Reakcje ochronne roślin wywołane przez histogeny i substancje huminowe

Podczas zatrucia roślin różnymi substancjami, które dostają się wraz z prądem wstępującym do ksylemu przez korzenie lub bezpośrednio do ściętych łodyg z wodą, obserwuje się charakterystyczną histogeniczną reakcję obronną. Polega ona na brązowieniu ścian i tworzeniu się brunatnej masy, która zatyka system przewodzący, co prowadzi do zatrzymania wchłaniania szkodliwego czynnika.

I tak, przy przetrzymywaniu korzeni różnych roślin w wodzie lub roztworze odżywczym zawierającym substancje aktywne allelopatycznie, wysokie stężenia soli lub inne czynniki toksyczne, już w 2–3 dniu w ksylemie strefy przewodzącej korzeni, a częściej w wyżej położonych częściach systemu przewodzącego łodygi, zwłaszcza w węzłach, następuje brązowienie ścian ksylemu i tworzą się zatory składające się z amorficznej brunatnej substancji.

Podobne zatory w ksylemie były obserwowane wcześniej przez innych badaczy, jednak dawali im oni inną interpretację. Na przykład obserwowaliśmy lokalizację brązowych osadów w ksylemie pszenicy wyrosłej wspólnie z perzem, jednak uważaliśmy, że ta masa to agropyren – fizjologicznie aktywny triterpen wydzielany przez kłącza perzu.

Często zatory powstają przy porażeniu roślin przez bakterie i grzyby wywołujące choroby więdnięcia: uwiąd pomidorów i bawełny, holenderską chorobę wiązu itp. Co więcej, zatykanie naczyń tłumaczy się rozwojem w nich mikroflory patogennej. Uważa się również, że przyczyną zatoru może być nie tylko rozwijająca się grzybnia, ale także specyficzne substancje więdnięcia – marazminy. Niektóre marazminy zostały zidentyfikowane i otrzymane w postaci czystych preparatów, na przykład kwas pikolinowy, likomarazmina, fitoniwein, kwas fuzarowy i inne, jednak mechanizm ich oddziaływania na rośliny nie został jeszcze w pełni wyjaśniony.

Prawdopodobnie, tak jak pod wpływem czynnika allelopatycznego, w tym przypadku następuje zatykanie ksylemu, któremu towarzyszy więdnięcie i obumieranie części nadziemnej. W ten sposób zatory w ksylemie powstają przy zatruciu roślin o charakterze allelopatycznym, fitopatogennym, czysto chemicznym i innym.

Założyliśmy, że powstawanie zatorów jest uniwersalną reakcją obronną rośliny na przenikanie szkodliwych substancji. Takie czopowanie pozwala roślinie przynajmniej tymczasowo zatrzymać dopływ toksyny i uniknąć natychmiastowej śmierci. Z czasem roślina rozwija korzenie boczne i dodatkowy ksylem, nabywa strukturę sukulentną, aby mniej odparowywać wodę i tym samym ograniczyć dopływ toksyny do części nadziemnej. Opisano na przykład zwiększenie sukulencji liści pod wpływem allelopatii. Zatykanie jam ksylemu pozwala roślinie odwlec natychmiastową śmierć z powodu zatrucia i, jeśli czynnik toksyczny działał tymczasowo, przetrwać niekorzystny okres.

Mechanizm powstawania zatorów w naczyniach ksylemu wyobrażamy sobie w następujący sposób. Szkodliwy czynnik, który dostał się do martwych naczyń ksylemu, przenika przez komórki do wszystkich tkanek łodyg i liści i, jak się wydaje, najsilniej poraża żywe komórki miękiszu położone obok ksylemu.

Przy tym histogeniczne reakcje obronne można podzielić na dwa typy. Przede wszystkim do miejsca najsilniejszego podrażnienia żywej tkanki przylegającej do ksylemu napływają z całej rośliny, a zwłaszcza z liści, różne substancje ochronne, dzięki którym wzrasta intensywność oddychania porażonych tkanek i prawdopodobnie następuje unieszkodliwienie substancji toksycznych poprzez ich metabolizowanie i utlenianie.

Jeśli jednak dopływ trucizny trwa nadal, roślinie nie udaje się w ten sposób całkowicie inaktywować toksyny i substancje ochronne wydostają się do światła naczyń ksylemu, gdzie rozpoczyna się drugi etap reakcji obronnych. Wskutek gwałtownej zmiany warunków środowiska, naruszenia przestrzennego rozdziału substancji w soku ksylemowym następuje autoliza, która prowadzi do denaturacji i rozkładu białek oraz innych składników komórek roślinnych, a także do powstawania polimerowych, częściowo utlenionych związków. Wytrącają się one w postaci osadu, który nawarstwia się w określonych częściach naczyń i zatyka je.

Zatykanie jam naczyń w dalszej kolejności może stać się przyczyną zahamowania wzrostu lub śmierci roślin, jeśli nie zdążą one zregenerować systemu naczyniowo-przewodzącego. W ten sposób mechanizm reakcji obronnych jest dwojaki: początkowo roślina próbuje inaktywować toksyny drogą biochemiczną, wzmacniając oddychanie i utlenianie biologiczne w strefie przenikania toksyn. Później rozwijają się zatory, hamujące dopływ trucizn, z którymi roślina nie jest już w stanie poradzić sobie na drodze biochemicznej.

Oczywiście taki podział jest umowny, ponieważ masa zatykająca jest nie tylko barierą na drodze prądu wstępującego, ale także środkiem inaktywacji substancji toksycznych poprzez adsorpcję i strącanie. Jak wykazały nasze badania histochemiczne, brunatna masa składa się ze związków trudno rozpuszczalnych lub nierozpuszczalnych. Jej skład zmienia się w procesie powstawania: najpierw wykrywa się glukozę, substancje pektynowe, związki fenolowe, ligninę, a w ostatnich stadiach w składzie brunatnej substancji wykrywa się melaniny. Całkowity skład brunatnej masy nie został zbadany, ale prawdopodobnie jest bardzo złożony.

Ponieważ zatykanie naczyń wykrywa się przy najróżniejszych szkodliwych oddziaływaniach, a jak wiadomo, związki humusowe bardzo często łagodzą szkodliwy wpływ różnych czynników, zainteresowała nas kwestia możliwego wpływu substancji humusowych na powstawanie zatorów, a przez nie na wzmocnienie lub osłabienie reakcji obronnych rośliny. Weryfikacja tego przypuszczenia była celem niniejszej pracy.

METODYKA I MATERIAŁY

Substancje humusowe otrzymywano w następujący sposób. 50 g torfu lub próchnicy zalewano 150 ml 0,1 N KOH i po 16-godzinnym naciąganiu filtrowano. Do 50 ml otrzymanego przesączu dodawano 8 ml 1 N H2SO4, podgrzewano na łaźni wodnej w celu wytrącenia koloidów organicznych i filtrowano. Kwasy humusowe pozostawały na filtrze.

Osad na filtrze w naszych badaniach przyjmowaliśmy za pełną dawkę kwasów humusowych lub dzieliliśmy na dwie, cztery i osiem części i wprowadzaliśmy do wody, w której znajdowały się rośliny doświadczalne. W ten sposób stężenie substancji humusowych odpowiadało roztworowi z 50 g torfu (próchnicy) w 200, 400 lub 800 ml wody, tj. było dość wysokie. Nie dążyliśmy do precyzyjnego dozowania, ponieważ interesował nas tylko wynik jakościowy.

W doświadczeniach badano również wyciągi wodne z próchnicy i torfu; 80 g powietrzno-suchej próchnicy lub torfu zalewano wodą i objętość doprowadzano do 500 ml. Po dobowym naciąganiu wyciągi wykorzystywano do eksperymentu.

W celu zbadania wpływu substancji humusowych na reakcje obronne organizmu roślinnego, przebywającego pod wpływem substancji aktywnych allelopatycznie, przygotowywaliśmy wodne ekstrakty z suchych kłączy perzu właściwego Agropyron repens L. i suchej masy nadziemnej koniczyny łąkowej w stosunku 1:10. Do 200 ml ekstraktu z perzu i koniczyny wprowadzaliśmy substancje humusowe i umieszczaliśmy w nich rośliny wykopane z korzeniami na polu.

Do badań wzięto rośliny rzepaku ozimego Brassica napus var. oleifera D. odmiany Mytiszczinskij nr 1, owsa Avena sativa L. odmiany Lgowskij 1023 i truskawki Fragaria ananassa Duch. odmiany Kijewska Wczesna. Rośliny kontrolne umieszczano w wodzie wodociągowej, a doświadczalne – w ekstraktach według schematu przedstawionego w tabeli 1.

Rośliny przetrzymywano w ekstraktach w warunkach laboratoryjnych i badano w 5. i 7. dniu od rozpoczęcia doświadczenia. Skrawki mikroskopowe wykonywano ręcznie w miejscach powstawania brunatnej substancji zatykającej naczynia: u rzepaku ozimego – w korzeniach, łodygach, ogonkach liściowych; u owsa – w węzłach krzewienia i węzłach łodygi; u truskawki – w łodygach i ogonkach liściowych. Obecność zmian patologicznych w naczyniach badano na skrawkach mikroskopowych. Do badań brano po 5 roślin, pod mikroskopem przeglądano po 30–50 skrawków.

Wyniki i dyskusja

Wyniki eksperymentów przedstawiono w tabeli 1. U kontrolnych roślin rzepaku w piątym dniu od rozpoczęcia doświadczenia wykrywa się substancję zatykającą naczynia. Zjawisko to można, jak widać, wytłumaczyć tym, że rzepak jest rośliną bardzo aktywną allelopatycznie i pod nim w wodzie gromadziły się szkodliwe substancje, które powodowały samozatrucie.

Należy jednak zauważyć, że ilość substancji zatykających naczynia i rozległość zatorów u kontrolnych roślin rzepaku są nieporównywalnie mniejsze niż u tych, które były przetrzymywane w ekstraktach doświadczalnych. Wprowadzenie do wody substancji humusowych uzyskanych z próchnicy i torfu nie miało żadnego wpływu na powstawanie zatorów u rzepaku.

U truskawki w 5–8 dniu w tych warunkach następowało brązowienie naczyń ksylemu w ogonkach i łodygach, jednak pełna dawka kwasów humusowych z próchnicy nieco łagodziła ten proces i w ogonkach nie wykrywano brązowienia. W łodygach brązowienie ścian ksylemu i zatory pojawiały się dopiero pod koniec eksperymentu.

U owsa przeciwnie, pełna dawka kwasów humusowych próchnicy nasilała powstawanie zatorów w jamach ksylemu. W ten sposób kwasy humusowe rozcieńczone w wodzie nasilały powstawanie zatorów pod koniec eksperymentu.

Kwasy humusowe uzyskane z próchnicy i wprowadzane do ekstraktów z perzu nie wywierały szczególnego wpływu na rośliny, a substancja zatykająca naczynia powstawała w mniej więcej takiej samej ilości, jak w czystym ekstrakcie z perzu bez substancji humusowych. Jednocześnie kwasy humusowe uzyskane z torfu znacznie łagodziły allelopatyczny wpływ ekstraktu z perzu na rośliny owsa i truskawki, w wyniku czego w siódmym dniu eksperymentu odnotowywano jedynie ślady żółtawej masy zatykającej naczynia. U rzepaku w ekstrakcie z perzu, nawet rozcieńczonym wodą (1:1), kwasy humusowe uzyskane z torfu nie wywierały pozytywnego wpływu.

W badanych przez nas stężeniach znacznie łagodziły one allelopatyczny wpływ ekstraktów z perzu na badane rośliny. Ekstrakty z koniczyny są dla roślin bardziej toksyczne niż ekstrakty z perzu. Kwasy humusowe z próchnicy i torfu nasilają efekt allelopatyczny koniczyny.

W tych wariantach u wszystkich badanych przez nas roślin substancję zatykającą naczynia lub powodującą brązowienie ich ścian wykrywa się w większych ilościach niż w czystym ekstrakcie z koniczyny. Bardzo wrażliwą rośliną jest truskawka. W 4–5 dniu doświadczenia liście truskawki częściowo brązowieją i zasychają na zielono, a u owsa i rzepaku liście stopniowo żółkną i tracą barwę: całkowicie niszczeją w nich chloroplasty. Zjawisko to jest ewidentnie związane z tym, że u rzepaku i owsa szkodliwe substancje po wniknięciu do rośliny działają łagodniej i zatruwają ją stopniowo.

Substancje zapasowe liści są zużywane na zwiększenie intensywności oddychania i odgrywają niebagatelną rolę w tworzeniu reakcji obronnych. Substancje aktywne allelopatycznie zawarte w ekstrakcie z koniczyny, wnikając do liści truskawki, wywierają ostry toksyczny wpływ na chloroplasty, w wyniku czego liście brązowieją i zasychają. Prawdopodobnie kwasy humusowe w ekstrakcie z koniczyny nasilają proces patologiczny. Rozcieńczenie ekstraktu wodą nie miało znaczenia dla truskawki.

Wyciągi wodne z próchnicy i torfu wywierały na rośliny taki sam efekt jak czyste kwasy humusowe. W ten sposób kwasy humusowe uzyskane z próchnicy, a zwłaszcza z torfu, w pewnym stopniu obniżają allelopatyczny wpływ perzu na rośliny (liczba zatorów maleje) i nasilają go w ekstraktach z koniczyny łąkowej (zatykanie nasila się).

Badania te potwierdzają nasze przypuszczenie, że brunatna substancja powstająca w naczyniach ksylemu jest reakcją obronną organizmu roślinnego na wnikający do niego szkodliwy czynnik. Przy czym kwasy humusowe przejawiają swój efekt dwojako: w jednym przypadku ilość zatorów maleje, a zatem nasila się biochemiczna intoksykacja wydzielinami perzu, w drugim – zatykanie wzrasta, co jest prawdopodobnie związane ze wzmocnieniem funkcji obronnej pod wpływem kwasów humusowych.

Uzyskane przez nas dane pozwalają na wyciągnięcie wniosku, że substancje humusowe są zdolne do zwiększania odporności roślin na oddziaływanie czynników allelopatycznych.

Tabela 1. Wpływ substancji humusowych (SH) na porażenie ksylemu wywołane czynnikiem allelopatycznym

Uwaga: — brak porażenia; + naczynia porażone; ++ naczynia silnie porażone; +++ naczynia porażone w bardzo dużej liczbie; X porażenie naczyń słabe; 0 badania nie przeprowadzono.