Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Границы приспособления и устойчивости, защитно-приспособительные реакции растений, обратимые и необратимые повреждения растений.
Факторы окр. среды, действующие на растения, делятся на абиотические и биотические. По отношению к абиотич. факторам различ. три главных способа приспособления растений: механизмы, позволяющие избежать неблагопр. воздействие (переход в состояние покоя: образование почек, семян, вегетативных органов), специальные структурные приспособления (различные видоизменения листьев, стеблей цветков и т.д.), физиологические механизмы (С4-путь фотосинтеза, САМ-фотосинтез, увеличение вязкости цитоплазмы). По отношению к биотич. факторам у растений также различ. несколько способов приспособл. (естественной защиты): приспособл. морфолог. характера, механизм неспецифического иммунитета, т.е. приспособл. биохимич. характера (фитонциды, фитоалексины, алкалоиды), механизм специфического иммунитет (выработка специализированных антител против возбудителей болезней). Повреждение кл. может быть частичным или полным, обратимым или необратимым. Необр. поврежд. может привести к деструкции и гибели кл. Поврежд. кл. может быть первичным и вторичным. Первичное поврежд. кл. — это результат непосредственного действия повреждающего фактора. Различ. первичные повреждения: а) механические, б) термические, в) химические, г) радиационные. Вторичные поврежд. кл.— это такие, когда результат первичн. воздействия сам становится поврежд. фактором и вторично повреждает здоровые до этого момента структуры. Первич. поврежд. кл. факторы вызывают специфические, присущие только им эффекты. Эти эффекты связаны с характером первич. поврежд. фактора: а) механические — вызывают нарушение целостности структуры тк., кл., межкл. и субкл. структур. в) термические — связаны с денатурацией белков. белково-липидных комплексов и изменением вторичной структуры нуклеиновых кислот с) химические - угнетают активность ферментов, блокируют клеточные рецепторы, вызывают перестройку молекул за счет гидролиза, переаминирования и т.п. d) радиационные — приводят к разрушению молекул с образованием свободных радикалов. Ответная реакция поврежд. кл. стандартна и назыв. неспецифической реакцией клетки на повреждение. Причина такого стандартного ответа закл. в том, что при любом повреждении обязательно: 1) наруш. барьерные функции мембран клеточной и внутриклеточной; 2) выкл. ионные насосы. Основные структурные изменения следующие: а) повыш. прониц. мембраны пострадавшей кл.; б) уменьш. дисперсности коллоидов цитоплазмы и ядра в) увел. вязкости цитоплазмы г) увел. сродства цитоплазмы и ядра к ряду красителей. По степени выраженности различ.: а) паранекроз — обратимые нарушения структуры и функции кл. б) некробиоз — необратимые поврежд. (гибель) части кл. в ткани. в) некроз — массовая гибель кл. с активацией лизосомальных ферментов и разрушением других кл. структур. Этот процесс называется аутолизом. Значение аутолиза — удаление мертвых клеток и замена их новыми клетками или элементами соединительной ткани. ПРОЯВЛЕНИЯ поврежд. КЛ. 1. Ув. Прониц. цитоплазмат. мембраны: 1) белкам и коллоидным краскам (макромолекулы); 2) к аминокислотам и глюкозе (вещества с низкой молекулярной массой); 3) к ионам. 2. Умен. электрического сопротивления ткани.
Изменение физико-химических и функциональных свойств растительных клеток и тканей при повреждения и процессы адаптации; общие принципы адаптивных реакций растений на экологический стресс; стресс-белки. Адаптация, т. е. приспособл. организма к конкретным усл. существования, у индивидуума достигается за счет физиологических механизмов (физиологическая адаптация). Защита от неблагопр. факторов среды у растений обеспечив. особенностями анатомич. стр. (кутикула, корка, механические ткани и т. д), специальн. органами защ. (жгучие волоски, колючки), двигател. и физиологичес. реакциями, выработкой защ. вещ-в (смол, фитоалексинов, фитонцидов, токсинов, защитных белков). Реакцию организма на любые отклонения от нормы называют стрессом (от англ. stress — напряжение). Самые разнообразные неблагопр. факторы могут действовать длительное время или оказывают сравнительно кратковременное, но сильное влияние. В первом случае, как правило, в большей степени проявляются специфические механизмы устойчивости, во втором — неспецифические. У растений различают три фазы стрессовой реакции: 1) первичная стрессовая реакция, 2) адаптация, 3) истощения ресурсов надежности. Факторы, способные вызвать стресс у растительных организмов, можно подразделить на три основные группы: а) физические: недостаточная или избыточная влажность, освещенность или температура, радиоактивное излучение, механические воздействия; б) химические: соли, газы, ксенобиотики (гербициды, инсектициды, фунгициды, промышленные отходы и др.); в) биологические (поражение возбудителями болезней или вредителями, конкуренция с другими растениями, влияние животных, цветение, созревание плодов). По отношению к засухе растения делятся на две группы: 1) пойкило-гидрические, не регулирующие свой водный режим и допускающие большую потерю воды (до воздушно-сухого состояния), не теряя жизнеспособности; 2) гомойогидрические растения, регулирующие водный обмен и отвечающие стрессом на водный дефицит. Устойчивость растения к стрессовому воздействию зависит и от фазы онтогенеза. Наиболее устойчивы растения, находящиеся в покоящемся состоянии (в виде семян, луковиц и т. п.). Наиболее чувствительны — растения в молодом возрасте, в период появления всходов, в период формирования гамет. К перв. Неспециф. процессам, происходящим в клетках растений при сильном и быстро нарастающем действии стрессора, отн. след.: пов. прониц. мембран, деполяризация мембранного потенциала плазмалеммы., вход Са2+ в цитоплазму, сдвиг рН цитоплазмы в кислую сторону, активация сборки актиновых микрофиламентов и сетей цитоскелета, усиление поглощения О2, ускоренная трата АТР, развитие свободнорадикальных реакций, возрастание гидролитических процессов, активация и синтез стрессовых белков, увеличение синтеза этилена и АБК, торможение деления и роста, поглотительной активности клеток и других физиологических и метаболических процессо. Торможение функциональной активности кл. происх. в результате действия ингибиторов и переключения энергетических ресурсов на преодоление неблагопр. сдвигов. Все эти явления адаптационного синдрома (стресса) взаимосвязаны и развиваются как каскадные процессы. Особый интерес вызывают данные об активации в клетках в условиях стресса синтеза так называемых стрессовых белков с одновременным ослаблением синтеза белков, образ. в норм. усл. В ядре и в ядрышке белки теплового шока образ. гранулы, связывая матрицы хроматина, необх. для норм. метаболизма. После прекращения стрессового состояния эти матрицы вновь освобождаются и начинают функционировать. Кроме синтеза шоковых белков при неблагопр. обстоятельствах в кл. возрастает содер. углеводов, пролина, которые участвуют в защ. реакциях, стабилизируя цитоплазму. Благодаря своим гидрофильным группам пролин может образовывать агрегаты, которые ведут себя как гидрофильные коллоиды. Этим объясняется высокая растворимость пролина, а также способность его связываться с поверхностными гидрофильными остатками белков, что повыш. растворим. белков и защищает их от денатурации. Механизмы стресса и адаптации на организменном уровне. На разных уровнях организации приспособление к экстремальным усл. осуществл. у растений неодинаково. Чем выше уровень биологич. организации (клетка, организм, популяция), тем большее число механизмов одновременно участвует в адаптации растений к стрессовым воздействиям. На организменном уровне сохр. все механизмы адаптации, свойственные клетке, но дополняются новыми, отражающими взаимодействие органов в целом растении. Прежде всего это конкурентные отношения между органами за физиологически активные вещества и трофические факторы. Важнейший и очень характерный для растений механизм защиты от последствий действия экстремальных факторов — процесс замены поврежденных или утраченных органов путем регенерации и роста пазушных почек. Во всех этих процессах коррелятивного роста участвуют межклеточные системы регуляции (гормональная, трофическая и электрофизиологическая). При неблагоприятных условиях существования в растениях резко возрастает выработка этилена и АБК, снижающих обмен веществ, тормозящих ростовые процессы, способствующих старению и опадению органов, переходу растительного организма в состояние покоя. Одновременно в тканях снижается содержание ауксина, цитокинина и гиббереллинов.
Холодо- и морозоустойчивость, изменения физиологических процессов в тканях при пониженных температурах; закаливание растений, физиологическая природа процесса; зимостойкость растений. Устойчивость растений к низким темпер. подразд. на холодостойкость, или устойчивость теплолюбивых растений к низким полож. темер., и морозоустойчивость, или способность растений переносить темпер. ниже 0°С. Холодостойкость. При помещении теплолюбивых растений в усл. низк. полож. темпер. отмеч. постепенная потеря тургора клетками надземной части (например, листья огурца теряют тургор при 3 °С на 3-й день, растение завядает и гибнет). Следовательно, при низких темпер. может нарушаться доставка воды к транспирирующим органам. Основной причиной поврежд. действия низк. положит. Темпер. на теплолюбивые растения является нарушение функциональной активности мембран из-за перехода насыщ. жир. кислот, входящих в их состав, из жидко-кристаллического состояния в состояние геля при низк. темпер.. Это приводит к неблагопр. сдвигам в обмене веществ, а при длительном действии низкой температуры — к гибели растения. Холодостойкость теплолюбивых с/х растений можно усилить предпосевным закаливанием семян, также при замачивании семян в 0, 25%-ных растворах микроэлементов или нитрата аммония (в течение 20 ч для хлопчатника). Морозоустойчивость.. Быстрое пониж. темпер. в эксперимент. усл. сопровожд. образованием льда внутри клеток и, как правило, их гибелью. Постепенное сниж. Темпер. (0, 5— 1 °С/ч), что обычно в естеств. усл., прив. к образ. льда в межклетниках. При оттаивании межклетники заполняются водой, которая затем поглощается клетками, если они не погибли от мороза. Основными причинами гибели клеток при низк. отриц. темпер. явл: 1) их обезвоживание и 2) механическое сжатие льдом, повреждающее клеточные структуры. Обезвоживание возникает из-за оттягивания воды из клеток образующимися в межклетниках кристаллами льда. При длительном действии мороза кристаллы льда вырастают до значительных размеров и, помимо сжатия клеток, могут повреждать плазмалемму. Наиболее распространенные признаки повреждения от замерзания — потеря клетками тургора, инфильтрация межклетников водой и вымывание ионов из клеток. Приспособления растений к перенесению низких температур. Морозоустойчивые растения способны предотвращать или уменьшать действие низ. отриц. температур. Такие растения обладают приспособл., уменьш. обезвоживание клетки. Для предотвращения образ. Внутрикл. льда при заморозках первостепенное значение имеет возможность быстрого транспорта свободной воды из клетки к местам внеклеточного образования льда, т. е. поддержание высокой прониц. мембран в этих условиях. Перенесению морозов способствует усиление процессов синтеза веществ, защ. ткани (криопротекторов). К ним отн. прежде всего полимеры, способные связывать значит. кол-ва воды, — гидрофильные белки, моно- и олигосахариды. Вода, связываемая в виде гидратных оболочек этими молекулами, не замерзает и не транспортир., оставаясь в клетке. Т.о кл. защ. от внутрикл. льда и чрезмерного обезвоживания. Другой тип полимеров-криопротекторов — молекулы гемицеллюлоз (ксиланы, арабиноксиланы), выделяемые в клеточную стенку. Они обволакивают кристаллы льда и тормозят их рост. В итоге образ. более мелкие кристаллы, Меньше поврежд. кл. 3. У морозоустойчивых растений в период подготовки к зиме накапливаются запасные вещества, которые могут использ. затем при возобновлении роста. Существенна также устойчивость их к болезням, опасность возникновения которых возрастает при повреждении тканей морозом. Холодоустойчивость растений можно повысить с помощью закалки. Закалка ускоряется при остановке ростовых процессов у растения и осуществляется при постепенном снижении температуры, а для ряда объектов — и при укороченном фотопериоде. В нашей стране теория закаливания к низ. темпер. разработана И. И. Тумановым. Согласно этой теории растения для приобретения свойства морозостойкости должны пройти три этапа подготовки: переход в состояние покоя, затем первую и вторую фазы закаливания. Перех. в состояние покоя сопровожд. смещением баланса фитогормонов в сторону уменьш. содер. ауксина и гиббереллинов и увел. абсцизовой кислоты. Обработка растений в этот период ингибиторами роста (хлорхолинхлоридом или трийодбензойной кислотой) повышает устойчивость растений к низким температурам, а обработка ИУК или ГА — понижает ее. В течение первой фазы закаливания останавливается рост, в клетках накаплив. соединения, выполн. защ. функцию, в мембранах возрастает содержание ненасыщ. жир. кислот, снижается точка замерзания цитоплазмы, отмечается некоторое умен. Внутрикл. воды, что тормозит образование внутриклеточного льда. В период прохождения второй фазы закаливания в межклетниках образуется лед и начинают функционировать механизмы защиты от обезвоживания, подготовленные в течение первой фазы. На морозоустойчивость, как и на холодостойкость растений, положительное влияние оказывают микроэлементы. Так, цинк повышает содержание связанной воды и усиливает накопление Сахаров, а молибден способствует увеличению содержания общего и белкового азота. холодостойкость, т.е. способность растения переносить низкие положительные температуры, при этом у растений не происходят изменения в ферментативном аппарате, морозостойкость, т.е. способность растений переносить охлаждение ниже ОоС, зимостойкость, т.е. комплексная устойчивость растений против неблагоприятных факторов зимы (морозов, чередующихся с оттепелями, ледяной корки, снеговалов и т.п.). При переживании растениями зимних условий особое значение имеют типичные повреждения растений и способы профилактики этих повреждений: выпирание, выпревание, вымокание, витрификация. Выпирание - это гибель озимых культур, наступающая вследствие того, что в почве образуется ледяная прослойка, поднимающая верхний слой почвы вместе с растениями, что приводит к обрыву корневой системы. Выпревание - это гибель растений, находящихся под глубоким покровом снега в условиях мягкой зимы. Причина выпревания - расходование на дыхание запасенных с осени веществ без их фотосинтетического пополнения. Устойчивость к выпреванию определяется большим накоплением углеводов и низким уровнем дыхания в зимний период. Вымокание - это гибель растений, происходящая преимущественно в весенний период или в период продолжительных оттепелей, когда на поверхности почвы скопляется талая вода, не впитавшаяся в замерзшую почву. Причиной гибели является недостаток кислорода. Витрификация - это переход свободной воды в клетках растения в стеклообразное состояние при резком охлаждении растений ниже 20 градусов мороза. В практике сельского хозяйства применяют следующие приемы повышения холодостойкости растений: закалка набухших семян в течение 5-10 дней попеременно температурами выше и ниже 0оС, намачивание семян теплолюбивых культур (кукурузы) в растворе алюмокалиевых квасцов, замачивание семян в растворах микроэлементов, азотнокислого аммония, закалка рассады в теплицах и парниках низ. полож. темпер. (открывание рам, поднятие " фартуков" в пленочных теплицах днем). Повыш. морозостойкости при выращивании южных плодовых культур в северных районах достигают путем искусственного сокращения длины дня, при этом укорачивается период вегетации и создаются условия для вызревания древесины, полного ухода в состояние покоя почек, а, следовательно, обеспечивается успешная перезимовка. Т.о можно управлять процессом перезимовки, регулируя сроки, способы посева, глубину посева, нормы высева, активно применяя весеннее боронование, стимулирующее способность к регенерации узла кущения злаков, подбирая сорта, наилучшим образом приспособленные к данным климатическим условиям.
Засухоустойчивость растений; почвенная и атмосферная засуха; нарушения физиолого-биохимических процессов в тканях растений в условиях водного дефицита; орошение как путь повышения продуктивности растений, его физиологические основы; Засуха возникает как результат достаточно длительного отсутствия дождей, сопровождается высокой температурой воздуха и солнечной инсоляцией. Чаще она начинается с атмосферной засухи, характер. низ. относит. влажностью воздуха. При длительном отсутствии дождей к атмосферной засухе добавляется почвенная засуха в связи с умен. (исчезновением) доступной для растений воды в почве. Во время суховея (атмосферная засуха, сопровождаемая сильным ветром) почвенная засуха может не возникать. В условиях засухи растения испытывают значительный водный дефицит. Влияние недостатка воды на растение. Недостаток воды в тканях растений создается, когда расход воды при транспирации превышает ее поступление. Водный дефицит может возникнуть в жаркую солнечную погоду к середине дня, при этом увеличивается сосущая сила листьев, что активирует поступление воды из почвы. Растения регулируют уровень водного дефицита, меняя отверстость устьиц. Обычно при завядании листьев водный дефицит их восстанавливается в вечерние и ночные часы (временное завядание). Глубокое завядание набл. при отсутствии в почве доступной для растения воды. Это завядание чаще всего приводит растения к гибели. Характерный признак устойчивого водного дефицита — сохр. его в тк. утром, а также прекращение выделения пасоки из срезанного стебля. Действие засухи в первую очередь приводит к умен. в кл. своб. воды. При длит. завядании сниж. активность ферментов синтеза и активируются гидролитические процессы, в частности протеолиз. В результате гидролиза полисахаридов в тканях накапливаются растворимые углеводы, отток которых из листьев замедлен. Под влиянием засухи в листьях снижается количество РНК вследствие уменьшения ее синтеза и активации рибонуклеаз. В цитоплазме наблюдается распад полирибосомных комплексов. Изменения, касающиеся ДНК, происходят лишь при длительной засухе. Из-за уменьшения свободной воды возрастает концентрация вакуолярного сока. Изменяется ионный состав клеток, облегчаются процессы выхода из них ионов. В большинстве случаев суммарный фотосинтез при недостатке влаги снижается, хотя иногда на начальных этапах обезвоживания наблюдается некоторое увеличение его интенсивности. Сниж. скорости фотосинтеза может быть следствием: 1) недостатка С02 из-за закрывания устьиц, 2) наруш. синтеза хлорофиллов, 3) разобщения транспорта электронов и фотофосфорилирования, 4) измен. в фотохим. реакциях и реакциях восстановления С02, 5) наруш. структуры хлоропластов, 6) задержки оттока ассимилятов из листьев при длительном водном дефиците. При обезвоживании у растений, не приспособленных к засухе, значительно усиливается интенсивность дыхания, а затем постепенно сниж.. В усл. водного дефицита быстро тормозятся кл. деление и особенно растяжение, что приводит к формированию мелких клеток. Вследствие этого задерж. рост самого растения, особенно листьев и стеблей. Рост корней в начале засухи даже ускор. и сниж. лишь при длит. недост. воды в почве. Корни реагируют на засуху рядом защ. приспособл.: опробковением, суберинизацией экзодермы, ускорением дифференцировки клеток, выходящих из меристемы, и др. Т.о, недост. влаги вызывает значительные и постепенно усиливающиеся изменения большинства физиологич. процессов у раст. Влияние перегрева на физиологические процессы. Во время засухи наряду с обезвоживанием происходит перегрев растений. При действии выс. темпер. (35 °С и выше) наблюдаются два типа изменения вязкости цитоплазмы: чаще увеличение, реже снижение. Возрастание вязкости цитоплазмы замедляет ее движение, но процесс обратим даже при 5-минутном воздействии температуры 51 °С. Выс. темпер. увелич. концентр. кл. сока и проницаемость клеток для мочевины, глицерина, эозина и других соединений. В результате экзоосмоса веществ, растворенных в клеточном соке, постепенно сниж. осмотическое давление. Процесс фотосинтеза более чувствителен к действию выс. темпер., чем дыхание. Гидролиз полимеров, в частности белков, ускоряющийся при водном дефиците, значительно активируется при высокотемпературном стрессе. Распад белков идет с образованием аммиака, который может оказывать отравляющее действие на клетки у неустойчивых к перегреву растений. У жаростойких растений наблюд. увел. содер. орган. кислот, связывающих избыточный аммиак. Еще одним способом защ. от перегрева может служить усиленная транспирация, обеспечиваемая мощной корневой системой. В других случаях (суккуленты) жаростойкость определяется высокой вязкостью цитоплазмы и повышенным содержанием прочно связанной воды. При действии высоких температур в клетках растений индуцируется синтез стрессовых белков (белков теплового шока). В с/х практике для пов. жароустойчивости растений применяют внекорневую обработку 0, 05%-ным раствором солей цинка. Приспособление растений к засухе. Растения испол. 3способа защ: 1) предотвращение излишней потери воды клетками (избегание высыхания), 2) перенесение высыхания, 3) избегание периода засухи. Наиболее общими являются приспособл. для сохр. воды в кл. Группа ксерофитов очень разнородна. По способности переносить условия засухи различают следующие их типы (по П. А. Генкелю): Суккуленты (по Н. А. Максимову — ложные ксерофиты) — растения, запасающие влагу (кактусы, алоэ, очиток, молодило, молочай). Вода концентрируется в листьях или стеблях, покрытых толстой кутикулой, волосками. Транспирация, фотосинтез и рост осуществляются медленно. Они плохо переносят обезвоживание. Корневая система распространяется широко, но на небольшую глубину. Несуккулентные виды по уровню транспирации делятся на несколько групп. а) Настоящие ксерофиты (эвксерофиты — полынь, вероникабеловойлочная и др.). Растения с небольшими листьями, частоопушенными, жароустойчивы, транспирация невысокая, способны выносить сильное обезвоживание, в клетках высокое осмотическое давление. Корневая система сильно разветвлена, нона небольшой глубине. б) Полуксерофиты (гемиксерофиты — шалфей, резак и др.).Обладают интенсивной транспирацией, которая поддерживается деятельностью глубокой корневой системы, часто достигающей грунтовых вод. Плохо переносят обезвоживание и атмосферную засуху. Вязкость цитоплазмы у них невелика. в) Стипаксерофиты — степные злаки (ковыль и др.). Приспособлены к перенесению перегрева, быстро используют влагулетних дождей, но переносят лишь кратковременный недостаток воды в почве. г) Пойкилоксерофиты (лишайники и др.) не способны регулировать свой водный режим и при значительном обезвоживании впадают в состояние покоя (анабиоз). Способны переносить высыхание. 3. Эфемеры — растения с коротким вегетационным периодом, совпадающим с периодом дождей (способ избегания засухи в засушливых местообитаниях). Растения-мезофиты также могут приспосабл. к засухе. Чем выше по стеблю расположен лист, тем мельче его клетки, больше устьиц на единицу поверхности, а размер их меньше, гуще сеть проводящих пучков, сильнее развита палисадная паренхима и т. д. Такого рода закономерности изменений листового аппарата получили название закона Заленского. Устьица у листьев верхних ярусов даже при водном дефиците дольше остаются открытыми. Это, с одной стороны, поддерживает процесс фотосинтеза, а с другой — способствует увел. концентр. кл. сока, что позволяет им оттягивать воду от ниже расположенных листьев. Поскольку сходные особенности строения свойственны ряду ксерофитов, такая структура листьев получила название ксероморфной. Биохим. механизмы защ. предотвр. обезвожив. клетки, обеспечив. детоксикацию продуктов распада, способст. восстановл. нарушенных структур цитоплазмы. Засуха вызывает существенные перестройки в гормональной системе растений: уменьшается содержание гормонов-активаторов роста — ауксина, цитокинина, гиббереллинов, стимуляторов роста фенольной природы и возрастает уровень абсцизовой кислоты и этилена. В условиях засухи от быстроты остановки ростовых процессов часто зависит выживание растения. Снижение содержания гормонов-активаторов роста, в частности ИУК, происходит вслед за остановкой роста. Умен. ауксина в тканях при засухе может быть связано с низким содер. — триптофана, а также с подавлением транспорта ауксинов по растению. Обработка растений в условиях засухи растворами ауксина, цитокинина, гиббереллина усугубляет отрицательное действие засухи. Однако опрыскивание растений цитокинином в период восстановления после засухи значительно улучшает состояние растений. Кроме того, цитокинин увел. жаростойкость растений (в частности улучшает всхожесть семян). Засухоустойчивость с/х растений повыш. в результате предпосевного закаливания. Адаптация к обезвоживанию происх. в семенах, которые перед посевом после однократного намачивания вновь высушиваются. Для растений, выращенных из таких семян, характерны морфологические признаки ксероморфности, коррелирующие с их большей засухоустойчивостью.
|