Гістогенні захисні реакції рослин і гумінові речовини

При отруєнні рослин різними речовинами, які надходять із висхідним потоком у ксилему через коріння або прямо у зрізані стебла з водою, спостерігається характерна гістогенна захисна реакція, що полягає у побурінні стінок та утворенні бурої маси, яка закупорює провідну систему, та у припиненні поглинання шкідливого фактора.

Так, при витримуванні різних рослин корінням у воді або поживному розчині, що містить алелопатично активні речовини, високі концентрації солей чи інші токсичні фактори, вже на 2—3 день у ксилемі провідної зони коренів, а частіше — у розташованих вище частинах провідної системи стебла, особливо у вузлах, відбувається побуріння стінок ксилеми та утворюються закупорки, що складаються з аморфної бурої речовини.

Подібні закупорки у ксилемі спостерігалися раніше й іншими дослідниками, проте вони давали їм інше тлумачення. Так, наприклад, ми відзначали локалізацію бурих відкладень у ксилемі пшениці, що виросла спільно з пирієм, проте ми вважали, що ця маса — агропірен, фізіологічно активний тритерпен, що виділяється кореневищами пирію.

Часто закупорки виникають при ураженні рослин бактеріями та грибами, що викликають хвороби в'янення; вілт у томатів та бавовнику, голландська хвороба в'язів та ін. Причому закупорювання судин пояснюють розвитком у них патогенної мікрофлори. Вважають також, що причиною закупорки може бути не тільки міцелій, що розвивається, а й специфічні речовини в'янення — маразміни. Деякі маразміни ідентифіковані та отримані у вигляді чистих препаратів, наприклад, піколінова кислота, лікомаразмін, фітонівеїн, фузаринова кислота та ін., проте механізм їх впливу на рослини ще повністю не розкритий.

Ймовірно, так само, як і під впливом алелопатичного фактора, у цьому випадку відбувається закупорювання ксилеми, що супроводжується в'яненням та відмиранням надземної частини. Таким чином, закупорки в ксилемі виникають при алелопатичному, фітопатогенному, суто хімічному та іншому отруєнні рослин.

Ми припустили, що виникнення закупорок є універсальною захисною реакцією рослини на проникнення шкідливих речовин. Таке закупорювання дозволяє рослині хоча б тимчасово припинити надходження токсину та уникнути негайної загибелі. Згодом рослина розвиває бічні корені та додаткову ксилему, набуває сукулентної структури, щоб менше випаровувати води і тим самим скоротити надходження токсину в надземну частину. Описано, наприклад, підвищення сукулентності листя під впливом алелопатії. Закупорювання порожнин ксилеми дозволяє рослині відстрочити негайну загибель від отруєння і, якщо токсичний фактор діяв тимчасово, пережити несприятливий період.

Механізм утворення закупорок у судинах ксилеми ми уявляємо наступним чином. Шкідливий фактор, що надійшов у мертві судини ксилеми, проникає по клітинах у всі тканини стебел і листя і, мабуть, найбільш сильно вражає розташовані поруч із ксилемою живі клітини паренхіми.

При цьому захисні гістогенні реакції можна поділити на два типи. Насамперед до місця найбільш сильного подразнення живих тканин, що прилягають до ксилеми, з усієї рослини і особливо з листя притікають різні захисні речовини, за рахунок яких підвищується інтенсивність дихання уражених тканин і, ймовірно, здійснюється знешкодження токсичних речовин шляхом їх метаболізації та окислення.

Якщо ж надходження отрути продовжується, то рослині не вдається таким шляхом повністю інактивувати токсин і захисні речовини виходять у порожнину судин ксилеми, де починається другий етап захисних реакцій. Внаслідок різкої зміни умов середовища, порушення просторового поділу речовин у ксилемному соку відбувається автоліз, який веде до денатурації та розкладання білків та інших компонентів рослинних клітин і до утворення полімерних, частково окислених сполук. Вони випадають в осад, який нашаровується у певних частинах судин та закупорює їх.

Закупорювання порожнин судин надалі може стати причиною пригнічення або загибелі рослин, якщо вони не встигнуть регенерувати судинно-провідну систему. Таким чином, механізм захисних реакцій подвійний: спочатку рослина намагається інактивувати токсини біохімічним шляхом, посилюючи дихання та біологічне окислення у зоні проникнення токсинів. Надалі розвиваються закупорки, що перешкоджають надходженню отрут, з якими рослина біохімічним шляхом впоратися вже не в змозі.

Зрозуміло, такий поділ умовний, бо закупорююча маса є не лише бар'єром на шляху висхідного потоку, а й засобом інактивації токсичних речовин шляхом адсорбції та осадження. Як показали наші гістохімічні дослідження, бура маса складається з важкорозчинних або нерозчинних сполук. Склад її в процесі становлення змінюється: спочатку виявляється глюкоза, пектинові речовини, фенольні сполуки, лігнін, і на останніх стадіях у складі бурої речовини виявляються меланіни. Повністю склад бурої маси не вивчений, але, ймовірно, він дуже складний.

Оскільки закупорювання судин виявляється при найрізноманітніших шкідливих впливах, а, як відомо, гумінові сполуки дуже часто пом'якшують шкідливий вплив різних факторів, нас зацікавило питання про можливий вплив гумінових речовин на утворення закупорок і через них на посилення або ослаблення захисних реакцій рослини. Перевірка цього припущення стала метою цієї роботи.

МЕТОДИКА ТА МАТЕРІАЛИ

Гумінові речовини отримували наступним чином. 50 г торфу або перегною заливали 150 мл 0,1-н KОН і після 16-годинного настоювання фільтрували. До 50 мл отриманого фільтрату додавали 8 мл 1-н H2SO4, підігрівали на водяній бані для осадження органічних колоїдів та фільтрували. Гумінові кислоти залишалися на фільтрі.

Залишок на фільтрі в наших дослідженнях приймали за повну дозу гумінових кислот або ж поділяли на дві, чотири та вісім частин і вносили у воду, де знаходилися дослідні рослини. Таким чином, концентрація гумусових речовин відповідала розчину з 50 г торфу (перегною) у 200, 400 або 800 мл води, тобто була досить високою. Ми не домагалися точного дозування, оскільки нас цікавив лише якісний результат.

У дослідах досліджувалися також водні витяжки з перегною та торфу; 80 г повітряно-сухого перегною або торфу заливали водою і об'єм доводили до 500 мл. Після добового настоювання витяжки використовували для експерименту.

З метою вивчення впливу гумінових речовин на захисні реакції рослинного організму, що перебуває під впливом алелопатично активних речовин, ми готували водні екстракти із сухих кореневищ пирію повзучого Agropyron repens L. та сухої надземної маси конюшини червоної у співвідношенні 1:10. У 200 мл екстракту з пирію та конюшини вносили гумінові речовини і поміщали в них рослини, викопані з корінням у полі.

Для вивчення брали рослини озимого ріпаку Brassica napus var. oleifera D. сорту Митищинський № 1, вівса Avena sativa L. сорту Льговський 1023 та суниці Fragaria ananassa Duch. сорту Київська рання. Контрольні рослини ставилися у водопровідну воду, а дослідні — в екстракти за схемою, представленою у табл. 1.

Рослини витримували в екстрактах у лабораторних умовах та вивчали на 5-й та 7-й день після початку постановки досліду. Мікроскопічні зрізи робилися вручну у місцях виникнення бурої речовини, що закупорює судини, у озимого ріпаку — у корінні, стеблах, черешках листя, у вівса — у вузлах кущіння та вузлах стебла; у суниці — у стеблах та черешках листя. Наявність патологічних змін у судинах вивчали на мікроскопічних зрізах. Для дослідження брали по 5 рослин, під мікроскопом переглядали по 30—50 зрізів.

Результати та обговорення

Результати експериментів наведені у таблиці 1. У контрольних рослин ріпаку на п'ятий день після початку досліду виявляється речовина, що закупорює судини. Пояснити це явище, очевидно, можна тим, що ріпак — алелопатично дуже активна рослина і під ним у воді накопичувалися шкідливі речовини, які викликали самоотруєння.

Слід проте зазначити, що кількість речовин, що закупорюють судини, і протяжність закупорок у контрольних рослин ріпаку незрівнянно менші, ніж у тих, які витримувалися в дослідних екстрактах. Внесення у воду гумінових речовин, отриманих із перегною та торфу, не справляло якогось впливу на утворення закупорок у ріпаку.

У суниці на 5—8 день у цих умовах відбувалося побуріння судин ксилеми в черешках і стеблах, однак повна доза гумінових кислот із перегною дещо пом'якшувала цей процес і в черешках побуріння не виявлялося. У стеблах побуріння стінок ксилеми та закупорки виникали лише під кінець експерименту.

У вівса, навпаки, повна доза гумінових кислот перегною посилювала утворення закупорок у порожнинах ксилеми. Таким чином, гумінові кислоти, розбавлені у воді, посилювали утворення закупорок до кінця експерименту.

Гумінові кислоти, отримані з перегною і внесені в екстракти з пирію, особливого впливу на рослини не справляли і речовина, що закупорює судини, виникала приблизно в такій самій кількості, як і в чистому екстракті з пирію без гумінових речовин. У той самий час гумінові кислоти, отримані з торфу, значно пом'якшували алелопатичний вплив екстракту з пирію на рослини вівса та суниці, внаслідок чого на сьомий день експерименту відзначалися лише сліди жовтуватої маси, що закупорює судини. У ріпаку в екстракті пирію, навіть розведеного водою (1:1), гумінові кислоти, отримані з торфу, позитивного впливу не справляли.

У концентраціях, що нами вивчалися, вони значно пом'якшували алелопатичний вплив екстрактів із пирію на досліджувані рослини. Екстракти з конюшини для рослин токсичніші, ніж екстракти з пирію. Гумінові кислоти з перегною та торфу посилюють алелопатичний ефект конюшини.

У цих варіантах у всіх досліджуваних нами рослин речовина, що закупорює судини або викликає побуріння їх стінок, виявляється у більших кількостях, ніж у чистому екстракті з конюшини. Дуже чутливою рослиною є суниця. На 4—5-й день досліду листя суниці частково буріє і засихає зеленим, а у вівса та ріпаку листя поступово жовтіє і знебарвлюється: у ньому повністю руйнуються хлоропласти. Це явище, вочевидь, пов'язане з тим, що у ріпаку та вівса шкідливі речовини, проникнувши в рослину, діють м'якше та отруюють її поступово.

Запасні речовини листя витрачаються на підвищення інтенсивності дихання та важливу роль відіграють в утворенні захисних реакцій. Алелопатично активні речовини, що містяться в екстракті з конюшини, проникнувши в листя суниці, чинять різку токсичну дію на хлоропласти, внаслідок чого листя буріє і засихає. Ймовірно, гумінові кислоти в екстракті конюшини посилюють патологічний процес. Розведення екстракту водою для суниці значення не мало.

Водні витяжки з перегною та торфу справляли на рослини такий самий ефект, як і чисті гумінові кислоти. Таким чином, гумінові кислоти, отримані з перегною і особливо з торфу, певною мірою знижують алелопатичний вплив пирію на рослини (кількість закупорок зменшується) і посилюють його в екстрактах із червоної конюшини (закупорювання посилюється).

Ці дослідження підтверджують наше припущення, що бура речовина, яка виникає в судинах ксилеми, є захисною реакцією рослинного організму на шкідливий чинник, що проник у нього. Причому гумінові кислоти виявляють свій ефект двояко: в одному випадку кількість закупорок зменшується і, отже, посилюється біохімічна інтоксикація виділень пирію, в іншому — закупорювання збільшується, що, мабуть, пов'язане з посиленням захисної функції під впливом гумінових кислот.

Отримані нами дані дозволяють зробити висновок про те, що гумінові речовини здатні підвищувати стійкість рослин до дії алелопатичних факторів.

Таблиця 1. Вплив гумінових речовин (ГР) на ураження ксилеми, викликане алелопатичним фактором

Примітка: — ураження відсутнє; + судини уражені; ++ судини уражені сильно; +++ судини уражені в дуже великій кількості; X ураження судин слабке; 0 дослідження не проводилося.