• Библиотека
  • Общая биология
  • ЭФФЕКТ КОРНЕВЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ НА РОСТ СОРНЫХ ВИДОВ. ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКЕ ПРОВОДИМЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ЭФФЕКТ КОРНЕВЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ НА РОСТ СОРНЫХ ВИДОВ. ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКЕ ПРОВОДИМЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Аннотация. Статья посвящена изучению прямого воздействия корневых выделений культурных растений на рост сорных видов. Задачей работы было освоение методик, с помощью которых изучаются аллелопатические свойства корневых выделений растений на примере люпина, подсолнечника и ржи и выявление их действия на сорные растения. В статье описываются основные требования к проведению экспериментальных исследований в аллелопатии растений. Также авторами дается оценка различных методов получения водных растворов корневых выделений растений для биотестирования и других анализов. Наиболее приемлемыми из этих методов оказываются выращивание растений-доноров в питательном растворе (водная культура) и метод со стеклянными воронками с кварцевым песком. В результате биотестирования растворов корневых выделений люпина узколистного, люпина белого и ржи было выявлено ингибирующее действие их компонентов на рост корневой системы ярутки полевой и щирицы запрокинутой. При этом были зафиксированы характерные особенности роста корешка тест-растений при обработке растворами корневых выделений всех донорных видов. Эффект присутствия проростков люпина на рост растений ярутки был стимулирующим при увеличении их доли при совместном выращивании в течение 14 дней. В то же время, в экспериментах с подсолнечником эффект был неоднозначным. Авторы делают вывод, что исследованные полевые культуры имеют аллелопатический потенциал в отношении других растений, в частности – сорных видов. При этом аллелопатическая активность корневых выделений растений зависела от возраста, как растений-доноров, так и реципиентов, что соответствует теоретическим данным. Для практического применения аллелопатических свойств культурных растений необходимо провести ряд дальнейших исследований для изучения их проявление в полевых условиях.

Ключевые слова: аллелопатия, корневые выделения, полевые культуры, сорные растения, биотестирование, совместные посевы.

Каждая особь фитоценоза, выделяя во внешнюю среду различные продукты метаболизма, создает вокруг себя специфическую среду, которая для рядом произрастающих растений может быть токсичной, благоприятной или индифферентной [1]. Поэтому выделения биогенного характера (живых растений, опада, пожнивных остатков) имеют исключительно важное значение в химическом взаимодействии организмов, называемом аллелопатией, на различных уровнях их существования, начиная с микроскопических существ и заканчивая высшими растениями. Экспериментальное изучение аллелопатических взаимоотношений в агрофитоценозах важно, как для понимания причин негативных явлений (почвоутомление, аутоинтоксикация), так и для выявления потенциально полезных для человека свойств культурных и дикорастущих видов.

Ряд культурных видов растений, обладающих аллелопатической активностью, могут подавлять рост сорняков, даже устойчивых к гербицидам [2], [3]. Выявление аллелохимического потенциала культурных видов растений может предоставить альтернативу химическим гербицидам. В связи с этим в последние годы обозначился возрастающий интерес к выявлению аллелопатического потенциала сортов различных сельскохозяйственных культур в отношении подавления роста сорняков [2], [4]. Аллелопатические вещества могут ингибировать прорастание семян, изменять барьерные функции клеточных мембран, нарушать процессы поглощения питательных веществ и воды, влиять на баланс гормонов, на экспрессию генов и синтез белков, на фотосинтез и дыхание [5], [6].

Выявление природных аллелопатических соединений может раскрыть новые возможности снижения использования синтетических гербицидов путем замены их на рострегулирующие вещества растительного происхождения или даже посредством использования вегетативной массы или водных вытяжек из растений, обладающих аллелопатическими свойствами. Таким образом, аллелопатические вещества культурных видов могут быть использованы при контроле сорных растений в агросистемах.

При изучении функций аллелопатически активных соединений было установлено [7], что в связи с наличием в их структуре индивидуальных особенностей, они могут оказывать на растения эффекты антагонистического, аддитивного и синергического характера. В экспериментах по выявлению аллелопатичесих свойств растений следует принимать во внимание следующие факторы [8]: 1) способ выделения в среду растительным видом аллелопатического вещества; 2) является ли ответная реакция целевого вида действием одного (или нескольких) аллелопатически активных соединений, выделяемых растением донором; 3) продолжительность выделения в окружающую среду аллелопатических соединений; 4) устойчивость и активность продуктов их деградации; 5) участвуют ли аллелохимические вещества в прямом взаимодействии растение – растение или они влияют на биотические и абиотические факторы среды обитания растения-донора аллелохимикалий; 6) лабораторные биотесты не доказывают того, что аллелопатия имеет место в естественных условиях, а только предполагают ее возможность.

Целью настоящей работы было освоение методик, с помощью которых изучаются аллелопатические свойства корневых выделений культурных растений на примере люпина, подсолнечника и ржи для выявления их действия на сорные растения.

Объекты и методы исследования

Выявление аллелопатических взаимодействий начинается, как правило, с лабораторных биотестов. Ключевыми требованиями к ним являются: простота, быстрота, надежность, достаточная чувствительность целевых растений, воспроизводимость действия, статистическая значимость результатов, возможность приложения к широкому спектру видов-мишеней, невысокая стоимость [9]. Разработано множество лабораторных биотестов, каждый из которых соответствует конкретным требованиям, например, таким, как поиск видов-доноров аллелохимических агентов, использование соответствующих видов, на которые направлена фитотоксическая активность, состав сред, стадия развития тестируемых объектов, параметры, по которым оценивается аллелопатический потенциал.

Спектр требований к биотестам обусловлен, во-первых, желательным высоким уровнем аллелопатического потенциала видов-доноров, поэтому нами были выбраны такие заведомо аллелопатически активные объекты, как люпин белый (Lupinus albus, сорт Дега), люпин узколистный (Lupinus angustifolius, с. Радужный и Кристалл), подсолнечник однолетний (Helianthus annuus, с. Степной 87 и др.) и рожь посевная (Secale cereale, с. Татьяна и Московская 12). Во-вторых, важно наличие различных видов-реципиентов с неодинаковой чувствительностью, то есть использование как традиционных тест-растений, так и представителей дикой флоры. В наших опытах это были проростки сорных растений: ярутки полевой (Thlaspi arvense), щирицы запрокинутой (Ama­ranthus retroflexus). В-третьих, необходимо избежать антагонизма действия исследуемых соединений и компонентов среды, отсутствие микробного заражения, с одной стороны, вызывающего метаболизацию испытуемых веществ, с другой, возможного проявления активности собственно микробных компонентов и т. д., для чего все эксперименты проводились в стерильных условиях, с использованием исключительно прокаленного субстрата, протравленных семян, дистиллированной воды.

Способы получения водного раствора корневых выделений

При получении растворов корневых выделений для биотестов в экспериментальной аллелопатии растения выращивают в гидропонной культуре с использованием химически инертных стерильных субстратов.

В наших экспериментах мы выращивали люпин, подсолнечник и рожь в пластиковых контейнерах с минеральной ватой, речным песком, перлитом и непосредственно на питательном растворе. Кроме того, использовались стеклянные воронки, наполненные речным песком [10].

Основные требования к среде корнеобитания в опытах с дальнейшим отбором водного раствора корневых выделений следующие:

Соответствие физических свойств субстрата для роста изучаемых культур (аэрация, размер фракций);

Химическая инертность субстрата;

Стерильность среды;

Отсутствие попадания прямого света на субстрат;

Возможность получения раствора корневых выделений на любом этапе роста (с сохранением интактных растений).

Наиболее подходящими для опытов с биотестированием растворов оказались методы водной культуры растений-доноров и выращивание в стеклянных воронках с песком.

Водная культура выращивания растений-доноров аллелохимикалий.

Семена люпина узколистного сортов Кристалл и Радужный селекции ВНИИ люпина (г. Брянск) проращивались на песке при 20 °С, а затем помещались на марлевую основу, закрепленную на поверхности лотка с питательным раствором (рис. 1).

На один лоток 15 × 25 см приходилось 100 растений люпина. Растения выращивались в световом шкафу с фотопериодом 16/8 часов (день/ночь) и температуре 21–26/16–20 °С. Раствор ежедневно доводился до исходного объема и аэрировался. Через 15 дней раствор заменялся на дистиллированную воду и через сутки отбирался для дальнейших исследований.

Выращивание растений-доноров в стеклянных воронках.

Стеклянные воронки d = 150 мм окрашивали в черный цвет для защиты корней от света, носик перекрывали минеральной ватой и воронку заполняли прокаленным речным песком (по 300г) (рис. 2). Протравленные в ­10%-ом растворе перекиси водорода семена люпина и ржи высевались в песок. Растения росли в световом шкафу с фотопериодом 16/8 часов (день/ночь) при температуре 21–26/16–20 °С.

Полив проводили дифференцированно: дистиллированной водой до появления первого настоящего листа, затем – раствором 0,5 М Кнопа. На 15 день роста растений-доноров полив проводился дистиллированной водой, а ее избыток, вытекающий из воронок и содержащий корневые выделения, отбирался для дальнейших исследований.

Подготовка полученных
водных растворов

Очевидно, что в совместных посевах концентрационные эффекты аллелопатических соединений в корневых выделениях зависят от густоты стеблестоя как растений-доноров, так и растений-реципиентов (целевых растений). Поэтому в наших экспериментах производилось исследование различных соотношений между растениями-донорами и растениями-реципиентами. Для этого растворы корневых выделений растений-доноров доводили до нужной степени разбавления путем упаривания разбавителя. Полученные нами водные растворы, содержащие корневые выделения, упаривали на ротационном вакуумном испарителе Heidolph LABOROTA 4002 при 30 °С и 30 mbar остаточном давления воздуха (рис. 3). Объем конечного раствора получали из расчета 1 мл с 2-х растений-доноров. Концентрированные растворы хранили при отрицательной температуре и использовали в дальнейших исследованиях.

Подбор растений-реципиентов (мишеней)

Поскольку экологически значимой целью является выявление реальных аллелопатических взаимоотношений, биотесты должны отражать взаимодействия в сообществах растений. Именно поэтому в наши эксперименты были включены виды сорных растений (как растения-реципиенты), приносящие вред в конкретных условиях. Использование проросших семян предпочтительнее, поскольку снижает экспериментальные погрешности, обусловленные, собственно, процессом прорастания, тем более что семена диких растений, как правило, очень различаются по способности и времени прорастания. Необходимо помнить, что основной из используемых показателей – удлинение корешков, зависит от времени прорастания.

Биотестирование с использованием семян
тест-культур (целевых растений)

Проростки тест-культур высевали в чашках Петри (по 100 шт.) на фильтровальную бумагу, смоченную водным раствором корневых выделений растений люпина.

В контрольном варианте проростки росли на фильтровальной бумаге, смоченной дистиллированной водой (рис. 4). Повторность в каждом варианте трехкратная. Для оценки влияния растворов корневых выделений определяли лабораторную всхожесть и морфологические показатели 7-дневных проростков.

Изучение взаимного влияния растений при совместном проращивании

Известно, что наиболее чувствительный период жизни растения – это стадия проростка. Именно в это время растение больше всего зависит от окружающих условий. При этом многие виды и сами меняют окружающую среду в первые дни жизни, выделяя химические соединения. Целью нашего исследования также было выявить стимулирующее или ингибирующее действие присутствия проростков культурных растений на рост проростков сорных при совместном выращивании. Проростки люпина и подсолнечника (трех-четырехдневные) помещали в чашки Петри на 2х-слойную фильтровальную бумагу с двухдневными проростками ярутки (рис. 5).

Анализировалось несколько вариантов соотношения культурных и сорных видов. После 7–14 дней совместного роста в контролируемых условиях проводились измерения морфологических показателей обоих видов.

Анализируемые параметры и статистическая обработка данных

Самым распространенным критерием выявления эффектов при био-тестировании является всхожесть семян целевых растений. В ряде экспериментов этот параметр оказывается не показательным. В наших био-тестах измерениям в первую очередь подвергалась корневая система реципиентов. Помимо измерения длины корней и надземной части проростков, в зависимости от специфики экспериментов и объектов, могут быть использованы и другие параметры: сырой, иногда сухой вес, митотический индекс, площадь листьев, морфология проростков, содержание хлорофилла, активность отдельных ферментов и др. Так, скорость роста можно рассчитать как (А/В) · 100%, где А – удлинение в присутствие тестируемого вещества, В – удлинение в отсутствие тестируемого вещества (контроль) [12].

Все эксперименты проводились с 3-кратной повторностью. Полученные данные проходили статистическую обработку для подтверждения их достоверности.

Результаты исследований

Эффекты водных растворов Lupinus angustifolius, L. albus и Secale cereale.

При биотестировании водных растворов корневых выделений, полученных по описанным ранее методикам, выявился ингибирующий ­эффект содержащихся в них соединений на рост проростков ярутки полевой и щирицы запрокинутой (табл. 2).

Таблица 2 – Показатели роста растений-реципиентов в био-тестах с водными растворами корневых выделений

Донор корневых ­выделений

длина главного корня, см (%)

количество корешков, шт

 

контроль

раствор
корневых
выделений

контроль

раствор корневых выделений

Thláspi arvénse

Lupinus albus с.Дега

4,07

1,94(–51,4%)

5

0

Lupinus angustifolius с.Кристалл

8,5

6,69(–21,3%)

15

13

Amaránthus retrofléxus

Lupinus angustifolius с.Радужный

4,7

3(–36,2%)

2

0

Рожь с. Татьяна

 

(35%)

0

0

1) У растений ярутки, выращенных на растворе корневых выделений люпина белого, рост корневой системы ингибировался на 51% по сравнению с контролем (рис. 6)

При этом у тестируемых растений наблюдалось характерная особенность роста корешка – «спиральное» закручивание (рис. 7).

Рост и развитие надземной части, наоборот, в присутствии корневых выделений стимулировались.

2) В опытах с растворами, полученными при выращивании люпина узколистного, также замедлялся рост корешка как у ярутки (21% ингибирования) (рис. 8), так и у щирицы (36% ингибирования).

3) Аналогичные результаты были получены с водными растворами корневых выделений ржи с. Татьяна: наблюдалось подавление удлинения корешка и стимулирование роста гипокотиля щирицы (рис. 9). Процент ингибирования роста корешка составлял 35% при измерении на 7 день роста.

Опыты с совместным выращиванием сорных и культурных растений

В экспериментах, где подсолнечник и люпин росли в чашках Петри совместно с проростками ярутки полевой в течении 14 дней, проводили сравнительный анализ показателей роста обоих видов. При увеличении доли проростков люпина при совместном проращивании наблюдалось увеличение длины корней ярутки. Оказалось, что присутствие 10 проростков люпина больше стимулировало рост ярутки, чем одного. Количество боковых корешков у ярутки, по-видимому, не зависело от влияния корневых выделений люпина. Присутствие растений ярутки в разных соотношениях никак не повлияло на рост корней люпина.

Увеличение же доли проростков подсолнечника в совместном проращивании их с яруткой привело к слабому ингибированию при соотношении подсолнечник: ярутка 3 : 10. Но при соотношении подсолнечник: ярутка 5 : 10 – наоборот, корни ярутки были длиннее по сравнению с растениями в варианте, где на 10 проростков ярутки был 1 проросток подсолнечника.

Также как и при биотестировании водных растворов наблюдались морфологические особенности роста корневой системы испытуемых растений (рис. 10 и 11).

Выводы

Биотестирование водных растворов корневых выделений, полученных при выращивании растений в гидропонной культуре, является информативным методом при изучении аллелопатической активности корневых выделений растений.

С использованием этой методики удалось выявить, что растворы корневых выделений растений люпина узколистного, белого и ржи, не зависимо от приемов их получения, обладают аллелопатическим действием на рост других растений.

Проведенные эксперименты показали, что проростки сорных растений, таких как ярутка и щирица, оказались чувствительны к наличию корневых выделений люпина и подсолнечника в среде в экспериментах с совместным проращиванием.

Сравнивая результаты биотестирования растворов и совместных посевов разных видов растений, можно сказать, что эффект от выделяемых корневой системой аллелохимикалий может быть различным, как по количеству, так и по качеству, в зависимости от возраста исследуемых растений.

Литература

  1. Кондратьев М. Н. Взаимосвязи и взаимоотношения в растительных сообществах: учебное по­собие / М. Н. Кондратьев, Г. А. Кар­пова, Ю. С. Ларикова. М. : Изд. ­РГАУ-МСХА, 2014. 300 с.
  2. Duke S. O. Proving Allelopathy in Crop–Weed Interactions / S. O. Duke // Weed Science. – 2015. – № 63(sp1). –Рр. 121–132.
  3. Belz, R.G. Allelopathy in crop/weed interactions – An update // Pest Manag Sci. – 2007. – № 63. – Рр. 308–326.
  4. Nikneshan P. Allelopathic potential of sunflower on weed management in safflower and wheat / P. Nikneshan, H. Karimmojeni, M. Moghanibashi, N. al sadat Hosseini // AJCS. – 2011. – № 5(11). – Рр. 1434–1440.
  5. Bais H. P. Allelopathy and exotic plant invasion: from molecules and genes to species interactions / H. P. Bais, R. Vepachedu, S. Gil­roy, R. M. Callaway, J. M. Vi­vanco// Science. – 2003. – № 301. – 
    Рр. 1377–1380.
  6. Weir T. L. Biochemical and physiological mechanisms mediated by allelochemicals / T. L. Weir,
    S.-W. Park, J. M.Vivanco // Current Opinion in Plant Biology. – 2004. – № 7. –Рр. 472–479.
  7. Гродзинский А. М. Экспери­мен­тальная аллелопатия / A. M. Грод­­зин­ский и др. – Киев: Наук. Думка, 1987. – 233 с.
  8. Rovira, А. Plant root exudates //
    The Botanical Review January. – 
    1969. –Volume № 35(1). –
    Рp. 35–57.
  9. Рябушкина Н. А. Биотесты для скрининга аллелопатического потенциала диких и культурных видов растений // Биотехнология. Теория и практика. – 2005. – № 5. – С. 5–15.
  10. Лобков В. Т. Аллелопатические свойства почвы как фактор плодородия / В. Т. Лобков, С. Н. Коно­ши­на // Сельско-хозяйственная био­логия. Био­логия растений. – 2003. – № 3. – С. 67.

Метки: Общая биология