Наиболее распространенные стрессовые факторы – это влияние высоких или низких температур, недостаток или избыток влаги в почве, недостаточное или избыточное содержание солей и кислот в почве, неравномерность солнечного излучения. В этой статье расскажем о реакции растений кукурузы на условия чрезмерного засоления почвы. (Опубликовано в №1.2010г.)

КАК ОПРЕДЕЛИТЬ ЭТУ ПРОБЛЕМУ С ПОМОЩЬЮ ФЛУОРИМЕТРА
В условиях современной цивилизации, высокоразвитой промышленности все живые организмы подвергаются влиянию многочисленных неблагоприятных экологических факторов. Наиболее чувствительны к стрессовым факторам среди живых организмов – растения, как первые звенья пищевой цепочки, что и представляет интерес для многих исследователей (Lichtenthaler,1996). Проведено множество исследований для определения реакции растений на стрессовые условия. Как растения реагируют на влияние неблагоприятных факторов живой и неживой природы? Какие изменения происходят с растением вследствие такого влияния? Какие физиологические реакции происходят в растении в ответ на стрессовые условия? Одинаково ли реагируют растения на разные виды стрессов? Эти и многие другие вопросы интересуют не только ученых, но и практиков растениеводства.
Каждый год в мире 10% всех сельскохозяйственных культур подвергаются влиянию солевого стресса, что является причиной потери посевных площадей (Carter, 1975; Czerwinski и др. 1990).
Одна из наиболее чувствительных к солевому стрессу культура – кукуруза, нижний порог толерантности которой составляет 1,7 DS/м. Чтобы определить наличие солевого стресса в растениях на начальных стадиях для дальнейшей его ликвидации, разработано несколько различных методов. Наиболее точные методы – те, которые основаны на исследовании физиологических процессов в растениях, и среди них – метод флуориметрии (Lichtenthaler, Rinder, 1988). В последние годы метод флуориметрии в основе которого – флуоресценция хлорофилла, становится все более популярным наиболее точным методом (Mekkaoui, др., 1989).
Цель этой работы заключается в изучении механизмов толерантности и сопротивления ассимиляционного (фотосинтетического) аппарата у растений с С4 типом фотосинтеза (на примере кукурузы). Это позволит в будущем быстро определять наличие солевого стресса в растениях с помощью флуориметров. Исследования проводили в лабораторных условиях. Изучали лабораторную всхожесть семян кукурузы, реакцию листового аппарата, влияние на формирование початков кукурузы в условиях разной концентрации хлорной соли натрия в почвенном растворе. Изучали 5 сортов кукурузы в разной концентрации соли в растворе: 0, 60, 120, 180 ммоль NaCl/dm-3 . Растения кукурузы выращивали в лабораторных условиях, максимально приближенных к полевым.

Солевой стресс тормозит фотосинтез

Исследование показало, что при наличии солевого стресса в растений кукурузы снижается уровень интенсивности фотосинтеза и увеличивается концентрация углекислоты в междуклеточном пространстве листов. Реагировать на повышенное содержание соли в почве растения начинают через 24 часа после наступления стрессовых условий. Наивысший уровень снижения интенсивности фотосинтеза наблюдался, когда концентрация NaCl в почве составляла 180 ммоль NaCl/дм3. Также значительно (более чем в 10 раз) снижалась интенсивность фотосинтеза при концентрации соли 120 ммоль на дм3. В отличие от этого, концентрация NaCl60 ммоль вызвала только незначительное торможение фотосинтеза. Это говорит о достаточно высокой толерантности выбранных сортов кукурузы. Также засоленность почв влияет на процесс образования белков, что в дальнейшем сказывается на качестве продукции и ионный баланс. В условиях солевого стресса существенно снижается уровень транспирации (испарения влаги через устьица растения). Интенсивность транспирации снижается за счет понижения устьичной проводимости. Если условия стресса не ликвидировать, то, достигая новой фазы развития, в растений кукурузы устьичная проводимость почти останавливается. Чем выше концентрация соли в почве, тем ниже устьичная проводимость. Как следствие – снижение интенсивности газообмена, фотосинтеза и, в конечном счете – урожайности. Также в условиях длительного стресса снижается уровень поглощения корневой системой питательных веществ. Такая реакция растений обусловлена действием защитных механизмов во избежание интоксикации ионами соли, а также нарушением осмотического давления.

Дополнительная информация

По отношению к уровню содержания солей в почве все растения можно разделить на группы:
• солеустойчивые, которые могут расти на почвах с повышенным содержанием солей или не испытывают стресса при повышении уровня засоления почв;
• галофиты – растения, которые предпочитают расти на сильно засоленных почвах;
• галофобы – организмы, которые не переносят высокого содержания солей в среде. Среди сельскохозяйственных культур нет настоящих галофитов и галофобов. Все культуры, выращиваемые человеком, относятся к солеустойчивым растениям и различаются по степени толерантности (чувствительности) к уровню содержания солей в почве. Для каждой культуры существуют допустимые (в зависимости от фазы развития) значения концентрации солей в почве. По международным методикам, уровень засоленности почв измеряется в единицах электропроводности – decisiemens/метр DS/м. Определять содержание соли можно и в почвенном растворе (моль или ммоль/м3). В странах Западной Европы и Америки все почвы делят по степени засоления (табл.)

Основными солями, которые приводят к засолению почв, считают соли катионов кальция (Ca), магния (Mg), натрия (Na) и анионов сульфата (SO4). Высокий уровень солей в почве препятствует прорастанию семян, приводит к гибели растений. Солевой стресс по внешнему проявлению может напоминать действие засухи на растения. В условиях высокой засоленности останавливается осмотическая активность корневой системы растений и вода, питательные вещества не поступают к надземной части растений. Многолетние культуры более толерантны к повышению солей в почве, нежели однолетние. Нарушение солевого баланса приводит к снижению продуктивности культур, а также (в условиях длительного повышения содержания солей в почве) к полной гибели растений. Проблема засоленности почвы возникает, когда концентрация солей в почвенном растворе превышает 10 ммоль на м3. Признаки солевого стресса проявляются постепенно. Сперва растения ощущают недостаток воды, а также осмотический стресс (нарушение поступления воды и растворимых питательных веществ в растение) и, как последняя фаза солевого стресса, – интоксикация ионами солей.

В нашем исследовании концентрация хлорида натрия 60 ммоль/дм3 не вызывала видимых изменений в окраске листьев кукурузы. Но при повышении до 120, 180 ммоль содержания солей резко начинает снижаться содержание хлорофилла в листьях. Применение флуориметров в таких случаях предоставляет возможность определить самые первые изменения в функционировании фотосинтетического аппарата (на уровне фотосистем), то есть, флуориметры на сегодня – наиболее доступные и простые высокочувствительные приборы для определения наличия солевого стресса у растений кукурузы.

Технология измерений

Как это работает? В начальных стадиях стресса изменяется работа фотосистем (составной части процесса фотосинтеза). Изменения в работе фотосистем происходят раньше, чем всего процесса фотосинтеза. Таким образом, фиксируя изменения в работе фотосистем с помощью флуориметров, мы узнаем о начале действия стресса на растения уже тогда, когда никакие другие приборы (которые измеряют интенсивность фотосинтеза) не могут определить наличия воздействия стресса. Какие именно параметры флуоресценции фиксирует при солевом стрессе флуориметр? Первый показатель – световая энергия. Чем выше засоленность почвы, тем выше показатель потери солнечной энергии. Когда концентрация соли составляла 180 ммоль NaCl/дм3 изменялся показатель исходного (начального) уровня флуоресценции F0. Это говорит о том, что растения на низком уровне усваивают солнечную энергию, а основное количество солнечной энергии рассеивается (отсвечивается хлорофиллом). Растения функционируют в экономном режиме, когда уровень фотосинтеза близок к минимальному. Также уменьшается соотношение показателей Fv/FM (показатели средней и максимальной интенсивности флуоресценции хлорофилла), что впоследствие сказывается на показателях жизнеспособности растений.
 Определяя уровень флуоресценции хлорофилла, необходимо принимать во внимание фазу и уровень развития растений. С повышением уровня засоленности почвы в растениях кукурузы уменьшается количество энергии, которая используется в биохимических процессах. А энергия, которая не используется в образовании веществ, испаряется в виде тепла, что также фиксирует флуориметр (уровень отсвечивания энергии). Отсюда вывод, что чем больше выделяется тепловой энергии в условиях засоленности, тем сильнее стрессовые условия. В наших исследованиях количество выделяемой тепловой энергии увеличивалось с повышением концентрации хлорида натрия, при концентрации 60 ммоль количество выделяемой энергии, в сравнении с контролем, было выше в два раза, но при наивысшей концентрации соли (180 ммоль) количество выделяемой тепловой энергии было на уровне вариантов с концентрацией 120 ммоль. Это свидетельствует о том, что существует пороговая концентрация солей, после которой уровень стресса не повышается, то есть, растения подвергаются максимальному негативному влиянию.
Исследования показали, что снижения продуктивности кукурузы в условиях солевого стресса на первых этапах происходит за счет снижения интенсивности газообмена (углекислоты), а дальше – за счет ингибирования процессов фотосинтеза, о чем свидетельствует снижение показателей основных параметров флуоресценции.

И мы приходим к выводам

1. Наши исследования показали, что в растениях кукурузы в условиях высокого содержания NaCl замедляется процесс фотосинтеза (фотосинтез ингибируется в двух фазах – светловой и темновой), а пороговой концентрацией хлорида натрия, при которой стресс максимальный, является концентрация 120 ммоль NaCl/дм3.
2. В условиях солевого стресса угнетение фотосинтеза происходит независимо от уровня освещения растений. Даже если все растения кукурузы в посеве получают достаточное количество света в условиях избыточного содержания солей в почве, продуктивность растений снижается.
3. NaCl в низких концентрациях в почве стимулирует процесс фотосинтеза у молодых растений кукурузы, при этом важную роль играет концентрация СО2 в воздухе. Его количество должно быть высоким.
4. Повышение концентрации NaCl в почве вызывает значительные потери энергии в виде тепла, что, в свою очередь, приводит к сокращению потока электронов и уменьшению фотосинтетической активности, процесса разложения воды, что, в конечном счете, тормозит процесс фотосинтеза. Уменьшается также и ферментативная активность в растениях (приводит к замедлению остальных процессов в растении), о чем свидетельствует показатель QP на флуориметре. Как результат – уменьшение или полная потеря (неспособность формировать початки) урожая кукурузы.
5. Интенсивная реакция растений кукурузы на первых этапах проявления солевого стресса проявляется только на фоне высоких концентраций в почвенном растворе NaCl, что отражается в интоксикации растений и полной блокировке потока энергии в транспортной цепи электронов.
Исследования подтвердили, что измерение показателей флуоресценции хлорофилла с помощью флуориметров – быстрый и надежный способ определения влияния солевого стресса на процесс фотосинтеза и продуктивность кукурузы.

Хазем Калайи, Агнецка Рутковска