Механизмы газоустойчивости растений

Анатомо-морфологические признаки, способствующие повышению газоустойчивости, – мощная кутикула, дополнительные восковые покровы, опушение, меньшая вентилируемость губчатой паренхимы, черты ксероморфности, в частности мелкие устьица. Восковой налет на листьях создает водоотталкивающее покрытие, и грязь легко смывается водой. Восковой налет закрывает устьичные щели, что повышает устойчивость к загазованности. У С₄-растений клетки обкладки проводящих пучков создают барьер, препятствующий воздействию СO₂ на загрузку флоэмы ассимилятами.

Физиолого-биохимические приспособительные механизмы включают регулирование поступления газов, поддержание буферности цитоплазмы и ее ионного баланса, детоксикацию образующихся ядов. Регуляция поглощения газов определяется прежде всего чувствительностью устьиц. Под влиянием газов (особенно сернистого) растения газоустойчивых видов сами устьица закрывают. Например, у растений приспособленных видов при повышении концентрации газов степень открытости устьиц уменьшается на 40 %, а у неприспособленных только на 11 %.

Поддержание ионного баланса и буферных свойств цитоплазмы может быть связано с уровнем в клетках катионов (К⁺, Na⁺, Са²⁺), способных нейтрализовать ангидриды кислот. Обычно растения, устойчивые к засухе, засолению и некоторым другим подобным воздействиям, имеют более высокую газоустойчивость, возможно благодаря способности регулировать водный режим и ионный состав. На это указывает усиление под влиянием сернистого газа признаков ксероморфности листьев, а под действием хлора – признаков суккулентности.

Детоксикация газообразных ядов происходит в результате усиления фитонцидных выделений растений (эфирных масел), обладающих антисептическими свойствами. Это характерно для некоторых видов устойчивых к сернистому газу древесных растений. У хвойных повышение уровня сернистого газа увеличивает содержание эфирных масел в хвое. В условиях загазованности подобное обезвреживание ядовитых газов способствует поддержанию фотосинтеза и синтеза в целом на достаточно высоком уровне. У газоустойчивых растений обеспечивается сбалансированность фотосинтеза и оттока ассимилятов. Детоксикация газов может быть результатом и их химического преобразования. Так, в клетках сернистый газ после растворения может дать бисульфит или сульфит. Последний токсичен для растений, но при низкой концентрации метаболизируется хлоропластами до нетоксичного сульфата. При низкой концентрации эффективно обезвреживается и бисульфит, тогда сернистый газ может рассматриваться как источник серы для растения. Однако при повышенных концентрациях этого и других газов их повреждающее действие оказывается настолько сильным, что растения не могут обеспечить их детоксикации.

Уход от воздействия с помощью, например, анатомо-морфологических особенностей – это пассивная устойчивость, а физиологическая способность мириться с поглощением газа или обезвреживать его – активная. Для устойчивых растений характерны: пониженная интенсивность газообмена; высокая скорость метаболизма органических соединений и их транспорта; большая летальная доза при накоплении сернистого газа в клетках и способность к восстановлению обмена веществ, высокая экологическая пластичность. В условиях загазованности у приспособленных растений сохраняются необходимый уровень фотосинтеза и дыхания, водный и ионный режимы, катионно-анионный баланс и в целом поддерживается нормальный уровень метаболизма.

Приобретенная газоустойчивость может передаваться по наследству. Например, лиственница японская, растущая вблизи вулканов, более устойчива к сернистому газу, чем европейская, что было установлено после испытания их гибридов. Газоустойчивые растения отличаются большей устойчивостью и к затемнению, засухе, засолению, ионизирующей радиации.

Приемы повышения газоустойчивости растений. Для повышения устойчивости растений к газам важен отбор видов, устойчивых в том числе и к другим воздействиям, например к засолению. Повышению уровня устойчивости способствует и выращивание растений на плодородных незагрязненных почвах или смена почвы на газонах и цветниках около промышленных предприятий. Обработка семян слабыми (0,1 %-ными) растворами соляной и серной кислот и полив всходов подкисленной водой повышают газоустойчивость, как и периодическое смывание токсических соединений с листьев, и нейтрализация известковыми и другими специальными растворами. Эффективны меры по введению физиологически активных соединений, в том числе антиоксидантов – аскорбиновой кислоты, тиомочевины, гидрохинона и других, а также регуляция минерального питания, введение азота в виде мочевины.

Радиационная устойчивость растений.Рост использования ядерной энергетики в народном хозяйстве, некоторое увеличение радиационного фона в локальных местах Земли, широкое практическое использование излучения и приборов на радиоактивных источниках в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине, науке и других отраслях вызвали интерес к изучению действия ионизирующей радиации на живой организм, в том числе растительный. Знание первичных радиационно-физиологических и радиационно-биохимических процессов совершенно необходимо для решения вопросов профилактики и терапии лучевой болезни.

К ионизирующей радиации относятся рентгеновские и ядерные излучения.Под влиянием ионизирующих излучений в летальных (смертельных) дозах в клетках растений происходят различные молекулярные и структурные изменения и нарушения, приводящие к сложной физиологической реакции.

На первом этапе происходит мгновенное поглощение клеткой ионизирующей частицы или фотона и передача этой энергии молекулам воды и органических веществ, что вызывает их ионизацию или возбуждение и увеличение их химической активности.

На втором этапе образуются свободные радикалы (атомы или группы атомов со свободной валентностью). Так, ионизированные молекулы воды очень неустойчивы и расщепляются с образованием свободных радикалов. Ионизированные молекулы органических веществ также образуют свободные радикалы.

На третьем этапе эти свободные радикалы и окислители, возникшие через ионизированные молекулы воды, реагируют с белками и нуклеиновыми кислотами с образованием радиотоксинов, не свойственных организму и оказывающих поражающее действие. Свободные радикалы, возникшие вследствие ионизации органических веществ, вызывают еще большие нарушения молекулярных и надмолекулярных структур.

Так, в молекуле ДНК происходят разрывы фосфорноэфирных, межуглеродных и водородных связей, внутри- и межмолекулярные сшивки благодаря возникновению ковалентных связей между поврежденными азотистыми основаниями и поврежденными сахарофосфатными остатками и т.д. Одновременно с этим увеличивается активность ферментов, расщепляющих ДНК. Все это может привести к необратимому разрушению молекул ДНК, разрыву хромосом.

На завершающем этапе наблюдается резкое изменение хода физиологических процессов и метаболизма в целом. При летальных дозах наблюдается стойкое нарушение функции и смерть клетки.

Различные растения на разных этапах развития неодинаково реагируют на радиацию. Наиболее устойчивы сухие семена и покоящиеся почки. Весьма чувствительны проростки и вегетирующие растения.

Из травянистых растений наиболее радиоустойчивы донники, капуста, различные виды клевера, клещевина, люцерна, табак, морковь, редька, турнепс, эспарцет, брюква, лен, редис и другие; неустойчивы бобы, горох, кукуруза, пшеница, рожь, фасоль.

Хвойные и лиственные древесные породы довольно отчетливо различаются по своей способности выносить действие ионизирующей радиации. Среди изученных видов наиболее чувствительными на всех стадиях развития оказались хвойные деревья. Они выдерживают дозы примерно на порядок меньше, чем лиственные породы. Большая радиационная поражаемость связана с более крупными ядрами и хромосомами клеток хвойных древесных пород. Тесная корреляция найдена и с содержанием в ядре ДНК.

Радиочувствительность деревьев, подвергающихся хроническому облучению зимой, примерно в 3 раза ниже, чем при облучении летом.

В зависимости от величины поглощенной дозы радиации реакция древесных растений различна.

Облучение относительно небольшими дозами вызывает, образно говоря, ускорение развертывания генетической программы и в целом стимуляцию роста и развития растений.

Более сильное облучение нарушает некоторые структуры и процессы, приводит к разрыву отдельных хромосом и появлению соматических мутаций, что проявляется в изменении морфологических признаков. Скорость роста растений в этом случае или не меняется, или снижается, как и активность обмена веществ.

Известно, что радиорезистентность увеличивается при наличии в растениях ряда специфических веществ - радиопротекторов. Среди них находятся соединения, содержащие сульфгидрильные (SН) и аминогруппы (NH₂), например, цистеамин, цистеин и др.

В настоящее время использование облучения в стимулирующих дозах находит широкое применение в практических целях для получения новых сортов и форм растений, ускорения прорастания семян, роста и развития растений, а в критических – для торможения прорастания клубней и луковиц, семян древесных растений при их длительном хранении.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: