Библиотечный каталог авторефератов Украины

Київський національний університет                           

імені Тараса Шевченка

На правах рукопису

Пюрко   Ольга   Євгенівна

УДК: 575:581.9:634.946:711.1(477.64)

Структурно – функціональні особливості галофітів

в умовах Приазов’я України

                                       03.00.12 – фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового степеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор,

                                      член-кореспондент УААН

                                      Мусієнко Микола Миколайович

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук

                                     Силаєва Алла Михайлівна,                     

                                               Інститут садівництва УААН,

                                     зав. лабораторії фізіології рослин

                                    доктор біологічних наук

                                    Заіменко Наталія Василівна,

                                            Національний ботанічний сад

                                    ім. М.М. Гришка НАН України,

                                             старший науковий співробітник

Провідна установа: Інститут фізіології рослин і генетики НАН України

Захист відбудеться “16”  червня   2003 р. о 16.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24  для захисту дисертації на біологічному факультеті Київського університету імені Тараса Шевченка за адресою:

Київ-127, просп. акад. Глушкова, 2, корп.12

Поштова адреса: 01033, Київ-03,

вул. Володимирська, 64.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського університету імені Тараса Шевченка

Автореферат розісланий _14 травня 2003 р.

                                                                                        (дата)

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

доктор біологічних наук, професор                                              Матишевська О.П.             

загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Засолені ґрунти складають майже 25% всієї земної поверхні     (близько 9.108 га). Площі їх, на жаль, мають стійку тенденцію до розширення за рахунок аридизації клімату та глобального підвищення середньорічної температури повітря планети (Пьянков и др., 1993; Kramer and oth., 1995; Bohnert and oth., 1996; Ghassemi and oth., 1998; Tyerman and oth,1999). В Україні біля 1 млн. га площ мають різний ступінь засолення ґрунту (Білик, 1963; Колупаєв, 2001), зокрема і в Приазов’ї, розташованому в степовій зоні. Наявність морської акваторії (Азовське море, Молочний лиман) та інтенсивне випаровування води зумовлюють засолення ґрунтів узбережжя. Підвищена концентрація солей у ґрунті обмежує різноманітність культурної та обумовлює бідність і специфічність природної флори (Строганов, 1970; Bohnert and oth., 1996; Diaz, 1998; Палладіна та ін., 2001), формує зони ризикованого землеробства в цьому регіоні (Білик, 1963; Коломійчук та ін., 2000).

Для рослин вміст солей у ґрунті є екзогенним фактором середовища, який визначає процеси життєдіяльності організму на всіх рівнях його організації, починаючи з молекулярного і закінчуючи фітоценозом (Saxena, 1994; Hageman  and oth., 1997; Zhu and oth., 1997; Yeo, 1998). В незначних кількостях солі виконують функцію мінерального живлення, а при високих концентраціях є стресовим фактором, під дією якого рослина набуває певних “реакцій-відповідей”, що в сукупності формує  більш загальне поняття – адаптаційний синдром (Селье, 1982; Барабой, 1992; Leshem and oth., 1998; Таран, 2001).

Солестійкість як важливий інтегральний параметр не має своїх одиниць вимірювання, тому характеризується через інші показники, які часто не узгоджуються між собою або мають дуже віддалений причиново-функціональний зв’язок. При значній кількості публікацій із проблеми солестійкості рослин багато питань залишаються дискусійними, а деякі – не вивченими зовсім. Так, при наявності оригінальної класифікації галофітів за анатомічною будовою листка (Carolin and oth., 1978; Гамалей и др., 1985), фізіологічні процеси та біохімічні реакції, що їх визначають, залишаються недостатньо вивченими. Тому з’ясування онтогенетичних стратегій та фізіологічних  механізмів формування солевитривалості рослин є предметом дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках бюджетної теми “Фізіолого-біохімічні основи формування і регуляції адаптивного потенціалу та продуктивності рослин (Р/№ 0195U021408)” кафедри фізіології та екології рослин Київського національного університету імені Тараса Шевченка та “Анатомо-морфологічні та  фізіолого-біохімічні особливості рослинного покриву засолених ґрунтів Приазов'я” відповідно до наукової розробки державної проблеми “Рослинний світ: його охорона, збереження та раціональне використання (Р/№ 0102V00102)” кафедри ботаніки Мелітопольського державного педагогічного університету, де дисертантка була виконавцем тем.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження полягає у з’ясуванні структурно-функ-ціональних  складових солестійкості в галофітів різних груп і їхньої чутливості  до засолення в онтогенезі. Поставлена мета передбачає розв’язання наступних завдань:

1. Вивчити багаторівневість форм реалізації адаптаційних можливостей рослин до засолення                                                 ґрунту.
2. Встановити анатомічні складові солестійкості окремих представників галофітів, типових для грунтово-кліматичних умов Приазов'я України.
3. З’ясувати особливості активності ферментної системи (на прикладі каталази) при уточненні типу асиміляції СО2 та стану життєдіяльності галофітів.
4. Визначити роль білково-ліпідних компонентів у формуванні солетолерантності галофітів.
5. Дослідити адаптивні реакції водного режиму галофітів та динаміку клітинного соку як фіто-індикатора рівня солестійкості рослин.
6. Вивчити специфічність ростових та продукційних процесів різних груп галофітів за умов засолення та конкурентних взаємовідносин у ценозах.

Об’єкт дослідження – солестійкість як комплекс структурних і функціональних перебудов   рослин при засоленні ґрунту.

Предмет дослідження – структурні і функціональні складові загальної адаптивної відповіді на засолення ґрунту в галофітів різних груп.

Методи дослідження. У роботі використано комплексний підхід до вивчення адаптивного потенціалу галофітів за умов засолення: вегетаційні досліди – при штучному засоленні ґрунту, польові дослідження за умов природного засолення ґрунтів; газометричний метод при вивченні каталазної активності, поляриметричний – при вивченні газообміну, полум’янометричний – при встановленні концентрації мінеральних елементів, кількісно-порівняльний – при оцінці фізіоло-гічних та гістологічних показників стану галофітів різних груп при засоленні.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше на системному рівні проаналізовано шляхи реалізації адаптивного потенціалу різних груп галофітів при засоленні для з'ясування співвідношення у ланцюгу: засолення → динамічна функціональна адаптація → структурні перебудови → новий рівень гомеостазу. На основі фізіологічних параметрів визначена онтогенетична специфіка рівня солестійкості рослин, яка в найбільшій мірі виявляється при засоленні на початку, в значній – в середині, в найменшій – в кінці вегетації.

Для об’єктивної оцінки динаміки життєдіяльності галофітів в умовах засолення рекомендовано оригінальний комплекс діагностичних критеріїв: гістологічний аналіз вегетативних органів визначає співвідношення кількісно-анатомічних ознак тканин, що зумовлюють специфічність адаптації галофітів до засолення; інтенсивність транспірації демонструє внесок  водообміну  галофітів  у  формування рівня їх солетолерантності; концентрація органічної і неорганічної складових клітинного соку служить для діагностики адаптації галофітів (на початку вегетації важливе значення має органічна складова, в середині – обидві, в кінці – мінеральна); активність  каталази характеризує тип фотосинтезу і стан життєдіяльності галофітів; ростові процеси інтегрують окремі адаптивні реакції у загальній відповіді на рівні цілісної рослини.

Практичне значення одержаних результатів. Вперше запропоновано гексагональну схему розміщення рослин у фітоценозі та представлено графічну модель для відображення рівня конкуренції  галофітів. Визначено нові  складові механізму  формування солетолерантності; встановлено наявність онтогенетичної чутливості галофітів до засолення; відібрано оригінальні адаптивні анатомічні (будова кореня, стебла, листка та епідерми) і фізіологічні (концентрація та склад клітинного соку, вміст білка та сульфоліпіду,  активність  каталази,  газообмін) характеристики для діагностичного моніторингу солестійкості галофітів. Запропоновано методику оцінки солестійкості галофітів впродовж вегетації за найбільш чутливим до дії екзогенних  факторів параметром – динамікою ростових процесів. Розроблено оригінальну методику комплексного вивчення життєдіяльності галофітів. Теоретичні та практичні розробки проблеми солестійкості використовуються в навчальному процесі при викладанні нормативного курсу “Фізіологія рослин”, зокрема розділу “Адаптація та механізми стійкості у рослин”, спецкурсів “Біотехнологія, сучасний стан, перспективи”, “Адаптаційно-екологічний синдром у рослин”, “Екологічна анатомія” та в науковій роботі зі спеціальності 03.00.12 – фізіологія рослин.

Особистий внесок здобувача. Дисертантка особисто здійснила інформаційний пошук, проаналізувала і узагальнила літературні дані, оволоділа сучасними методами досліджень, провела вегетаційні та польові досліди, підготувала до друку наукові праці. Експериментальні результати отримано самостійно і в співавторстві. Розробка оригінальних методик вивчення життєдіяльності галофітів здійснювалась спільно з к.б.н. Казаковим Є.О. та к.б.н. Христовою Т.Є. Методичні підходи визначення білково-ліпідного комплексу галофітів розроблені разом з к.б.н. Оканенко О.А. (Київський національний університет імені Тараса Шевченка). Особистий внесок дисертантки у виконанні роботи становить 85 відсотків.

Апробація отриманих результатів. Матеріали дисертаційної роботи доповідались на таких наукових форумах: міжнародній науковій конференції, присвяченій 100-річчю заповідання Асканійського степу “Актуальні питання збереження  і відновлення степових екосистем” (21-23 травня, Асканія – Нова, 1998 р.); міжнародній конференції “Питання біоіндикації і екології” (21-24 вересня, Запоріжжя, 1998 р.); ювілейній конференції, присвяченій 85-річчю біологічної станції Хар-ківського державного університету “Биологические исследования на природоохранных территориях и биологических стационарах” (16-19 сентября, Харьковская область, Змиевский район, с. Гайдары, 1999 р.); конференції молодих вчених-ботаніків України “Актуальні проблеми ботаніки і екології” (13-16 вересня, Чернігів, 2000 р.); міжнародній конференції “Проблеми сучасної екології” (20-22 вересня, Запоріжжя, 2000 р.); VII міжнародній конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (18-20 жовтня, Київ, 2000 р.); міжна-родній науково-практичній конференції “Геоэкологические и биоэкологические проблемы северного Причерноморья” (28-30 марта, Тирасполь, 2001 г.); Х міжнародному симпозіумі “Нетради-ционное растениеводство. Эниология. Экология и здоровье” (2-9 сентября, Алушта, 2001 г.); ХІ з’їздї УБТ (25-27 вересня, Харків, 2001 р.); Всеукраїнській науковій конференції “Безперервна екологічна освіта: проблеми, пошуки, перспективи” (25-26 вересня, Миколаїв, 2001 р.); міжнародній  науковій конференції “Онтогенез рослин, біологічна фіксація молекулярного азоту та азотний метаболізм” (1-4 жовтня, Тернопіль, 2001 р.); ІІ Всеукраїнській конференції студентів та аспірантів КНУ ім. Т.Шевченка “Біологічні дослідження молодих вчених на Україні” (25-26 квітня, Київ, 2002 р.); науковій конференції “Еколого-біологічні дослідження на природних та антропогенно-змінених територіях (13-16 травня, Кривий Ріг, 2002 р.); міжнародній конференції “Проблеми сучасної екології” (24-26 червня, Запоріжжя, 2002 р.); VIII з’їзді УБТ (1-3 жовтня, Київ, 2002 р.); VII конференції молодих вчених “Сучасні напрямки в фізіології і генетиці рослин” (23 - 25 жовтня,  Київ, 2002 р.), міжнародній науково-практичній конференції “Динаміка наукових досліджень” (28 жовтня – 4  листопада, Дніпропетровськ – Дніпродзержинськ – Черкаси, 2002 р.).

Публікації.  Результати дисертаційної роботи опубліковано в 7 фахових виданнях, з них 5 статей в періодичних наукових спеціальних виданнях України, що входять до переліку, затвердженого ВАК України та у матеріалах 17 науково-практичних конференцій (міжнародних і Всеукраїнських).

Структура і об’єм роботи. Дисертація складається з основної частини (7 розділів), узагальнення, висновків, списку літератури (289 джерел) та додатків. Робота викладена на 206 сторінках машинописного тексту, містить 12 таблиць, 1 схему та 41 рисунок.

Основний зміст роботи

багаторівневість форм реалізації адаптаційних

можливостей рослин до засолення ґрунту

(огляд літератури)

Огляд літератури складається з двох підрозділів, в яких розглядаються проблеми солестійкості у зв'язку з видами засолення та складові (анатомічні, фізіологічні) адаптивного потенціалу  рослин до цього явища на різних рівнях їхньої організації.

Об’єкти та методи досліджень

Об’єктами досліджень були представники дикорослої галофітної трав’янистої рослинності, які належать до різних екологічних груп і домінують на узбережжі північно-західного Приазов'я: Plantago lanceolata L. (P. lanceolata L. – подорожник) – типовий мезофіт, адаптований до умов засолення; Artemisia santonica L. (A. santonica L. – полин) належить до групи глікогалофітів; Halimione pedunculata L. (H. pedunculata L. – галіміоне) є представником групи криногалофітів; Salicornia europаea L. (S. europаea L.– солонець) є найяскравішим індикатором засолених ґрунтів і входить до складу групи евгалофітів.

Досліди проводили протягом 2000-2002 років в умовах природного (польовий) та штучного (вегетаційний метод) засолення ґрунту. Для цього навесні на узбережжі Молочного лиману          (с. Мордвинівка, Степанівка, Алтагир) закладалися трансекти по 10 м2 (1 м х 10 м) в 3 – кратній повторності, на яких проективне покриття домінуючого виду становило не менше 65%. Одночасно рослини цих видів вирощували у вегетаційних посудинах Вагнера, які вміщують 10 кг повітряно сухого ґрунту на поживній суміші (Жуков и др., 1978) на автоматизованому стелажі (Казаков и др., 1988, 1999) у Навчально-науковому комплексі з фізіології рослин Мелітопольського державного педагогічного університету (Казаков и др., 1993) згідно з загальноприйнятими методичними вимогами. Штучний рівень засолення в вегетаційних посудинах створювали додаванням відповідної кількості солі  (NaCl) з реєстрацією концентрації ґрунтового розчину, відповідно до схеми:  контроль (К) – рослини з трансект (природні умови); варіант 1 – вегетаційний контроль, вирощування рослин впродовж вегетації на повній поживній суміші; варіант 2 – штучне засолення (2,5%  NaCl) в першій половині вегетації (початок червня); варіант 3 – засолення в середині вегетації (кінець липня); варіант 4 – засолення в кінці вегетації (середина вересня). Параметри водного режиму галофітів в лабораторних та польових умовах визначали за загальноприйнятими методиками та у наших модифікаціях (Казаков та ін., 2002; Пюрко и др., 2002), оцінку рівня солестійкості – за змінами ростових процесів (Пюрко, Мусієнко, 2001), вивчення мінеральних елементів – полум’янометрично (ПФМУ-4.2. 1985; Criddlе and oth., 1991), хлоридів – титрометрично (КФК-3, 1992), пігментів – фотометрично (Казаков, 2000), газообміну – полярографічно (Зеленский, 1986; електрод Кларка), тип фіксації СО2 – за  активністю каталази (Пюрко та ін., 2001), сульфоліпідів – за Кіном (Кеаn, 1968), білка – за біуретовою реакцєю. Анатомічні дослідження проводили на свіжому та фіксованому (гліцерин-спирт – 1:1) матеріалі з подальшим вимірюванням об’єктів під мікроскопом (Паушєва, 1974), описом епідерми за Захаревич (1954), провідної системи – за Ніко-лаєвським (1964) та виготовлення рисунків за допомогою апарату РА-4, фотографій – на мік-роскопі МБР – 6. Статистична обробка результатів стандартна (Доспехов,1985; Сидоренко, 1996) на 5% рівні значущості, похибка вимірювання не перевищувала 5%.

Структурні особливості вегетативних органів галофітів –

результат адаптаційних перебудов під дією засолення

В ряді робіт (Глаголева и др., 1987; Гамалей, 1999; Жалдак, 2000) показано, що функціональні особливості рослини є основними складовими горизонтальної еволюції, які в певних межах дозволяють їй реалізувати свої адаптаційні можливості. Структурна характеристика організму – це показник вертикальної еволюції, яка  закріплюється генетично і є більш консервативною в плані  адаптації. Тому структурно-функціональна характеристика певних груп рослин надає можливість простежити за динамікою пристосувань цієї екологічної групи до конкретних умов середовища. Нами вперше проведено гістологічний аналіз вегетативних органів галофітів різних екологічних груп північно-західного Приазов'я та показано як адаптація відбувається на тканьовому рівні. Наявність одно- та багатоклітинних розгалужених трихом у глікогалофітів (A. santonica L.), двошарової потовщеної епідерми у криногалофітів (H. pedunculata L.) та особливості епідерми видозміненого пагону – кладодію у евгалофітів (S. europaea L.) свідчать про анатомічні перебудови в процесі пристосування цих рослин до засолення. Сольовий стрес спричиняє не тільки зміну розмірів основних клітин епідерми та продихового апарату, а і порушує порядок їх розташування з обох поверхонь листка, змінює співвідношення розмірів замикаючих клітин (одна – велика, а друга – помітно менша), призводить до деформації продихів – появи “кривих” продихових комплексів (рис. 1). Тому епідерма як поліфункціональна інформативна тканина, структурні зміни якої відображають хід адаптаційних процесів у листках, може виступати індикатором впливу надлишку солей на рослину в цілому.     

Вивчення внутрішньої будови фотосинтезуючих органів показало, що галофіти мають кранц-анатомію: A. santonica L. – сальсазоїдного типу; H. pedunculata L. – атриплекоїдного, S. europaea L. – стебло-сукулентного, P. lanceolata L. – мезоморфного.

Засолення у різні періоди вегетації призводить до зміни співвідношення тканин: у мезофіту формуються листки мезоксероморфної будови, у гліко- та криногалофіту – ксеро-сукулентної, у евгалофіту – сукулентної зі склерифікованою дрібноклітинною паренхімою.

Показано, що співвідношення тканин фотосинтезуючих органів може виступати маркером стану засолення ґрунту. Кількісно-анатомічний аналіз тканин стебла та кореня свідчить, що ці органи формують трав'янистий тип будови. Засолення призводить  до  зміни  співвідношення  площ

тканин, особливо провідних (Sфлоеми/Sксилеми), в залежності від екологічної групи. Реакція-відповідь транспортної системи на сольовий стрес проявляється у збільшенні площі водопровідної системи на 10 – 22% за рахунок недиференційованих трахей першого порядку.

Засолення ґрунту як екзогенний фактор ініціації адаптивних

перебудов у галофітів

Нами встановлено, що динаміка вмісту солей в ґрунті (трансекти) описується кривою дзвоноподібної форми з мінімальними значеннями (1,0 ± 0,05%) навесні, максимальними (4,3 ± 0,5%) – в середині літа та проміжними (2,6±0,2%) – в кінці вегетації. Експериментальними   даними під-тверджено, що критичний рівень засолення для мезофіту дорівнює 1,5±0,3%; глікогалофіту – 2,5±0,4%; криногалофіту – 3,5±0,4% та евгалофіту – 4,4±0,5%  і навіть вище.

Для поглинання води з зовнішнього середовища рослина повинна мати в клітинах вищий осмотичний потенціал відносно ґрунтового розчину. Визначення цього параметру показало, що вміст солей в клітинах значно змінюється протягом вегетації, але в переважній більшості він на 0,3 – 0,5% вищий за концентрацію солей в ґрунтовому розчині, особливо у ев- та криногалофітів.

Специфічність водного режиму галофітів як складова Загальної адаптивнОЇ ВІдповіді  на засолення

Функціонування рослин неможливе без води, кількість якої виконує функцію зовнішнього стрес-фактору і в той же час формує внутрішнє середовище та приймає безпосередньо участь у фізіолого-біохімічних процесах та реакціях або виступає як кінцевий продукт метаболізму (Stendle, 1994). Для стабілізації фізіолого-біохімічних процесів рослин у будь-яких умовах необхідно підтримувати водний гомеостаз, який визначається дисбалансом між надходженням (поглинанням) та випаровуванням (транспірацією). При засоленні одним із основних компонентів адаптаційного процесу є осмотична складова, тому рослина повинна забезпечити надходження води, бажано при мінімальних енергетичних витратах, міцне утримання і економне та продуктивне її використання. Підвищення вмісту солей в ґрунті знижує інтенсивність транспірації у галофітів на 20-25% (варіант 2), на 50-60% (варіант 3), на 80-85% (варіант 4), а в ряді випадків припиняє її зовсім (рис. 2). Найбільш швидко до сольового стресу адаптуються молоді рослини (варіант 2), але й у них вона має вигляд  або  двовершинної  кривої (S.  europaea L.), характерної для мезофітів при дефіциті вологи, або одновершинної (H. pedunculata L. та A. santonica L.) з максимумом о 10-12 годині і повільним зниженням протягом світлового дня. При дії сольового стресу в середині вегетації цей показник має ранковий максимум, який на 20-30% нижчий за максимальні значення в контрольних рослин; нульові значення опівдні (протягом 1-3 годин) та незначний вечірній максимум, що вказує на наявність водного дефіциту в рослині у цей період. Засолення в кінці вегетації (варіант 4) незалежно від виду рослини прискорює їхнє старіння (Міхєєв та ін., 2001, Ghassemi and oth., 1998), тому для них характерним є низький рівень транспіраційного процесу, який функціонує тільки в ранкові години. 

Зниження інтенсивності транспірації обумовлює зменшення водовитрат, але диференційовано, стосовно періодів дії сольових стресів та видової належності. В найбільшій мірі засолення впливає, незалежно від періоду вегетації, на P. lanceolata L., практично припиняючи процес транспірації у цих рослин через 4-5 годин після початку дії сольового стресу. У дослідних рослин-галофітів також відбувається значне зменшення водовитрат, навіть до повного припинення в першу добу, але в подальшому вони адаптуються до засолення і водовитрати поновлюються, досягаючи 50% у S. europaea L., 45% – у H. pedunculata L. і 27% – у A. santonica L. відносно відповідних контролів. Адаптаційний період у галофітів триває 10-20 діб і характеризується низькими водовитратами. Вирішальна роль в екологічному розподілу рослин належить не абсолютним значенням водовитрат, а продуктивності використання води. За транспіраційним коефіцієнтами рослини розташовуються в ряд: P. lanceolata L. → S. europaea L. → H. pedunculata L. → A. santonica L. Засолення в початковий період вегетації (варіант 2) призводить до зниження транспіраційного коефіцієнту у ев- на 10%, крино- на 16,4%, глікогалофіту – на 16,2% та підвищенню до 112,8% у мезофіту; в середині вегетації (варіант 3) у мезофіту та евгалофіту зниження дорівнює відповідно 7,1% та 2,7% і на 8,2% та 13,1% підвищує у крино- та  глікогалофіту;  в  кінці  вегетації (варіант 4) засолення обу-мовлює зменшення продуктивності водовитрат у всіх рослин (1,5–3,9%) при відсутності достовірної різниці між видами. Специфічність водовитрат визначається тим, що P. lanceolata L.– типовий мезофіт, S. europaea L. – сукулент, евгалофіт, а H. pedunculata L. та A. santonica L. – типові крино- та глікогалофіти, які розрізняються адаптаційними механізмами, тому відносяться до різних груп.

Важливим діагностичним параметром водного режиму на різних етапах індивідуального розвитку рослин є концентрація клітинного соку (Bray, 1993; Захарин, 1994). За допомогою розробленої нами методики встановлено, що мінеральна складова (у відсотковому відображенні) клітинного соку в усіх без винятку рослин значно менша за органічну (табл. 1) (максимально в 5-6 разів у

Таблиця 1.

Параметри клітинного соку галофітів при засоленні  ґрунту.

Примітки:  чисельник – контроль, знаменник – дослід; початок – 2, 21; середина – 3,31; кінець вегетації – 4,41 (ККС у

                     галофітів в природних умовах, яку визначали одночасно з ККС в вегетаційних дослідах).

A. santonica L.), але вона формує більш високий осмотичний потенціал (максимально в 5 разів у S. europaea L.) відносно органічної складової. При однаковому засоленні ґрунту (2,5%) водний по-тенціал у S. europaea L. досягає 4,83 МПа (4,03 – за рахунок  мінеральної  та 0,8 – органічної складової)  при  загальній  концентрації  клітинного  соку 17%, а у A. santonica L. – 4,01 МПа (2,24 за рахунок мінеральної та 1,77 – органічної складової) при концентрації – 25,9%. Це означає, що сисна сила клітини S. europaea L. перевищує цей параметр у клітин A. santonica L. на 20% при значно меншій (на 52%) концентрації клітинного соку. Отримані результати, безперечно, свідчать про важливу роль в адаптаційних процесах складових клітинного соку, а не тільки про кількісну ха-рактеристику його загальної концентрації.

Фотосинтез – важлива складова адаптаційного процесу у галофітів

Важлива роль в формуванні солетолерантності у рослин належить фотосинтезу, який   виступає не тільки джерелом пластичних речовин, а й потужною системою активної регуляції використання асимілятів завдяки інтенсивності та спрямованості засвоєння СО2, забезпеченню найперспективнішого використання природних ресурсів та займанню видом певної ніші в фітоценозі на основі конкуренції. У цьому  процесі  першорядну  роль  відіграють  пігменти (рис. 3),  вміст   та  якісний

склад яких в переважній більшості визначає інтенсивність фотосинтезу і виступає надійною діагностичною ознакою солестійкості рослин. Сольовий стрес у будь-який період індивідуального розвитку, незалежно від виду рослин, обумовлює зниження на 20 – 40% вмісту зелених пігментів при домінуючому зменшенні вмісту хлорофілу “а” в порівнянні з “в” при одночасному збільшенні вмісту жовтих пігментів, можливо, за рахунок активації хлорофілази та переорієнтації напрямку використання субстрату (СН3 - СО - S - КоА) в пігментбіосинтетичних процесах (Белецкий и др., 1990 г.). Прямим доказом впливу засолення ґрунту на фотосинтетичний процес є результати визначення інтенсивності фотосинтезу у контрольних (без засолення) та дослідних (при засоленні) рослин (табл. 2). Підвищення концентрації ґрунтового розчину в будь-який період вегетації знижує цей показник майже до нульової позначки на початку дії сольового стресу, але в подальшому рослини поступово адаптуються протягом 15-20 діб.

Таблиця 2.

    Вплив засолення в різні періоди вегетації на інтенсивність фотосинтезу у галофітів різних груп.

Примітка: чисельник – вегетаційний контроль, знаменник – дослід (визначення зроблені після відновлення); В2 – початок, В3 – середина, В4 – кінець вегетації.

У зв'язку з різними механізмами формування солетолерантності рослин певний інтерес представляло вивчення вмісту білка як  осмотично-активної складової адаптаційних перебудов у рослин при засоленні. Встановлено, що при засоленні найбільша кількість білка на одиницю сирої маси відмічається в A. santonica L., що вказує на специфічність формування адаптаційного механізму у глікогалофітів. Значне зростання вмісту білка спостерігається у евгалофітів та криногалофітів і зменшення – у мезофітів (рис.4). Отримані результати дозволяють констатувати, що білковий обмін є одним із складових формування солетолерантності рослин, роль якого визначається специфічністю виду, їх онтогенетичним розвитком, ступенем засолення. При значному засоленні, особливо навесні, коли рослина молода, відбувається інтенсивний синтез білка, який уповільнюється в середині вегетації і майже припиняється восени. Аналогійний характер має онтогенетична динаміка солетолерантності рослин, що свідчить про важливу роль білків у формуванні цієї ознаки.       

У формуванні солестійкості важливу роль відіграють мембрани, які регулюють процеси поглинання – виділення, синтезу – гідролізу, відновлення – окислення та інші, виступають чутливими індикаторами адаптаційних процесів (Воловик та ін., 2001; Пагис и др., 2001). Серед основних ліпідів хлоропластів в адаптаційних процесах особливе місце займає сульфохіновозилдіацил-гліцерол (СХДГ), функціональні та структурні особливості молекул якого забезпечують його участь в адаптаційних реакціях в якості протекторів для CФ1, F1, АТФази та стабілізуючих агентів для D1/D2 димерів і СЗК II та захист від деградації реакційних центрів ФС ІІ (Vijayan and oth., 1998; de Kruijff and oth., 1998). У роботі встановлено, що у рослин, які акумулюють значні кількості солей (S. europaea L. та H. pedunculata L.) при  сольовому  стресі  на 174  та 130%  відповідно збільшується вміст СХДГ. У A. santonica L. з іншим механізмом формування солетолерантності та P. lanceolata L. – вміст СХДГ значно менший, що вказує на участь СХДГ у формуванні солестій-кості ев- та криногалофітів незалежно від періоду засолення.

Адаптація фотосинтезу у рослин відбувається за рахунок змін інтенсивностей  фотосинтезу,  різноманіття шляхів фіксації СО2, динамічної варіабельності вмісту та складу пігментів, поверхневої щільності фотосинтезуючих органів та їхніх анатомічних змін, особливостей білково-ліпідних компонентів мембран.

Особливості ростових процесів та продуктивність галофітів як основні інтегральні параметри життєдіяльності галофітів

Ростові процеси та продуктивність рослин при визначенні солетолерантності виявилися найбільш чутливими параметрами, які в цілому характеризували їхню життєдіяльність в конкретних умовах середовища. В роботі доведено, що надлишок солей у ґрунті в будь-який період вегетації затримує ростові процеси у всіх без виключення рослин, але диференційовано: в залежності від виду та періоду їхнього онтогенезу. Експериментальні результати показали, що в першій половині вегетації  P.  lanceolata  L.  передує  відносно всіх галофітів за розмірами (в  природних умовах у H. pedunculata L. – в 2,18; у A. santonica L. – 1,24; у S. europaea L. – 5,25 рази, а в вегетаційних дослідах відповідно – 2,82; 2,47 та 7,92 рази). Засолення в середині вегетації прискорює за-         гибель P. lanceolata L. та уповільнює адаптаційні процеси у галофітів (до 25-30 діб). Лінійні розміри вегетативних органів (прирости за певний проміжок часу) можуть бути використані для розрахунків солестійкості рослин у порівняльних дослідах.

Враховуючи, що ріст у фізіологічному сенсі є інтегральним і найбільш чутливим до дії несприятливих факторів параметром, нами запропонована методика визначення солестійкості рослин по логарифмічному виміру фази росту (висхідна частина кривої росту Сакса) згідно математичного виразу: СС = [(вд-ад)/ад] / [(вк-ак)/ак], де: СС – солестійкість рослин відносно контролю; ад, ак – вихідні значення параметру в досліді (д) та контролі (к), см; вд, вк – кінцеві значення в досліді (д) та контролі (к), см. Якщо СС=1 – солетолерантність, більше 1 – стимуляція, менше 1 – інгібування  ростових процесів. Цифрові значення солестійкості (P. lanceolata L.: СС = 0,05;  A. santonica L.: СС = 0,50; H. pedunculata L.: СС = 0,63; S. europaea L.: СС = 0,87) дозволяють розташовувати рослини в наступному порядку збільшення солетолерантності: P. lanceolata L. → A. santonica L. → H. pedunculata L. → S. europaea L.

В найбільшій мірі негативний вплив сольового стресу проявляється в середині вегетації, коли дія інших зовнішніх факторів досягає максимальних значень, а у рослин відмічаються найбільші розміри асимілюючої поверхні і здійснюються життєво важливі процеси запилення, запліднення, формування насіння. Найбільш чутливим до засолення виявився мезофіт, але і галофіти відносно цього фактора певним чином диференційовані (рис. 5).

Дослідження конкурентних взаємовідносин дозволяють констатувати, що протягом вегетації вони значно змінюються як в системі середовище – рослина, де передують зміни факторів середовища, так і між рослинами в ценозі, де комфортніше почувають себе більш лабільні, здатні до швидкої адаптації, особини. Галофіти – в основному однорічники, терофіти, у яких відсутнє вегетативне поновлення, тому для них важлива онтогенетична адаптація особини протягом вегетації. При цьому майбутнє виду визначається не ступенем адаптації окремо взятої рослини, її насіннєвою продуктивністю, а продуктивністю якісного насіння всієї популяції. Тому, з одного боку, вони відносяться до експлерентів або R-стратегів, а з іншого – до S-екотопічних патієнтів (Репецкая, 1999). Для галофітів-однорічників, до яких відноситься і S. europaea L., в екстремальних умовах вегетації характерне органічне поєднання властивостей обох еколого-ценотичних стратегій, що знайшло переконливе підтвердження у формуванні майже однакової кількості якісного насіння на одиницю площі, але різними шляхами (рис.6).

На основі аналізу літературних джерел та результатів власних досліджень пропонується узагальнююча схема впливу рівня засолення на життєдіяльність різних груп рослин, на якій чітко показані нормальні, адаптивні, екстремальні і летальні рівні засолення, наведено складові водоутримуючої фази, типи водоекономного газообміну, напрямки еволюції популяцій та їхня продуктивність (схема 1). Схема дозволяє по рівню засолення з певною точністю характеризувати рослинний склад ценозу та його біофітопродуктивність і навпаки, чим визначається як теоретичне, так і природне значення цих ценозів та прогнозування їхнього майбутнього.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що проявляється в системному аналізі структурно-функціональних складових солестійкості у галофітів різних груп в умовах Приазов'я України і їхньої чутливості до підвищення концентрації в ґрунті впродовж вегетації.

1. Доведено, що багаторівневість структурно-функціональних перебудов галофітів зумовлена видовою належністю, фазою онтогенезу рослин та рівнем засолення ґрунту. Виявлено, що вегетація галофітів можлива лише при перевищенні на 0,3-0,5% концентрації клітинного соку порівняно з ґрунтовим розчином. Визначена видова специфічність критичного рівня засолення: для мезофіту – 1,5 ± 0,3%; глікогалофіту – 2,5 ± 0,4%; криногалофіту – 3,5 ± 0,4% та евгалофіту – 4,4 ± 0,5% солі в ґрунті.

       2. Досліджена специфіка анатомічних змін  вегетативних  органів галофітів при засоленні: листки у P. lanceolata L. формуються ксероморфними за рахунок дрібноклітинності полісадної паренхіми, склерифікації судинно-волокнистих пучків; у H. pedunculata L. та A. santo-nica L. – ксеросукулентними при зменшенні долі хлоренхіми та значному (до 60%) збільшенні водоносної паренхіми; у  S. europaea L. – пагони сукулентної будови з склерифікованою дрібноклітинною паренхімою; епідерма, яка вкриває надземні органи галофітів, характеризується  подрібненістю основних клітин (на 10-15%), аномальними продихами та порушеннями їхнього розташування; в стеблах та коренях зменшується співвідношення Sфлоеми/Sксилеми (на 7-10%).

3.  Показані значні функціональні зміни при засоленні в надземних вегетативних органах, які визначають солетолерантність рослин: зменшення інтенсивності транспірації та загальних водовитрат і підвищення використання води; пониження, а в ряді випадків повне припинення, поглинання СО2 з подальшим відновленням інтенсивності фотосинтезу згідно ступеня адаптації рослин; зменшення на 20-40% вмісту зелених (в основному за рахунок хлорофілу “а”) при одночасному збільшенні вмісту жовтих пігментів. Доведено, що в оптимальних умовах вирощування рослин високі значення активності каталази вказують на С3-тип фотосинтезу (P. lanceolata L.), а низькі – на С4 (H. pedunculata L.). Активність ферменту каталази може виступати як індикатор типу фотосинтезу та фізіологічного стану рослин в різні пе-ріоди вегетації при фітомоніторингу засолених ґрунтів. Підвищення вмісту солей в ґрунті знижує інтенсивність транспірації у галофітів на 30-90%, а в ряді випадків припиняє її        зовсім.

4. Доведено, що підвищення вмісту солей в ґрунті обумовлює особливість білково-ліпідного метаболізму: в оптимальних умовах у мезофіту та глікогалофіту вміст білка на 30-35%     завжди вищий за інші галофіти, дослідні рослини яких переважають по цьому параметру на 15-20% (H. pedunculata L.) та в 1,7 рази  (S. еuropaea L.) відповідні контролі; вміст сульфоліпіду (СХДГ) в умовах досліду залишається без змін у P. lanceolata L., зростає на 5-7% у      A. santonica L., на 29-32% у H. pedunculata L. і на 75% у S. еuropaea L., що можна розглядати як один із механізмів формування солетолерантності галофітів і використовувати як тест для її визначення.
5. Концентрація клітинного соку виступає надійною тест-ознакою при визначенні солетоле-рантності у вигляді молярних концентрацій мінеральної та органічної складових, співвідношення яких значно змінюється у різних видів рослин як протягом вегетації, так і за умов дії стресових факторів.
6. Сольовий стрес в різні періоди індивідуального розвитку спричиняє диференційоване інгібування (від 25% до повного припинення) ростових та продукційних процесів в залежності від виду рослин. Конкурентні взаємовідносини зумовлюють величину біологічної та якість насіннєвої продуктивності за рахунок кооперативного поєднання та змін співвідношення експлерентної та патієнтної еколого-ценотичних стратегій в фітоценозах.

Список публікацій за темою дисертації

1. Пюрко О.Є., Мусієнко М.М., Казакова С.М., Христова Т.Є. Вплив засолення на структуру епі-дерми галофітів Приазов'я // Укр. бот. журнал. – 2002. – Т. 59, № 4. – С. 449 – 455. [Здобувачем зроблено аналіз літературних джерел, збір рослинного матеріалу, проведення експериментальної частини по з’ясуванню особливостей структури епідерми галофітів, обговорення та написання статті; Мусієнко М.М. – загальне керівництво проведенням експериментальних дослідів; Казакова С.М. – керівництво виконання анатомічних досліджень; Христова Т.Є. – консультації по впливу стресу на епідерму рослини].
2. Пюрко О.Є, Мусієнко М.М., Казаков Є.О. Клітинний сік як діагностичний параметр адаптаційного синдрому галофітів //Науковий вісник Ужгородського університету. – Ужгород: Б.в., 2002. – С. 62 – 65. [Здобувачем закладені вегетаційні та польові досліди, зроблено збір експериментального матеріалу, розроблена оригінальна методика по вивченню концентрації клітинного соку, інтерпретація отриманих результатів, написання статті; Мусієнко М.М. – загальне керівництво проведенням експериментальних дослідів; Казаков Є. О. – консультації по методиці визначення клітинного соку як діагностичного параметру].
1. Казаков Є.О., Пюрко О.Є, Христова Т.Є. Методичні аспекти фізіологічного моніторингу рослин Приазов´я //Питання біоіндикації і екології. – Запоріжжя: Б.в., 2002.-Вип. 7., № 2-3. -С. 141–152. [Казаков Є.О. – розробка комплексної методики визначення основних складових адаптаційного синдрому у рослин до несприятливих факторів середовища; здобувачем закладені вегетаційні та польові досліди, розроблена та апробована оригінальна методика по вивченню особливостей життєдіяльності галофітів, узагальнено отримані результати, написана стаття; Христова Т.Є. – консультації по питанням дії водного стресу на рослини].
2. Пюрко О.Є, Мусієнко М.М.,  Казаков Є.О., Христова Т.Є.  Основи солестійкості рослин та методи її вивчення //Вісник Запорізького державного університету. Біологічні науки. – ЗДУ, Запоріжжя, 2001. –  № 1. – С. 204 – 208. [Здобувачем проаналізована література з проблеми солестійкості та підібрані відповідні матеріали, обговорення та написання узагальнюючої статті; Мусієнко М.М. – загальне керівництво проведенням експериментальних дослідів; Казаков Є.О. – консультації по методам вивчення солестійкості рослин; Христова Т.Є. – консультації від-носно дії водного стресу на анатомічні особливості рослин].
1. Пюрко О.Є, Христова Т.Є., Казаков Є.О. Каталазна активність як індикатор функціонального стану галофітів Приазов'я //Питання біоіндикації та екології. – Запоріжжя: Б. в., 2001. – Вип. 6, № 2. – С. 73 – 83. [Здобувачем закладені вегетаційні та польові досліди, виконані лабораторні досліди, зроблена інтерпретація отриманих результатів, написана стаття; Христова Т.Є. – консультації по визначенню типу фотосинтеза у рослин за  активністю каталази; Казаков Є.О. – розробка та виготовлення приладу для газометричного визначення активності каталази].
2. Казаков Є.О., Христова Т.Є., Казакова С.М., Пюрко О.Є. Адаптаційно-пристосувальні особливості водопровідної системи ксерофітів //Матеріали міжнар. наук. конф., присвяченій 100-річчю заповідання асканійського степу “Актуальні питання збереження і відновлення степових екосистем” (21-23 травня, Асканія – Нова, 1998 р.). – Асканія – Нова: Б.в., 1998. – С. 177 – 179.
3. Казаков Е.А., Христовая Т.Е., Казакова С.М., Пюрко О.Е. Определение типа фотосинтеза у растений по каталазной активности //Тези міжнародної конференції “Питання біоіндикації і екології” (21-24 вересня, Запоріжжя, 1998 р.). – Запоріжжя: Б.в., 1998. – С. 95.
4. Пюрко О.Є., Мусієнко М.М., Христова Т.Є., Казаков Є.О. Екологічна диференціація рослин в залежності від реалізації їх адаптаційних потенціалів //Науковий вісник Уманського педагогічного університету ім. П. Тичини. – Київ: Науковий світ, 2000. – Серія “Біологія”. – Випуск 3. – С. 87 – 92.
5. Пюрко О.Є., Коломійчук В.П. Еколого-анатомічна характеристика деяких галофітів північно-західного Приазов'я //Матеріали конференції молодих вчених-ботаніків України “Актуальні проблеми ботаніки та екології” (13-16 вересня, Чернігів, 2000 р.). – Київ: Б.в., 2000. – С. 76.
6. Пюрко О.Е., Казакова С.М. Структурно-количественная характеристика вегетативных органов галофитов Приазовья //Тезисы докладов юбилейной конф. посвященной 85-летию биол. станции Харьковского госуниверситета “Биологические исследования на природных территориях и биологических стационарах” (16-19 сентября, Харьковская обл., Змиевский р-н, с. Гайдары, 1999 г.). – Харьков: Б.в., 1999. – С. 107 – 108.
7. Пюрко О.Є, Мусієнко М.М., Христова Т.Є. Проблема галофітизму та методи її вивчення //Тези міжнародної конференції “Проблеми сучасної екології” (20-22 вересня, Запоріжжя, 2000р.). – Запоріжжя: Б. в., 2000. – С. 117.
8. Разнополов О.Н., Пюрко О.Е. Эколого-физиологические особенности галофитной раститель-ности Приазовья //Там само. – С. 118.
9. Puуrko O.E.  The structural and functional peculiarities of assimilation organs of halophytes //Тези доповідей VII конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (18-20 жовтня, Київ, 2000 р.). – Київ: Б.в., 2000 р. – С. 11.
10. Puyrko O.E., Kazakov E.O.  The peculiarities of structure and functions of different ecological halophytic groups of northern-western Priazov’ya //Mатериалы международной научно-практической конф. “Геоэкологические и биоэклогические проблемы северного Причерноморья” (28-30 марта, Тирасполь, 2001 г.). – Тирасполь: Б. в., 2001. – С. 237 – 238.
11. Пюрко О.Є., Казаков Є.О., Мусієнко М.М., Казакова С.М. Складові адаптаційно-пристосу-вального синдрому у галофітів //Мат. Х междунар. симпозиума “Нетрадиционное растение-водство. Эниология. Экология и здоровье” (2-9 сентября, Алушта, 2001 г.). – Симферополь: Б.в., – 2001. – С. 610 – 612.
12. Пюрко О.Є., Казакова С.М. Деякі аспекти солестійкості рослин Приазов'я //Матеріали ХІ з’їзду УБТ (25-27 вересня, Харків, 2001.) – Харків: Б.в., 2001. – С. 319 – 320.
13. Пюрко О.Є., Христова Т.Є., Кузнєцов О.В. Деякі аспекти фітомоніторингу Приазов'я //Матеріали Всеукраїнської наукової конференції “Безперервна екологічна освіта: проблеми, пошуки, перспективи” (25-26 вересня, Миколаїв,  2001 р.). – Миколаїв: Б. в., 2001. – С. 96 – 98.
14. Христова Т.Є., Пюрко О.Є., Кузнєцов О.В. Комплексний підхід до екофізіологічних дос-ліджень життєдіяльності рослинних організмів //Там само. – С. 98 – 100.
15. Пюрко О.Є, Христова Т.Є., Казаков Є.О. Різноманіття складових пристосувально–адапта-ційного синдрому в онтогенезі галофітів Приазов'я //Матеріали міжнародної наукової кон-ференції “Онтогенез рослин, біологічна фіксація молекулярного азоту та азотний метаболізм” (1-4 жовтня, Тернопіль, 2001 р.). – Тернопіль: Б. в., 2001. – С. 34 – 38.
16. Пюрко О.Є. Деякі аспекти внутрішньовидової конкуренції галофітів Приазов'я //Матеріали ІІ Всеукраїнської конференції студентів та аспірантів “Біологічні дослідження молодих вчених на Україні” (23-25 квітня, Київ, 2002 р.). – Київ: Б. в., 2002. – Вип. 1. – С. 38 – 40.
17. Пюрко О.Є, Христова Т.Є., Кузнєцов О.В. Методика комплексних досліджень життєдіяльності рослин //Матер. наук. конф. “Еколого-біологічні дослідження на природних та антропогенно–змінених територіях” (13-16 травня, Кривий Ріг, 2002 р.). – Кривий Ріг: Б. в., 2002.- С. 329 - 332.
18. Пюрко О.Є, Христова Т.Є., Корчевська І.В.  Онтогенетична особливість формування складових адаптаційно-пристосувального синдрому у галофітів Приазов'я //Там само. – С. 326 – 329.
19. Пюрко О.Є., Казакова С.М. Особливості формування адаптаційного синдрому у галофітів різних екогруп //Тези міжнародної конференції “Проблеми сучасної екології” (24-26 червня, Запоріжжя, 2002 р.). – Запоріжжя: Б.в., 2002. – С. 114.
20. Пюрко О.Є. Фізіолого-біохімічна складова адаптаційного синдрому у галофітів //Український біохімічний журнал (Спец. випуск, мат. VIII УБЗ, 1 – 3 жовтня, м. Чернівці). – 2002. – Т. 74,    № 4 (б) (додаток 2). – С. 138.
21. Рuyrko O.E., Kazakov E.O. Тhe tolerantation specificity of different ecological groups of halophytes //Тези доповідей VІІІ конф. молодих вчених “Сучасні напрямки у фізіології та генетиці рослин” (23-25 жовтня, Київ 2002 р.). – Київ: Б.в., 2002. – С. 57.
22. Пюрко О.Є., Христова Т.Є. Особливості структури епідерми листків під дією водного та сольового стресів //Там само. – С. 58.
23. Пюрко О.Е., Кочкурова О.В., Огийчук Ю.И. Структурный анализ эпидерми различних экологических групп галофитов Приазовья //Мат. міжнар. науково-практ. конф. “Динаміка наукових дослідженнь” (28 жовтня – 4 листопада, Дніпропетровськ-Дніпродзержинськ-Черкаси, 2002 р.). – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2002. – Біологічні науки. – Т. 3. – С. 17-19.