Лекція № 4 План лекції

1. Перша фаза загартовування.

   0. Осінній ріст трав'янистих рослин і їхня здатність до загартовування.

   1. Особливості проходження першої фази загартовування у деревних рослин.

2. Друга фаза загартовування рослин негативними температурами.

   0. Процеси замерзання і вимерзання рослинних клітин.

   1. Умови вітрифікації води в рослинних клітинах.

   2. Механізми відмирання рослин при швидкому відтаванні.

1. Перша фаза загартовування

1.1. Осінній ріст трав'янистих рослин і їхня здатність до загартовування

Зимуючі трав'янисті рослини не мають глибокого періоду спокою. Стійкість до перенесення низьких температур у них досягається іншим способом. Рослинники давно помітили, що у рослин озимої пшениці, які вимерзають, як правило, більш велике листя, ніж у витривалих сортів. Менші розміри органів у добре зимуючих форм озимої пшениці утворюються в результаті уповільнення поділу клітин і зменшення їх розтягнення. Так, І.М.Васильєв (1939-1953), вивчаючи величину листя у сортів пшениці різної зимостійкості, виявив, що за сприятливої температури сорти пшениці не розрізнялися за розмірами надземних частин, але за умов низьких позитивних температур у чутливих зразків листя було більшим. Озимі пшениці в порівнянні з яровими мали за зниженої температури менше листя; корені їх за цих умов розвивалися також слабкіше. І.І.Туманов і Р.Л.Винокур (1955) підтвердили результати дослідів И.М.Васильєва. У теплий період за знижених температур озимі і ярові сорти не розрізнялися за швидкості розростання листя. В осінній період сумарний приріст листя у озимих сортів був помітно менше, ніж у ярових (рис. 1). Протиріччя між ростом і зимостійкістю виявляється і у інших трав'янистих рослин. Так, за даними П.П.Лук'яненко (1940), менш стійкі сорти зимуючих ячменів більш потужно розвиваються з осені. Така ж закономірність спостерігається і у морозостійких форм багаторічних трав. Наприклад, синя люцерна восени росте інтенсивніше, ніж витривала жовта люцерна (Ліванов, 1947). У конюшини витривалі форми закінчують свій осінній ріст до настання холодів, а чутливі вегетують до морозів (Коломієць, 1951). Добре зимують конюшини, у яких восени рано закінчуються ростові процеси. У північних форм ріст припиняється на 1,5 тижня раніш, ніж у південних. У зимостійких сортів також не спостерігається вегетації наприкінці зими під снігом. Таким чином, огляд наявних даних показує, що трав'янисті рослини, які не мають глибокого періоду спокою, знижують восени інтенсивність свого росту, але не в однаковому ступені: добре зимуючі форми сповільнюють ростові процеси сильніше, ніж менш витривалі.

Одним з механізмів гальмування росту перерозподіл фітогормонів – регуляторів росту. За наявності значного вмісту ауксинів у клітинах протоплазма не здатна успішно проходити другу фазу загартовування. Було виявлене зниження морозостійкості зі зростанням концентрації ІОК у зовнішньому розчині, коли інтенсивність ростових процесів майже не змінювалася. Сечер зі співробітниками (1960, 1963) знайшли, що зменшення кількості ауксинів у ендокарпі бобів квасолі різко збільшує проникність для води як плазмалеми, так і тонопласту. Тому був поставлений дослід з дуже швидким охолодженням колеоптилів до -8°. Витримування об'єктів у розчині ІОК (100 мг/л) різко погіршило морозостійкість колеоптилів: у контролі вижило 84%, у дослідному збереглося тільки 9%. Можна припустити, що значна концентрація ІОК, зменшуючи проникність мембран, сприяє утворенню льоду усередині клітин.

Ослаблення ростових процесів у озимих під час загартовування також досягається впливом низької позитивної температури та шляхом нагромадження в тканинах цукрів. Було встановлено, що перша фаза загартовування у зелених озимих рослин може протікати тільки на світлі з запасанням цукрів. За природних умов світло може відігравати помітну роль лише на початку загартовування, коли стоїть недостатньо холодна погода, за температур, близьких до 0° (Туманов, 1931). Ця залежність обумовлюється необхідністю для тканин нагромадити в процесі фотосинтезу достатню кількість цукрів. Так, Андерсон (1944) вивчав у чутливих і стійких сортів пшениці інтенсивність фотосинтезу і дихання у період загартовування і зіставляв отримані величини зі збільшенням змісту цукрів у їхніх тканинах. У своїх дослідженнях він підтвердив висновок И.И.Туманова (1931) про те, що збільшення змісту цукрів у озимих злаків є результатом нового утворення їх шляхом фотосинтезу, а не гідролізу високомолекулярних вуглеводів. Завдяки продуктам фотосинтезу розвивається морозостійкість у озимих рослин, які, як відомо, не мають запасів крохмалю. Пізніше була встановлена можливість загартовування насіння, яке проростає, у темряві, тобто за відсутності фотосинтезу, за рахунок гідролізу крохмалю ендосперму (Туманов, 1951). Дослідження показують, що у загартованих озимих рослинах (жита і пшениці) містяться різноманітні цукри, моносахариди, дисахариди й олігосахариди. Роль кожного виду цукру визначається кількісним його вмістом, а не хімічною будовою, тобто всі зазначені форми цукрів є захисними речовинами. Також встановлено, що етіоляція рослин веде до значного погіршення їхньої морозостійкості. Це явище пов’язується з гальмуванням фотосинтезу і відсутністю фази накопичення цукрів у клітинах рослин.

Підвищення морозовитривалості можна досягти і у рослин за допомогою послідовної дії факторів. Тобто, спочатку штучно збагатити рослинні тканини цукрами, а потім піддати дії низьких позитивних температур (близько 0). Виявилось, що вплив температур близько 0° навіть сильніший фактор для підвищення морозостійкості озимих, ніж нагромадження великої кількості цукрів у клітинах. Дослідами встановлено, що під впливом таких температур стійкість рослин може зростати на 10°, а під впливом накопичення цукрів – лише на 3°. Однак охолодження виявляється ефективним тільки після збагачення клітин цукрами. Коли рослини витримували в темряві при 2° у воді, стійкість рослин знижувалася. Тобто, рослини повинні спочатку збагатитися цукрами, а потім вплив низької позитивної температури змінює стан протопласта. Хоча за такої послідовності морозостійкість рослин різко зростає, вона все-таки менше, ніж за одночасної дії обох факторів. Це явище також пояснює несприятливий вплив етіоляції на здатність клітин до загартовування. Який же термін безперервного охолодження потрібний для проходження першої фази загартовування після попереднього збагачення клітин захисними речовинами рослини? Виявилося, що у оброблених 20%-ним розчином сахарози протягом 2 днів у темряві за 18° морозостійкість рослин підвищилася до -10°, а найвища морозостійкість (-20°) виявилася після впливу протягом 6-9 днів температурою 2°. Подовження цього терміну до 12 доби трохи зменшило морозостійкість рослин: замість 100% при -20° вижило тільки 85%.

Фотоперіоди дуже впливають на здатність деревних рослин до проходження першої фази загартовування. У зимуючих трав'янистих рослин, які не мають періоду спокою, можна чекати іншої реакції на різні фотоперіоди. Вивчення вплив різних фотоперіодів з довжиною дня 8, 12, 16, 20, 24 г у добу на формування морозостійкості озимої пшениці у кондиційованих камерах фітотрона (Трунова, 1965) показали, що за температури близько 0° і безперервного освітлення висока морозостійкість набувається протягом 1 тижня. У цьому варіанті навіть після морозу -26° усі рослини залишилися живими. Подовження першої фази загартовування з 1 до 3 тижнів в умовах цілодобового освітлення не привело до підвищення стійкості. На короткому дні (8 г) за такої ж інтенсивності освітлення і низькій температурі висока морозостійкість розвивається після більш тривалого загартовування протягом 3 тижнів. Було висловлене припущення, що значення фотоперіодів визначається переважно швидкістю нагромадження в клітинах достатньої кількості цукрів. Вивчення процесу нагромадження цукрів за безперервного освітлення і на короткому дні показало, що рослини пшениці вже до початку загартовування містили значну кількість цукрів: 18,5% у листі і 22, 9% у вузлах кущіння; відповідно 9,9 і 8,6% приходилося на моно- і дисахариди. Олігосахариди містилися у вузлах кущіння в більшій кількості, ніж у листі. Після 3-денного загартовування за цілодобового освітлення вміст цукрів зріс у листі до 25,4%, а у вузлах кущіння до 26,6%. Особливо інтенсивне нагромадження цукрів спостерігалося в останні дні. До кінця тижневого загартовування кількість цукрів зростає в 25,3 рази порівняно з вихідним. Ще більш тривале витримування рослин за цілодобового освітлення не збільшує кількості цукрів. Отримані дані про динаміку цукрів добре погоджуються зі ступенем морозостійкості рослин. На короткому (8-годинному) дні процес накопичення цукрів сповільнюється порівняно з безперервним освітленням. У цьому досліді максимум вмісту цукрів досягається лише до кінця третього тижня загартовування, що відповідає розвиткові морозостійкості рослин.

У озимих інтенсивність ростових процесів послабляється лише під час проходження ними першої фази загартовування під впливом світла, зниженої температури і нагромадження цукрів.