводился ряд фитотестов характерный для «классических» фитогормонов, результаты которых имели как положительный, так и отрицательный эффект. Для биотестирования использовались весьма низкие концентрации БС (10-6 – 10-12), что является отличительной чертой от групп других фитогормонов. Анализ ростстимулирующего действия БС полон противоречивых данных, связанный с различием действующей концентрации, сроков обработки и восприимчивостью разных  групп растений.

Для того, чтобы выделить ростстимулирующее действие брассиностероидов применяют специфические биотесты. Высокая физиологическая активность БС проявляется в чувствительном тесте по изменению угла отклонения листовой пластинки риса от влагалища листа. БС оказывает стимулирующий эффект на деление и растяжение клеток, тем самым способствуя сильной активизации роста растения. 24-эпибрассинолид существенно ускоряет деление изолированных протопластов китайской капусты. БС взаимодействует с другими фитогормонами, способствуя регуляции ростовых процессов, и имеет влияние на эндогенный гормональный статус. Был проведен ряд тест–систем, в ходе которых проявился синергический эффект ИУК и БС, аддитивный эффект на элонгацию клеток гиббереллина и БС.

При обработке клетки экзогенными  фитогормонами регистрируется гиперполяризация мембран и активация протонной помпы, при применении БС процесс  индуцирования растяжения клеток также связан с связан с вышеупомянутыми процессами. БС способен активировать АТФ-азу. Влияние БС на протонную помпу опосредованно через модификацию липидного окружения АТФ-азного комплекса.

Активность белково-нуклеидного обмена клеток интенсифицирует ростовые процессы. Обработка БС гипокотилей и эпикотелей сои, а также проростков арабитопсиса вызывается активизацию транскрипции более 50 генов и усиление синтеза полипептидов. К благоприятному физиологическому воздействию на растения брассинолида относят стимуляцию фотосинтетической активности клеток, повышению уровня растворимых белков и углеводов. Показано возрастание активности растворимости инвертазы в изолированных семядолях риса и клеточно-стеночной инвертазы в суспензионной культуре клеток томата. БС участвует в дифференциации сосудов ксилемы: в наномолярных концентрациях БС увеличивает формирование элементов трахеид, обработанных ауксином и цитокинином отрезков топинамбура до десяти раз.

Учитывая результаты различных фитотестов можно сделать вывод что БС – эндогенные регуляторы роста – включаются в регуляцию разнообразных процессов жизнедеятельности растений, характеризуются множественными проявлениями физиологического действия и отвечают всем критериям фитогормонов. Высказывается мнение о лидирующей роли БС [Шакирова, 2001].

 

Молекулярно – генетический анализ действия брассиностероидов

 

Исследователи имеют БС – мутанты арабидопсиса, гороха и томата, разделяющиеся на два класса. К первому относятся БС – дефектные, содержащие гены, кодирующие факторы, вовлекающиеся в разные этапы по пути синтеза БС. Ко второму классу относят БС – нечувствительные, которые теряют активность факторов, участвующих в восприятии БС – сигнала. Использование второго класса мутантов выявляет отклонение от нормального развития растений, однако экзогенное внесение БС способствует нормализации жизненных процессов растений. Мутанты используются для изучения спектра индуцируемых БС генов. Первый клонированный ген именуется BRU1, специфически регулирующий БС зоны растяжения эпикотелей сои [Шакирова, 2001].

 

 

2. Антистрессовое действие брассиностероидов

2.1. Протекторная  роль брассиностероидов  при воздействии  различных стрессовых агентов

 

Большая роль в регуляции процессов обмена у растительных организмов принадлежит как фитогормонам, так и их синтетическим аналогам. В связи с этим актуально изучение механизмов действия регуляторов роста.

Ксенобиотики, выступая в качестве стрессора, могут ускорять процесс старения растения. Этот биологический отрегулированный процесс – заключительный этап в жизни растительных тканей. Старение приводит к структурным, биохимическим и молекулярным изменениям в растительном организме. Последняя фаза онтогенеза растений состоит из последовательности физиологических процессов, которые приводят к потере нескольких органов растений. Старение составляет неотъемлемую часть нормального   развития растения. Этот процесс может наблюдаться на различных организационных уровнях (клетка, ткань, орган). Ксенобиотики могут привести к преждевременной смерти растения, однако у растений включается  пассивный защитный механизм. С целью  изоляции от всего  организма,  в определенных органах  (например, в листьях) концентрируются токсичные для растения вещества.  Для устранения стрессора ускоряется процесс старения этого органа, следующим этапом является гибель органа и его ампутация. Возможен другой активный механизм. Растение устраняет ксенобиотики путем выделения их через корни и устьица в окружающую среду [Delmail, Labrousse, 2012]. 

Было проведено исследование действия эпибрассинолида и мелафена на физиолого-биохимические процессы картофеля, где было установлено, что при обработке регуляторами роста увеличивается интенсивность транспирации, содержание каратиноидов, снижается продукция ПОЛ (перикисное окисление липидов), увеличивается концентрация сахарозы в клубнях картофеля. Показано, что повышение активности нециклического фотофосфорилирования хлоропластов связано с участием эпибрассинолида. На фоне вышеописанного процесса происходит возрастание активности антиокислительных ферментов в листьях картофеля, в том числе пероксидазы. Авторы исследования полагают, что действие фитогормонов может положительно сказаться на урожае растения картофеля. [Кириллова, Бобровская,2010].

С целью снижения себестоимости продукции и затрат на возделывание льна рассмотрено влияние защитно-стимулирующих комплексов на урожай и качество волокна. Применение эпибрассинолида не приводит к накоплению тяжелых металлов (Fe, Cd, Co, Cr, Hg, Cu, Mn, Zn, Pb) в семенах льна, что позволяет продукции соответствовать требованиям экологической безопасности. В ходе исследований рассматривалось действие 24-эпибрассинолида при увеличении его концентрации с 5 до 50 мг/га (прибавка урожая 10-30%) и в смеси с иодидом калия. В результате исследований было установлено, что при использовании 24-эпибрассинолида в совокупности с иодидом калия наблюдаются наиболее высокие урожаи льна (прибавка до 40%). Также отмечена увеличившаяся устойчивость растений к полеганию, увеличению массы 1000 семян и числа коробочек на растении, улучшаются физико-механические свойства волокна. Используемые защитно-стимулирующие комплексы имеют структуру сходную с природной. С этим фактом связывают агроэкологическую эффективность фитогормонов. При использовании рекомендуемых доз обеспечивается возможность снижения доз традиционных средств химической защиты или же их полной замены растений, что позволяет снизить пестицидную нагрузку и как следствие получить экологически чистую продукцию [Захаренко и др.,2009].

Развитие биотехнологий растений позволило производить большое количество безвирусных растений. Последней стадией в этом процессе является доращивание регенерантов растений на твердой питательной среде, затем в грунте или на жидких средах. При этом наблюдаются большие потери регенерантов, которые составляют от 10 до 80%. Возможным способом снижения данного процесса является внесение регуляторов роста. Изучено влияние 24-эпибрассинолида на повышение устойчивости регенерантов щавеля кислого в периоды доращивания и акклиматизации с последующим переносом в тепличные условия. (Табл. 1.) Установлено, что фитогормон в концентрации 0,5 мг/л увеличивает продолжительность культивирования регенерантов без смены питательной среды в 2 раза, а также снижает гибель эксплантов. Входе исследований был сделан следующий вывод. При доращивании у регенерантов, выращиваемых без 24-эпибрассинолида на начальных стадиях наблюдалось более активное развитие листостебельной части, в развитии же корневой системы различия не были найдены. Предположили, что повышение устойчивости на начальных стадиях акклиматизации связано со снижением темпов развития «зеленой» части и перехода от резких ростовых процессов к усилению общего развития. [Скапцов, Куцев, 2013]