COMPARATIVE ANALYSIS OF THE IMPACT OF SHORT-TERM AND LONG-TERM SALINITY STRESS ON GERMINATION AND MORPHOMETRIC PARAMETERS SECALE CEREALE ИTRITICUM DURUM

Гордеева И.В.¹, Татауров В.П.²

¹Кандидат биологических наук, ²кандидат химических наук, Уральский государственный экономический университет

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО И ДЛИТЕЛЬНОГО СОЛЕВОГО СТРЕССА НА ВСХОЖЕСТЬ И МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ SECALE CEREALE И TRITICUM DURUM

Аннотация

В статье приведены результаты изучения воздействия кратковременного (6 ч) и длительного (120 ч) стресса, вызванного растворами NaCl различных концентраций (10 мМ, 20 мМ и 30 мМ) на всхожесть семян, среднее время прорастания и ряд морфометрических признаков двух видов злаков – Secale cereale (ржи посевной) и Triticum durum (пшеницы твердой). Показано, что семена и проростки S. cereale характеризуются большей чувствительностью к растворам хлорида натрия всех концентраций, что особенно проявляется при кратковременном солевом стрессе и проявляется в снижении всхожести, увеличении среднего времени прорастания и сокращении средней длины колеоптиля, а также возрастании изменчивости морфометрических признаков  по сравнению с контрольными показателями. При исследовании семян и проростков T.  durum подобной тенденции выявлено не было, что свидетельствует о большей толерантности данного вида к солевому стрессу.

Ключевые слова: солевой стресс, всхожесть семян, среднее время прорастания, Secale cereale, Triticum durum.

Gordeeva I.V.¹, Tataurov V.P.²

¹PhD in Biology, ²PhD in Chemistry, Ural State University of Economics

COMPARATIVE ANALYSIS OF THE IMPACT OF SHORT-TERM AND LONG-TERM SALINITY STRESS ON GERMINATION AND MORPHOMETRIC PARAMETERS SECALE CEREALE ИTRITICUM DURUM

Abstract

The article contains the results of the study of the effects of short-term (6 h) and prolonged (120 h) stress caused by NaCl solutions of various concentrations (10 mM, 20 mM and 30 mM) on seed germination, average germination time and a number of morphometric traits of two species of cereals – Secalecereale (rye seed) and Triticum durum (wheat solid). It is shown that the seeds and sprouts of S.cereale are characterized by greater sensitivity to the solutions of sodium chloride of all concentrations, which is especially evident in short-term salinity stress and manifests itself in the decrease of germination, the increase of the mean germination time, the decrease of the mean length of the coleoptile and the increase of the variability of morphometric features in comparison with the control indicators. Similar trend wasn’t revealed in the study of seeds and sprouts of T.durum, which indicates a greater tolerance of this species to salinity stress.

Keywords: salinity stress, seed germination, mean germination time, Secalecereale, Triticum durum.

Процесс засоления почв, приводящий к ежегодному изъятию из оборота сотен тысяч гектаров сельскохозяйственных угодий, представляет собой серьезную экологическую проблему, стоящую перед работниками аграрного сектора экономики во всем мире [1, С. 300]. Солевой стресс является причиной замедления темпов роста и снижения общей урожайности разнообразных культур, оказывая влияние на целый спектр физиолого-биохимических и метаболических процессов, включая фотосинтез и митотический цикл [2, С. 80]. Тем не менее, известно, что различные виды растений, в том числе имеющих сельскохозяйственное значение, дифференцируются в зависимости от степени толерантности по отношению к концентрации ионов Na⁺ и Cl^- в почве и водных растворах [3]. В частности, установлено, что растения рода Trifolium характеризуются низкой солеустойчивостью, тогда как виды родов Elytrigia и Festuca представляют собой примеры галофитов [4, С. 35-36]. Последние два примера относятся к числу дикорастущих злаков, однако даже в пределах одного конкретного семейства наблюдается существенная дифференциация видов в зависимости от степени толерантности к солевому стрессу, что отражается в различных показателях всхожести семян, скорости роста растений, соотношении длин надземной и подземной части и пр. [1], [5, С. 29], [6]. Кроме того, установлено, что «относительная значимость осмотического эффекта ионов Na⁺ и Cl^- для всхожести семян и дальнейшего развитие растений может зависеть от длительности солевого стресса» [7, С. 280]. Однако последствия продолжительности воздействия растворов NaCl на ранние стадии онтогенеза сельскохозяйственных культур до сих пор изучены недостаточно.

Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния кратковременного и длительного солевого стресса на ряд морфометрических признаков, а также всхожесть семян двух видов злаковых растений - Secale cereale (ржи посевной) и Triticum durum (пшеницы твердой), подвергшихся воздействию 10мМ, 20мМ и 30мМ растворов NaCl.

При кратковременном воздействии семена растений обоих видов помещались в чашки Петри между листами фильтровальной бумаги, пропитанными растворами перечисленных концентраций и выдерживались в течение шести часов при температуре 23-25 ⁰C. Затем семена переносились в подготовленные формы для проращивания объемом 350 см³, заполненные на ¾ заранее подготовленным увлажненным торфосодержащим грунтом для проращивания рассады Terra Vita по три зерна в один стаканчик. В дальнейшем культивирование осуществлялось при той же температуре при естественном освещении на протяжении 11 суток при регулярном поливе профильтрованной водой, не содержащей ионов Na⁺ и Cl^-. Начиная с четвертых суток проращивания измерялась высота надземного побега, а также оценивалась всхожесть семян и среднее время прорастания [5, С. 28-29].

Для оценки последствий длительного солевого стресса семена S. cereale и T. durum проращивали согласно стандартной методике ГОСТ 12038-84 между листами фильтровальной бумаги, пропитанными солевыми растворами вышеупомянутых концентраций на протяжении 5 суток [8]. При этом, начиная со вторых суток культивирования, измерялась максимальная длина корневой системы и колеоптиля, а также оценивалась всхожесть семян. Выборка для каждого варианта в обоих экспериментах (при кратковременном и длительном солевом стрессе) включала 60 семян, исследование осуществлялось в апреле-мае 2017 г в трех повторностях. Итоговые значения всхожести определялись на десятые сутки проращивания при кратковременном и на пятые – при длительном стрессе согласно стандартной методике [8]. Среднее время прорастания (mean germination time – MGT) вычислялось по методу Cantiffe:

где A- количество семян, взошедших в конкретный день эксперимента

D – порядковый номер дня эксперимента [5, С. 29].

На рис.1 представлены графики зависимости всхожести семян S. cereale и T. durum при кратковременном и длительном солевом стрессе от концентрации солевого раствора. Установлено, что семена пшеницы менее чувствительны к воздействию растворов NaCl используемых концентраций, нежели семена ржи, и данный показатель практически не зависел от продолжительности солевого стресса (всхожесть пшеничных зерновок в чашках Петри и в почве достоверно не отличалась). Более чувствительными к наличию ионов хлорида натрия оказались семена S. cereale; кроме того, для данного вида в целом отмечалось значительное снижение общей всхожести при культивировании в почве, даже в случае контрольных условий (предварительного замачивания семян в дистиллированной воде), что может быть обусловлено не вполне соответствующими оптимальному прорастанию физико-химическим свойствами использованного грунта.

Рис. 1 – Влияние концентрации солевого раствора на всхожесть семян S. cereale и T. durum при кратковременном и длительном солевом стрессе

 

График зависимости среднего времени прорастания семян (MGT) исследуемых видов злаков при кратковременном солевом стрессе от концентрации раствора NaCl также показывает повышенную чувствительность S. cereale к ионам хлора (рис.2). MGT данного вида демонстрирует однозначную обратно пропорциональную зависимость от процентного содержания Cl^-. В то же время подобной закономерности для семян T. durum выявлено не было – некоторое возрастание данного показателя при воздействии 10мМ и 20мМ растворов компенсируется его снижением при обработке экспериментальной выборки 30мМ раствором NaCl. Таким образом, данные эксперимента свидетельствуют о меньшей чувствительности семян  твердой пшеницы к кратковременному и длительному солевому стрессу и даже об отсутствии таковой, по крайней мере, при использованных концентрациях хлорида натрия.

Рис. 2 – Влияние концентрации раствора NaCl на среднее время прорастания семян S. cereale и T. Durum при кратковременном солевом стрессе

По мнению большинства авторов, солевой стресс оказывает отрицательное воздействие на ранние стадии онтогенеза проростков, ингибируя процессы митотического цикла и тем самым замедляя развитие растений [1-7, 9-10]. Однако относительно чувствительности конкретных органов единого мнения не существует. Часть работ показывает, что в большей степени страдает корневая система растений, принимающая на себя основные последствия осмотического стресса, тогда как другие эксперименты демонстрируют большую зависимость хлорофиллсодержащих тканей от ионов хлора, так как последние ингибируют нормальное протекание фотосинтетических реакций [2], [3], [4], [6], [7]. В табл.1 представлены результаты измерения надземной (колеоптиля) и подземной части проростков на пятые сутки эксперимента – при длительном, а также высоты надземной части растений на десятые сутки – при кратковременном солевом стрессе. Как следует из данных таблицы, корневая система проростков обоих видов злаков практически не страдает от наличия ионов Cl^- ,  более того, фиксируется нарастание средней длины корешков по сравнению с контролем по мере возрастания концентрации солевого раствора. В то же время надземная часть S. cereale испытывает дискомфорт в обоих вариантах эксперимента, что подтверждает тезис о большей чувствительности к ионам хлора фотосинтезирующих тканей растений. Изучение проростков T. durum представляет неоднозначную картину: наблюдается увеличение длины колеоптиля при длительном солевом стрессе, а при кратковременном – значительное возрастание высоты побега при воздействии раствора хлорида натрия минимальной концентрации (10мМ) сменяется постепенным уменьшением данного показателя по мере нарастания содержания ионов хлора, хотя по-прежнему превышает контрольные показатели. В целом, результаты сравнительного анализа морфометрических признаков S. cereale и T. durum коррелируют  с данными рис.1-2, демонстрирующими повышенную чувствительность ржи посевной к солевому стрессу по сравнению с твердой пшеницей.

 

Таблица 1– Влияние концентрации раствора NaCl на морфометрические показатели роста S. cereale и T. durum при кратковременном и длительном  солевом стрессе

Примечание: ±, % - отклонение экспериментальных данных от контроля

Для оценки влияния фактора на морфометрические показатели развития проростков важно учитывать не только абсолютные значения признаков, но и изменчивость данных показателей. Последнюю определяли, пользуясь стандартными статистическими параметрами – коэффициентом вариации (CV)  и среднеквадратическим отклонением (σ). Анализ данных, представленных в табл.2, показывает, что данные показатели у обоих видов злаков существенно отличаются, так же как и тенденция зависимости  CV и σ от концентрации раствора хлорида натрия. У S. cereale изменчивость по признаку «длина корешков» снижается по мере возрастания концентрации солевого раствора при длительном стрессе, в то время как изменчивость длины надземной части проростков остается практически без изменений. Таким образом, несмотря на стабильные усредненные показатели состояния подземной части (табл.1), последняя все же подвергается реальному стрессу, проявляющемуся в  снижении дифференциации значений длин корешков, позволяющей вычленить растения с большей и меньшей солевой толерантностью. Одновременно наблюдается тенденция к возрастанию изменчивости проростков ржи посевной по признаку «высота побега» при кратковременном солевом стрессе, что может свидетельствовать о большей критичности последнего для ранних стадий онтогенеза данного вида растений по сравнению с длительным солевым стрессом, к которому проростки успевают адаптироваться. Кроме того, кратковременный солевой стресс может выполнять функцию своего рода «пускового механизма» модификационной и даже выявления скрытой генетической изменчивости по признаку «солеустойчивость». В то же время у проростков твердой пшеницы однозначной зависимости изменчивости оцениваемых параметров от концентрации солевого раствора выявлено не было, что согласуется с предшествующими данными о большей толерантности данного вида к растворам хлорида натрия исследуемых концентраций.

 

Таблица 2 – Изменчивость морфометрических признаков S. cereale и T. durum под влиянием кратковременного и длительного солевого стресса

Примечание: * - степень рассеивания данных средняя, ** - степень рассеивания данных значительная

 

Данные проведенного исследования позволяют сделать заключение о большей чувствительности семян и проростков Secale cereale (ржи посевной) по отношению к солевому стрессу как кратковременной, так и долговременной природы, что проявляется в снижении всхожести и увеличении среднего времени прорастания по мере нарастания концентрации раствора NaCl. Кроме того, солевой стресс частично ингибирует развитие надземной части растений, что особенно отчетливо наблюдается при кратковременном солевом стрессе, а также способствует росту изменчивости по данному показателю в последнем случае. В то же время растения вида Triticum durum (пшеница твердая) демонстрируют большую толерантность к ионам хлора во всех вариантах эксперимента. Очевидно, что использованные в опыте концентрации хлорида натрия (10мМ, 20мМ и 30мМ) не являются критическими для растений данного вида при любой длительности воздействия соли.

Список литературы / References

1. Белозерова А.А. Изучение реакции яровой пшеницы на засоление по изменчивости морфометрических параметров проростков / А.А. Белозерова, Н.А. Бомс // Фундаментальные исследования.– 2014.–№12.– С.300-306.
2. Yousufinia M. The effect of NaCl on the growth and K⁺ content of barley (Hordeum vulgare, L.) cultivares / M. Yousufinia, A. Ghasemian, O. Safalian, etc. // Annals of Biological Research.– 2013.–V.4(1).–P.80-85.
3. Mahmood K. Salinity tolerance in barley (Hordeum vulgare, L.): effects of varying NaCl, K⁺/Na⁺ and NaHCO₃ levels on cultivars differing in tolerance // Pakistan Journal of Botany.–2011.–V.43(3).–P.1651-1654.
4. Зайцева Р.И. Характеристика солеустойчивости кормовых культур в начальной фазе вегетации при засолении чернозема хлоридом натрия / Р.И.Зайцева, Л.И. Желнакова, Н.С. Никитина // Бюллетень почвенного института им. В.В. Докучаева.– 2009.–№63.– С.25-40.
5. Shahri S. Influence of salinity stress on seed germination and seedling early growth stages of three Secale species / S. Shahri, Gh. Tilaki, M. Alizadeh // The Asian and Australian Journal of Plant Science and Biotechnology.–2012.–V.12.–P.28-31.
6. Pascaru A. Sodium chloride effect on rye (Secale cereale) / A. Pascaru, A. Giorgievici, C. Gaman, etc. // Journal of Horticulture, Forestry and Biotechnology. – 2014. – V.18(4). – P.147-150.
7. Hanif M. Effects of salt on seed germination in contrasting cereal cultivars / M. Hanif, M. Davies // Pakistan Journal of Biological Sciences.–1998.– V.4.–P.280-282.
8. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур: методы определения всхожести.– М.: Стандартинформ, 2011.– 64 с.
9. Zhang H. The effects of salinity and osmotic stress on barley germination rate: sodium as an osmotic regulator / H. Zhang, L. Irving, C. McGill, etc. // Annals of Botany.– 2010.–V.106.–P.1027-1035.
10. Turkyilmaz B. Salinity induced differences in growth and nutrient accumulation in five barley cultivars / B.Turkyilmaz, L. Yildiz Aktas, A. Guven // Turkish Journal of Field Crops. – 2011. – V.16(1). – P.84-92.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Belozerova A.A. Izuchenie reakcii jarovoj pshenicy na zasolenie po izmenchivosti morfometricheskih parametrov prorostkov [Study of spring wheat reaction to salinity on the variability of sprouts morphometric parameters] / A.A. Belozerova, N.A. Boms // Fundamental'nye issledovanija. [Fundamental Research]– 2014.–№12.– S.300-306.[in Russian]
2. Yousufinia M. The effect of NaCl on the growth and K⁺ content of barley (Hordeum vulgare, L.) cultivares / M. Yousufinia, A. Ghasemian, O. Safalian, etc. // Annals of Biological Research.– 2013.–V.4(1).–P.80-85. [in English]
3. Mahmood K. Salinity tolerance in barley (Hordeum vulgare, L.): effects of varying NaCl, K⁺/Na⁺ and NaHCO₃ levels on cultivars differing in tolerance // Pakistan Journal of Botany.–2011.–V.43(3).–P.1651-1654.[in English]
4. Zajceva R.I. Harakteristika soleustojchivosti kormovyh kul'tur v nachal'noj faze vegetacii pri zasolenii chernozema hloridom natrija [Characteristics of salt tolerance of forage crops in the initial phase of vegetation with black soil salinization of sodium chloride] / R.I. Zajceva, L.I. Zhelnakova, N.S. Nikitina // Bjulleten' pochvennogo instituta im. V.V. Dokuchaeva [Annals of Soil Science Institute after V.V. Dokuchaev].– 2009.–№63.– S.25-40. [in Russian]
5. Shahri S., Tilaki Gh., Alizadeh M. Influence of salinity stress on seed germination and seedling early growth stages of three Secale species//The Asian and Australian Journal of Plant Science and Biotechnology.–2012.–V.12.–P.28-31. [in English]
6. Pascaru A. Sodium chloride effect on rye (Secale cereale) / A. Pascaru, A. Giorgievici, C. Gaman, etc. // Journal of Horticulture, Forestry and Biotechnology. – 2014. – V.18(4). – P.147-150.[in English]
7. Hanif M. Effects of salt on seed germination in contrasting cereal cultivars / M. Hanif, M. Davies // Pakistan Journal of Biological Sciences.–1998.– V.4.–P.280-282. [in English]
8. GOST 12038-84 Semena sel'skohozjajstvennyh kul'tur: metody opredelenija vshozhesti.– M.: Standartinform, 2011.– 64 s. [in Russian]
9. Zhang H. The effects of salinity and osmotic stress on barley germination rate: sodium as an osmotic regulator / H. Zhang, L. Irving, C. McGill, etc. // Annals of Botany.– 2010.–V.106.–P.1027-1035. [in English]
10. Turkyilmaz B. Salinity induced differences in growth and nutrient accumulation in five barley cultivars / B.Turkyilmaz, L. Yildiz Aktas, A. Guven // Turkish Journal of Field Crops. – 2011. – V.16(1). – P.84-92. [in English]