Response of spring barley to UV and γ-irradiation

Full Text

Одним из глобальных экологических факторов, воздействующих на фитоценозы природного и антропогенного происхождения, является ультрафиолетовое (УФ) излучение. В 80-е гг. прошлого столетия было обнаружено снижения содержанием озона в стратосфере, особенно выраженное в южной полярной области. Снижение концентрации атмосферного озона вызывает увеличение излучения на поверхность земли от солнечного спектра в УФ-В-диапазоне [1]. На современном этапе биосферных явлений, в результате появления в зимне-весенний период “озоновых дыр” в Арктике [2], отмеченная тенденция может увеличиваться. Подобный феномен может не только приводить к резкому и кратковременному повышению УФ-облучения растений, но и к хроническому снижению толщины озонового слоя в бореальной области северного полушария [3]. Несмотря на то, что УФ-В-излучение на поверхности земли является незначительной составляющей солнечного спектра, оно, тем не менее, оказывает губительное влияние на рост, морфологию, цветение, опыление, фотосинтез, а также на метаболические процессы растений [4].

Другим глобальным экологическим фактором, который способен оказывать влияние на природные фитоценозы и агроценозы, является ионизирующее излучение (ИИ). Кванты g-излучения обладают большей энергией по сравнению с УФ, с большей проникающей способностью [5]. g-излучение влияет на метаболизм растительных клеток, включая регуляцию антиоксидантной системы и накопление фенольных соединений [6, 7], скорость прорастания семян [8, 9] и другие морфофизиологические изменения [10]. При изучении влияния острого и хронического ИИ в малых дозах основное внимание сосредоточенно на изучении морфометрических и генетических изменений у растений [11]. В то же время информации об изменении активности физиологических параметров под влиянием малых доз ИИ достаточно мало. В некоторых исследованиях представлены данные о влиянии малых доз ИИ на фотосинтез. Так, у проростков арабидопсиса показано повышение таких параметров световой стадии фотосинтеза как квантовый выход фотосистемы II (Y(II)) и скорость переноса электронов по цепи (ETR) при сниженном нефотохимическом тушении флуоресценции (NPQ) и неизменном содержании хлорофилла [12, 13]. При хроническом облучении растений ряски (Lemna minor L.) зарегистрировано увеличение экспрессии большого количества связанных с фотосинтезом генов и максимального уровня ассимиляции [14].

Сходство физиологического действия УФ-В и γ-облучения на вегетирующие растения позволяют предположить возможность их синергизма. Поэтому целью настоящей работы являлось изучение ответной реакции двух сортов ячменя ярового на хроническое УФ-А- и УФ-В-облучение, сочетанное с острым g-облучением.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Влияние УФ-А, УФ-В и g-облучения на растения ячменя ярового (Hordeum vulgare L.) изучали в двух вегетационных экспериментах. На ячмене сорта “Зазерский 85” оценивали сравнительное влияние хронического УФ-В и УФ-А облучения, на сорте “Владимир” – сочетанное действие хронического УФ и острого g-облучения. Растения выращивали в экспериментальной теплице с поликарбонатным покрытием в вегетационных сосудах с дерново-подзолистой супесчаной почвой из предварительно проращенных семян, от 13 до 15 растений на сосуд, в трехкратной повторности на один исследуемый вариант и контроль.

Хроническое УФ-А-облучение осуществлялось с помощью ламп Black Light BLUE фирмы Philips, а УФ-В-облучение – с помощью ламп ЛЭР-40 от момента формирования 3–4 настоящих листьев до фазы молочно-восковой спелости. Необходимо отметить, что поликарбонатное покрытие теплицы полностью экранирует солнечное УФ-А- и УФ-В-излучение, в то время как используемые в исследовании лампы ЛЭР-40 имеют максимум излучения на 320 нм, таким образом, в их спектре присутствуют почти в равной мере как УФ-В, так и УФ-А-излучение. Длительность УФ-облучения растений в первом и втором вегетационном экспериментах составляла 5 часов в сутки. Мощность УФ-излучения определяли с помощью спектрофотометра AvaSpec 2048 и программного обеспечения AvaSoft 6.2.

Во втором эксперименте по достижению фазы выход в трубку растения подвергали острому g-облучению в дозах 2 и 4 Гр при мощности 18 Гр/ч, которое проводили с помощью установки ГУР-120 с источником γ-квантов ⁶⁰Co, расположенной на территории НИЦ “Курчатовский институт” – ВНИИРАЭ (РФ, Калужская обл., г. Обнинск). Суточные дозы и их мощность для двух вегетационных экспериментов представлены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1. Суточные дозы и мощности дозы хронического УФ-облучения, (кДж/м²) / (Вт/м²) (измерения за 2019 г.)

Table 1. Daily doses and dose rates of chronic UV-irradiation, (kJ/m²)/ (W/m²) (measurements for 2019)

Исследуемая группа	Вид облучения
	лампа Black Light Blue	лампа ЛЭР-40
	УФ-А	УФ-А	УФ-В
1-Контроль	0	0	0
1-1	72/4	0	0
1-2	36/2	0	0
1-3	0	18/1	18/1
1-4	0	9/0.5	9/0.5
1-5	72/4	18/1	18/1
1-6	36/2	9/0.5	9/0.5

 

Таблица 2. Суточные дозы и мощности дозы хронического УФ-облучения (кДж/м² / Вт/м²) и острого γ-облучения (Гр / Гр/ч) (измерения за 2023 г.)

Table 2. Daily doses and dose rates of chronic UV-irradiation (kJ/m²) / (W/m²) and acute γ-irradiation (Gy / Gy/h) (measurements for 2023)

Исследуемая группа	Вид облучения
	лампы Black Light Blue	лампы ЛЭР-40		g
	УФ-А	УФ-А	УФ-В
2-Контроль	0	0	0	0
2-1	7.2/0.4	0	0	0
2-2	16.2/0.9	0	0	0
2-3	0	7.2/0.4	9.0/0.5	0
2-4	0	0	0	4/18
2-5	0	0	0	2/18
2-6	7.2/0.4	7.2/0.4	9.0/0.5	0
2-7	7.2/0.4	0	0	4/18
2-8	7.2/0.4	0	0	2/18
2-9	7.2/0.4	7.2/0.4	9.0/0.5	4/18
2-10	7.2/0.4	7.2/0.4	9.0/0.5	2/18
2-11	16.2/0.9	7.2/0.4	9.0/0.5	0
2-12	16.2/0.9	0	0	4/18
2-13	16.2/0.9	0	0	2/18
2-14	16.2/0.9	7.2/0.4	9.0/0.5	4/18
2-15	16.2/0.9	7.2/0.4	9.0/0.5	2/18
2-16	0	7.2/0.4	9.0/0.5	4/18
2-17	0	7.2/0.4	9.0/0.5	2/18

 

Отбор проб для определения биохимических параметров проводили на стадии выхода в трубку, во втором эксперименте – через сутки после γ-облучения. С помощью спектрофотометра UNICO-1201 (OOO “ЮНИКО-СИС”, Санкт-Петербург, РФ) спектрофотометрическим методом определялось содержание хлорофиллов а, b и каротиноидов с выделением в этаноле 96% по методике Lichtenhaler H. K. et al. [15], флавоноидов – по методике Tevini M. et al. [16]. Измерение морфологических параметров и урожайность двух сортов ячменя ярового оценивали по достижении растений стадии технической спелости.

Статистическую обработку данных проводили с помощью стандартных методов биометрии: статистически значимое отличие от контроля (p < 0.05, p < 0.01; p < 0.001) рассчитывали на основе t-критерия Стьюдента для средних.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние хронического УФ-А- и УФ-В-облучения на морфологические параметры и урожайность ячменя ярового двух сортов “Зазерский 85” и “Владимир”

В первом вегетационном эксперименте при хроническом УФ-В-облучении ячменя сорта “Зазерский 85” суточная доза свыше 9 кДж/м² оказалась летальной. Так, в исследуемых группах 1-3 и 1-5 (рис. 1) растения погибли сразу на фазе третьего листа при дозе 18 кДж/м² УФ-В-излучения. При меньшей дозе УФ-В-облучения (9 кДж/м²) растения в группе 1-4 погибли на фазе выход в трубку. В то же время при такой же дозе хронического УФ-В-облучения в группе 1-6, где дополнительно суточный уровень УФ-А-облучения составлял 45 кДж/м², отдельные растения ячменя были способны дать урожай зерна.

 

Рис. 1. Внешний вид растений ячменя сорта “Зазерский 85” в фазе кущения при хроническом УФ облучении. Слева направо представлены исследуемые группы: 1 — контроль, 1-2, 1-1, 1-6, 1-5, 1-4, 1-3.

Fig. 1. Appearance of barley plants of the Zazersky 85 variety in the tillering phase under chronic UV irradiation. From left to right the study groups are presented: 1 — control, 1-2, 1-1, 1-6, 1-5, 1-4, 1-3).

 

Анализ морфологических параметров показал (табл. 3), что хроническое УФ-А-облучение растений ячменя при суточной дозе 36 кДж/м² (группа 1-2), привело к статистически значимому повышению (р < 0.001) высоты ячменя на 8%. Величина площади листьев при этом достоверно увеличилась (р < 0.05) на 11%. В группах 1-4 и 1-6 при сочетанном действии УФ-А- и УФ-В-облучения, высота растения и площадь листьев статистически значимо (р < 0.001) снизилась по сравнению с контролем (табл. 3). При этом эффект снижения был более выражен в группе 1-4, где растения подвергали только УФ-В-облучению.

 

Таблица 3. Морфологические показатели растений ячменя сорта “Зазерский 85” при хроническом УФ-облучении

Table 3. Morphological parameters of barley plants of the variety “Zazersky 85” under chronic UV-irradiation)

Вариант	Высота растения, см	Площадь листьев, дм2
1-Контроль	62.1 ± 0.8	88.4 ± 2.4
1-1	64.3 ± 1.6	81.3 ± 4.5
1-2	67.1 ± 0.9***	98.1 ± 3.7*
1-6	54.6 ± 2.0***	38.3 ± 4.9***
1-4	39.0 ± 2.6***	25.0 ± 3.5***

Примечание. Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05; ** р < 0.01; *** р < 0.001.

 

Для всех исследуемых вариантов было отмечено статистически значимое снижение числа продуктивных стеблей (табл. 4), хроническое УФ-А-облучение в группах 1-2 и 1-1 приводило к уменьшению числа продуктивных стеблей на 13 и 39% относительно контроля соответственно. Присутствие УФ-В-облучения в группе 1-6 привело к значительному снижению числа стеблей – на 53% относительно контроля. Анализ структуры урожая показал (табл. 4), что при хроническом УФ-А-облучении в группах 1-2 и 1-1 число зерен в колосе главного стебля статистически значимо (р < 0.001) уменьшалось на 12% и на 30%, в боковом стебле – на 67% и на 91% относительно контроля соответственно. Было выявлено также снижение других показателей урожайности при хроническом УФ-А-облучении. Так, масса зерна с главного колоса снижалась на 20 и 49%, а масса 1000 зерен снижалась на 9 и 32% относительно контроля в группах 1-2 и 1-1 соответственно. Сочетанное действие хронического УФ-В- и УФ-А-облучения при суточных дозах 9 и 45 кДж/м² соответственно снизило массу зерна на 70%, а массу 1000 зерен на 57% относительно контроля.

 

Таблица 4. Структура урожая ячменя сорта “Зазерский 85” в фазе полной спелости после хронического УФ-облучения

Table 4. Yield structure of barley variety “Zazersky 85” in the firm-ripe stage after chronic UV-irradiation

Показатель	Исследуемая группа
	1-Контроль	1-1	1-2	1-6
Общее число стеблей, шт.	2.1 ± 0.1	1.3 ± 0.05***	1.8 ± 0.1	1.0 ± 0.1***
Число продуктивных стеблей, шт.	1.71 ± 0.08	1.08 ± 0.04***	1.26 ± 0.06***	0.82 ± 0.1***
Длина главного колоса, см	8.65 ± 0.14	6.89 ± 0.18***	8.83 ± 0.19	4.25 ± 0.4***
Число зерен в главном колосе, шт.	21.6 ± 0.4	15.1 ± 0.8***	18.9 ± 0.5***	9.1 ± 1.0***
Число зерен в боковом колосе, шт.	8.1 ± 1.1	0.7 ± 1.2***	2.7 ± 1.1***	1.4 ± 1.1***
Масса зерна с главного колоса, шт.	1.08 ± 0.02	0.54 ± 0.03***	0.86 ± 0.03***	0.32 ± 0.04***
Масса зерна с бокового колоса, шт.	0.32 ± 0.03	0.02 ± 0.03***	0.09 ± 0.04***	0.04 ± 0.04***
Масса 1000 зерен, г	48.5 ± 1.1	44.4 ± 1.1**	32.9 ± 1.4***	20.7 ± 2.2***

Примечание. Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05;** р < 0.01; *** р < 0.001).

 

Второй вегетационный эксперимент с сортом “Владимир”, при более низких уровнях хронического УФ-В- и УФ-А-облучения, показал (табл. 5) принципиально другие групповые различия в некоторых морфологических параметрах. Было выявлено статистически значимое повышение высоты растений, общего числа стеблей и биомассы в группе 2-3 при влиянии сочетанного УФ-А- и УФ-В-облучения на 23% 25 и 28% относительно контроля соответственно. Аналогичные изменения данных параметров наблюдались в группах 2-6 и 2-11: высота растений достоверно увеличилась на 8%, общее число стеблей – на 16%, биомасса – на 14% относительно контроля. То есть, хроническое УФ-В-облучение в суточной дозе 9 кДж/м² привело не к снижению, а к увеличению общей биомассы растений. При этом сочетанное возрастание дозы УФ-А-облучения снижало данный эффект.

 

Таблица 5. Морфологические параметры и структура урожая ячменя сорта “Владимир” в фазе полной спелости при хроническом УФ-облучении

Table 5. Morphological parameters and yield structure of barley variety “Vladimir” in the firm-ripe stage under chronic UV-irradiation

Показатель	Исследуемая группа
	2-Контроль	2-1	2-2	2-3	2-6	2-11
Высота растения, см	40.5 ± 0.8	41.1 ± 1.5	45.5 ± 0.9*	49.9 ± 1.1*	43.6 ± 1.1*	43.6 ± 2.9
Общее число стеблей, шт.	1.2 ± 0.1	1.6 ± 0.2	1.3 ± 0.1	1.5 ± 0.2*	1.4 ± 0.2*	1.4 ± 0.1*
Число продуктивных стеблей, шт.	1.1 ± 0.1	1.1 ± 0.1	1.0 ± 0.05	0.8 ± 0.1	0.8 ± 0.1	0.8 ± 0.1
Длина главного колоса, см	5.0 ± 0.2	5.4 ± 0.3	5.3 ± 0.2	6.2 ± 0.8	4.4 ± 0.8	4.5 ± 0.4
Число зерен в главном колосе, шт.	8.7 ± 0.6	7.3 ± 0.8	5.9 ± 0.8*	6.1 ± 1.1	5.8 ± 0.7*	4.5 ± 0.6*
Число зерен в боковом колосе, шт.	11.5 ± 0.8	17.0	0.0	0.0	0.0	0.0
Масса зерна с главного колоса, шт.	0.4 ± 0.08	0.3 ± 0.03	0.2 ± 0.03*	0.3 ± 0.05	0.2 ± 0.03*	0.2 ± 0.01*
Масса зерна с бокового колоса, шт.	0.3 ± 0.02	0.5	0.0	0.0	0.0	0.0
Масса 1000 зерен, г	42.6 ± 1.3	39.2 ± 1.2	39.9 ± 0.1	42.2 ± 1.1	40.0 ± 0.9	40.0 ± 0.9
Масса соломы, г	7.0 ± 0.1	7.1 ± 0.2*	7.9 ± 0.2*	9.0 ± 0.4*	8.0 ± 0.1*	8.0 ± 0.02*

Примечание. Статистически значимое отличие от контроля: * – р < 0.05.

 

Следует отметить, что у ячменя сорта “Владимир” отсутствовал урожай зерна с боковых стеблей при УФ-А-облучении растений дозой свыше 7,2 кДж/м².

Увеличение отдельных морфологических параметров и сухой биомассы сочеталось со снижением урожайности (табл. 5). Было выявлено снижение числа продуктивных стеблей, длины главного колоса, числа и массы зерна с главного колоса как при УФ-В-облучении, так и при его сочетанном действии с УФ-А (группы 2-3, 2-6 и 2-11). Также наблюдалось снижение числа продуктивных стеблей в этих группах на 23% относительно контроля. На фоне хронического УФ-В-облучения в дозе 9 кДж/м² при максимальных дозах УФ-А-облучения 14,4 и 23,4 кДж/м² (группы 2-6 и 2-11) число зерен достоверно снизилось на 34% и 48%, соответственно, а масса зерна главного колоса – на 50% относительно контроля.

На рис. 2 представлены фото главного колоса растений ячменя сорта “Владимир” при влиянии как сочетанного хронического УФ-В- и УФ-А-облучения. По фото наглядно видно, что вследствие деформации и неправильного формирования главного колоса, наблюдалось отсутствие урожая зерна.

 

Рис. 2. Внешний вид главного колоса ячменя сорта “Владимир” при облучении растений УФ-В и сочетанным УФ (А+В), где 1 – 2-контроль; 2 – группа 2-3; 3 – группа 2-11; 4 – группа 2-6.

Fig. 2. Appearance of the main ear of barley variety “Vladimir” when plants are irradiated with UV-B and combined UV (A+B), where 1 – 2-control; 2 – group 2-3; 3 – group 2-11; 4 – group 2-6).

 

Содержание флавоноидов в листьях ячменя при хроническом УФ-облучении

Статистически значимое увеличение концентрации флавоноидов в листьях ячменя было выявлено при УФ-В-облучении (группы 1-4, 1-6, 2-3, 2-6 и 2-11 на рис. 3). При этом в сочетании с хроническим УФ-А-облучением эффект был тем менее выражен, чем выше была доза УФ-А. Стоит обратить внимание и на более высокий уровень содержания флавоноидов в контроле сорта “Владимир” по сравнению с сортом “Зазерский 85”. Вероятно, этим объясняется различная устойчивость этих сортов к действию хронического УФ-В-облучения.

 

Рис. 3. Содержание флавоноидов в листьях ячменя при хроническом УФ облучении.

Примечание. Фиолетовым цветом обозначены данные для сорта ячменя “Зазерский 85”, зеленым цветом – для сорта ячменя “Владимир”. Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05; ** р < 0.01.

Fig. 3. Content of flavonoids in barley leaves under chronic UV-irradiation)

Note. The data for the barley variety “Zazerskiy 85” are shown in purple, and for the barley variety “Vladimir” in green. Statistically significant difference from the control: * р < 0.05; ** р < 0.01.

 

Содержание хлорофиллов a и b, каротиноидов в листьях ячменя при действии хронического УФ-облучения

Анализ содержания хлорофиллов и каротиноидов (табл. 6) в листьях ячменя показал статистически значимое снижение показателей при увеличении интенсивности УФ-облучения для сорта “Зазерский 85”. Так, содержание хлорофилла a в группах 1-2 и 1-1 снижалось на 11% и 14%, а в группе 1-4 на 50% относительно контроля. Аналогичным образом, снижалось содержание хлорофилла b. При сочетанном действии УФ-А- и УФ-В-облучения в группе 1-6 можно отметить, что дополнительное УФ-А-облучение частично нивелировало негативное влияние УФ-В на содержание фотосинтетических пигментов в листьях ячменя – показатели в 1-6 группе ближе к контролю, чем в группе 1-4.

 

Таблица 6. Содержание фотосинтезирующих пигментов в листьях двух сортов ячменя при влиянии хронического УФ-излучения

Table 6. Content of photosynthetic pigments in leaves of two varieties of barley under the influence of chronic UV-irradiation

Исследуемая группа	Хлорофилл a, мг/100 г	Хлорофилл b, мг/100 г	Каротиноиды, мг/100 г
1-Контроль	34 ± 1	14 ± 0.5	7 ± 0.2
1-1	26 ± 0.3***	10 ± 0.1**	6 ± 0.1**
1-2	31 ± 0.1**	12 ± 0.1*	6 ± 0.1*
1-4	17 ± 0.3***	7 ± 0.3***	5 ± 0.1***
1-6	25 ± 1***	10 ± 0.4**	6 ± 0.03**
2-Контроль	99 ± 5	43 ± 2	19 ± 1
2-1	69 ± 1*	30 ± 0.4*	14 ± 0.2*
2-2	100 ± 1	44 ± 0.3	20 ± 0.3
2-3	104 ± 1	38 ± 1	23 ± 0.04*
2-6	37 ± 5*	37 ± 2	24 ± 1*
2-11	97 ± 4	29 ± 4	23 ± 0.5

Примечание. Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05; ** р < 0.01; *** р < 0.001).

 

Для ячменя сорта “Владимир” (табл. 6) статистически значимое (р < 0.05) снижение содержания хлорофиллов наблюдалось для групп 2-1 и 2-6, не выявляя взаимосвязи с дозами УФ-облучения и, вероятно, данное отклонение является каким-то артефактом наблюдения. При этом обращает на себя внимание также более высокая концентрация всех фотосинтезирующих пигментов в листьях ячменя сорта “Владимир” по сравнению с сортом “Зазерский 85”.

Реакция растений ячменя в ответ на острое g-облучение

Во втором вегетационном эксперименте на фоне хронического УФ-облучения ячменя сорта “Владимир” проводили дополнительное g-облучение по достижении растений фазы выход в трубку.

Анализ полученных данных показал (табл. 7) статистически значимое дозозависимое увеличение (p < 0.05) содержания флавоноидов на 10 и 17% в группах 2-5 и 2-4 относительно контроля, соответственно. В группе 2-12 (на фоне хронического УФ-А-облучения) при дозе 4 Гр также отмечено статистически значимое (p < 0.05) увеличение содержания флавоноидов на 21% относительно контроля. При этом доза 2 Гр (группа 2-13) также приводила к некоторому увеличению содержания флавоноидов. Напротив, на фоне хронического УФ-В-облучения, дополнительное g-облучение приводило к статистически значимому (р < 0.05) снижению содержания флавоноидов в группах 2-17 и 2-16, 2-9, 2-15 на 54 и 65, 13, 47% относительно контроля соответственно.

 

Таблица 7. Содержание флавоноидов и фотосинтезирующих пигментов в листьях ячменя сорта “Владимир” при остром γ-облучении и хроническом УФ-облучении в фазе выхода в трубку

Table 7. Content of flavonoids and photosynthetic pigments in leaves of barley variety “Vladimir” under acute γ-irradiation and chronic UV-irradiation in the booting phase

Экспериментальная группа (Гр)	Флавоноиды, мг/100г	Хлорофилл a, мг/100 г	Хлорофилл b, мг/100 г	Каротиноиды, мг/100 г
2-Контроль (0)	524 ± 1	99 ± 5	43 ± 2	19 ± 1
2-5 (2)	577 ± 1*	81 ± 6	36 ± 2	16 ± 1
2-4 (4)	614 ± 7*	89 ± 2*	35 ± 4	17 ± 1
2-1 (0)	524 ± 49	69 ± 1	30 ± 0.4	14 ± 0.2
2-8 (2)	521 ± 30	75 ± 1	33 ± 6	15 ± 2
2-7 (4)	588 ± 10	98 ± 1*	43 ± 0.3*	20 ± 0.3*
2-2 (0)	443 ± 14	100 ± 1	44 ± 0.3	20 ± 0.3
2-13 (2)	471 ± 6	72 ± 4*	32 ± 0.1*	14 ± 2.4
2-12 (4)	537 ± 0.1*	97 ± 2	43 ± 0.4	19 ± 0.4
2-3 (0)	796 ± 8	104 ± 1	23 ± 1	23 ± 0.1
2-17 (2)	361 ± 47*	98 ± 6	30 ± 1	23 ± 1
2-16 (4)	278 ± 56*	100 ± 2	36 ± 2	22 ± 2
2-6 (0)	786 ± 1	37 ± 5	37 ± 2	24 ± 1
2-10 (2)	791 ± 7	86 ± 4*	31 ± 2	20 ± 1
2-9 (4)	681 ± 4*	118 ± 2*	42 ± 1	26 ± 1
2-11 (0)	544 ± 42	97 ± 4	29 ± 4	23 ± 0.5
2-15 (2)	288 ± 34*	94 ± 0.1	34 ± 0.1	21 ± 0.4
2-14 (4)	540 ± 89	112 ± 2	41 ± 0.4	25 ± 0.4

Примечание. Группы без воздействия γ-излучения являются контрольными.

Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05.

 

При анализе данных по содержанию фотосинтезирующих пигментов (табл. 7), были отмечены статистически значимые (р < 0.05) отклонения в содержании хлорофилла a в отдельных группах. Но, как в случае с действием УФ, данные отклонения не согласуются ни с дозами, ни с видом облучения.

При воздействии на растения ячменя сорта «Владимир» на стадии выход в трубку g-излучением в дозе 2 Гр, в отсутствии хронического УФ-облучения, наблюдалось статистически значимое (р < 0.05) повышение средней высоты растений на 8% относительно контроля (табл. 8). При этом сочетанное УФ-А- (16.2 кДж/м²) и g-облучение (2 Гр) в группе 2-13 способствовало статистически значимому (р < 0.05) снижению средней высоты на 6% относительно контроля.

 

Таблица 8. Морфологические параметры и структура урожая ячменя сорта “Владимир” в фазе полной спелости при остром γ- и хроническом УФ-облучении

Table 8. Morphological parameters and structure of the harvest of barley variety “Vladimir” in the firm-ripe stage under acute γ- and chronic UV-irradiation

Экспериментальная группа (Гр)	Средняя высота, см	Число продуктивных стеблей, шт.	Число зерен главного колоса, шт.	Масса зерна главного колоса, г	Масса соломы, г
2-Контроль (0)	40.5 ± 0.8	1.1 ± 0.1	8.7 ± 0.6	0.4 ± 0.03	7.0 ± 0.1
2-5 (2)	43.7 ± 1.1*	1.3 ± 0.1	10.5 ± 0.9	0.4 ± 0.04	8.0 ± 0.3*
2-4 (4)	43.3 ± 1.3	1.1 ± 0.1	9.1 ± 0.9	0.4 ± 0.04	7.5 ± 0.1*
2-1 (0)	41.1 ± 1.5	1.1 ± 0.1	7.2 ± 0.8	0.2 ± 0.03	7.1 ± 0.2
2-8 (2)	42.0 ± 1.0	1.1 ± 0.1	6.6 ± 0.7	0.3 ± 0.03	7.9 ± 0.1*
2-7 (4)	40.8 ± 0.9	1.0 ± 0.1	5.7 ± 0.7	0.2 ± 0.03	7.9 ± 0.1*
2-2 (0)	45.5 ± 0.9	1.0 ± 0.1	5.9 ± 0.8	0.2 ± 0.03	7.9 ± 0.2
2-13 (2)	42.6 ± 1.0*	1.0 ± 0.1	8.0 ± 0.6*	0.3 ± 0.02	7.9 ± 0.04
2-12 (4)	43.7 ± 0.8	0.7 ± 0.1	4.4 ± 0.9	0.2 ± 0.03	8.4 ± 0.2
2-3 (0)	49.9 ± 1.1	0.8 ± 0.1	6.1 ± 1.1	0.3 ± 0.05	9.0 ± 0.4
2-17 (2)	48.2 ± 1.3	0.8 ± 0.1	5.9 ± 0.8	0.2 ± 0.05	9.4 ± 0.4
2-16 (4)	48.5 ± 1.3	0.6 ± 0.1	3.1 ± 0.8*	0.2 ± 0.03	10.4 ± 0.1*
2-6 (0)	43.6 ± 1.1	0.8 ± 0.1	5.8 ± 0.7	0.2 ± 0.03	8.0 ± 0.1
2-10 (2)	43.6 ± 1.3	0.8 ± 0.1	5.2 ± 1.0	0.2 ± 0.04	8.0 ± 0.2
2-9 (4)	43.6 ± 1.4	0.8 ± 0.1	5.6 ± 1.1	0.2 ± 0.04	8.0 ± 0.2
2-11 (0)	43.6 ± 2.9	0.8 ± 0.1	5.8 ± 0.6	0.2 ± 0.01	8.0 ± 0.02
2-15 (2)	42.1 ± 1.0	0	0	0	7.2 ± 0.1*
2-14 (4)	38.3 ± 2.3	0	0	0	6.1 ± 0.02*

Примечание. Группы без воздействия g-излучения являются контрольными.

Статистически значимое отличие от контроля: * р < 0.05.

 

В то же время сочетанное УФ-А-(7,2 кДж/м²) и g-облучение (2 Гр) в группе 2-13 способствовало статистически значимому (р < 0.05) повышению числа зерен в главном колосе на 36% относительно контроля. Добавление УФ-В в сочетании с g-излучением (доза 4 Гр) в группе 2-16 привело уже к статистически значимому (р < 0.05) снижению числа зерен в главном колосе на 49%. При этом в группах 2-15 и 2-14 (сочетанное УФ-А-, УФ-В- и g-облучение) наблюдалось полное отсутствие продуктивных стеблей и урожая зерна с главного колоса.

При УФ-А-облучении в двух исследуемых дозах и УФ-В-облучении масса соломы в группах 2-5 и 2-4, 2-8 и 2-7, 2-16 статистически значимо (р < 0.05) увеличивалась на 14 и 7, на 11, 16% в отличие от контроля соответственно. В то же время при сочетанном УФ-А-, УФ-В- и g-облучении в группах 2-15 и 2-14 наблюдалось статистически значимое (р < 0.05) снижение массы соломы на 10 и 24% относительно контроля, соответственно.

ОБСУЖДЕНИЕ

Обобщая результаты экспериментов можно отметить, что для ячменя сорта “Зазерский 85”при хроническом УФ-В-облучении суточная доза свыше 9 кДж/м² оказалась летальной. В то же время сочетанное действие хронического УФ-А-облучения в суточной дозе 45 кДж/м² ослабляло данный эффект, отдельные растения ячменя были способны дать урожай зерна. В целом, хроническое УФ-А-облучение растений ячменя при суточной дозе до 36 кДж/м² стимулировало нарастание биомассы растений, одновременно угнетая генеративную функцию, что приводило к уменьшению урожайности. Сочетанное действие хронического УФ-В- и УФ-А-облучения при суточных дозах 9 и 45 кДж/м² соответственно снизило массу зерна на 70%, а массу 1000 зерен на 57% относительно контроля.

Сорт “Владимир” показал принципиально другие реакции в ответ на хроническое УФ-В- и УФ-А-облучение. Хроническое УФ-В-облучение в суточной дозе 9 кДж/м² привело не к снижению, а к увеличению общей биомассы растений. При этом сочетанное возрастание дозы УФ-А-облучения снижало данный эффект.

Негативное воздействие УФ-В-излучения на порядок существеннее, чем УФ-А, что соответствует спектру действия Колдвела и Флинта [17], однако при их совместном действии эффект оказывается значительно ниже, хотя эффективная доза, рассчитанная по спектру действия, была бы выше, суммируя воздействие УФ-В- и УФ-А-излучения. Возможно, данный парадокс возникает из-за энергетического подхода к определению спектра действия ультрафиолета. Если рассматривать не энергию, а количество фотонов в общем потоке, то понятно, что при добавлении значительной доли УФ-А-излучения к УФ-В, удельное количество высокоэнергетических фотонов УФ-В значительно падает, что может снижать вероятность их попадания на акцепторы и, соответственно, снижать уровень негативного воздействия.

Увеличение концентрации флавоноидов в листьях ячменя было выявлено при хроническом УФ-В-облучении для обоих сортов ячменя. При этом в сочетании с хроническим УФ-А-облучением эффект был тем менее выражен, чем выше была доза УФ-А. Различная устойчивость сортов к действию хронического УФ-В-облучения может быть вызвана более высоким уровнем содержания флавоноидов для сорта “Владимир”по сравнению с сортом “Зазерский 85”.

Воздействие УФ-В-излучения на растительные организмы способно индуцировать биосинтез фенилпропаноидов и флавоноидов, которые поглощают УФ-излучение. В эпидермисе листьев фенольные соединения уменьшают окислительное повреждение и защищают фотосинтетический аппарат, препятствуя проникновению УФ-В-излучения во внутренние фотосинтетические слои. Фенольные соединения и флавоноиды в меньшей степени подвергаются катаболическим превращениям и, поэтому, дольше сохраняют информацию о воздействии стресса на растительный организм [18]. Количественное содержание фотосинтетических пигментов может являться одним из индикаторов влияния стрессового фактора и показывает адаптацию растений, так как фотосинтетический аппарат достаточно чувствителен к воздействиям излучения солнечного спектра, в частности к УФ-излучению [19]. Снижение интенсивности фотосинтеза под воздействием УФ-B-излучения (наряду с другими влияющими факторами) связывают с уменьшением содержания фотосинтетических пигментов [20]. Такие пигменты как каротиноиды обеспечивают защиту компонентов растительной клетки от влияния избыточного УФ-излучения, преобразовывая его энергию в видимый свет, что проявляется в явлении флуоресценции [21].

Значимое снижение содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях ячменя при хроническом УФ-облучении отмечено только для сорта “Зазерский 85”. При сочетанном действии УФ-А- и УФ-В-облучения можно отметить, что дополнительное УФ-А-облучение частично нивелировало негативное влияние УФ-В на содержание фотосинтетических пигментов в листьях ячменя. При этом обращает на себя внимание также более высокая концентрация всех фотосинтезирующих пигментов в листьях ячменя сорта «Владимир» по сравнению с сортом “Зазерский 85”.

УФ-В-излучение способно вызывать два противоположных стресса в метаболизме растений, что тесно связано с дозой облучения [22]. В частности, облучение растений УФ-В в умеренной дозе может привести к обратимому и эластичному эустрессу (гормезису), который способствует активации вторичных метаболитов защиты растений. Когда воздействие превышает допустимое влияние, растения подвергаются необратимому и пластичному дистрессу, который приводит к метаболическому повреждению или гибели растительных клеток/тканей в экстремальных случаях. Например, в исследовании Jiao et al. [23] была выявлена оптимальная доза УФ-В-излучения – 108 кДж/м², которая оказалась способна поддерживать баланс между эустрессом и дистрессом в культурах корневых волосков лекарственного растения вайды красильной для максимального накопления флавоноидов.

g-Облучение в дозах 2 и 4 Гр также вызывает дозозависимое увеличение содержания флавоноидов в листьях ячменя. Однако, на фоне хронического УФ-В-облучения, дополнительное g-облучение приводило к статистически значимому (р < 0.05) снижению содержания флавоноидов.

При облучении растений ячменя сорта “Владимир” на стадии выход в трубку g-излучением в дозах 2 и 4 Гр наблюдалась небольшая стимуляция роста биомассы ячменя, этот эффект сохранялся и при низких уровнях хронического УФ-А-облучения. На фоне хронического УФ-В-облучения эффект стимуляции g-излучением отсутствовал. При этом наблюдались изменения в структуре урожая, а при хроническом УФ-облучении в дозах 9.0 и 23.4 кДж/м² для УФ-В и УФ-А, соответственно, отмечена полная продуктивная гибель растений.

Биологические эффекты g-излучения в основном обусловлены образованием свободных радикалов посредством гидролиза воды, что может привести к расширению тилакоидных мембран, изменению фотосинтеза, модуляции антиоксидантной системы, накоплению фенольных соединений и фотосинтезирующих пигментов [24]. В работе Hussein [25] было обнаружено накопление общих флавоноидов у ячменя, схожие результаты наблюдались в работе Hanafy и Akladious [26]. В листьях растений пажитника γ-излучение было обнаружено накопление свободных радикалов, которые могут действовать как сигналы стрессора, способствующие синтезу флавоноидных соединений с высокими антиоксидантными свойствами.

Более того, биосинтез флавоноидов на растении может быть связан с их антиоксидантной и защитной ролью в росте и развитии растений. Однако в нашем исследовании не наблюдалось существенных изменений в накоплении, как флавоноидов, так и фотосинтезирующих пигментов в листьях ячменя ярового сорта “Владимир” при g-облучении растений на фазе выхода в трубку. Также не выявлено существенных изменений в морфологических показателях и урожайности. Увеличение содержания флавоноидов, снижение или полная потеря урожайности у сорта “Владимир” наблюдались при сочетанном влиянии всех типов облучения. Мы предполагаем, что существенный вклад в потерю урожая зерна внесло хроническое УФ-В-облучение в сочетании с максимальной дозой УФ-А-излучения. При этом растения уже находились в фазе дистресса, и дополнительное, незначительное само по себе для данного сорта, g-облучение в дозах 2 и 4 Гр вызвало необратимые изменения, приведшие к генеративной гибели растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, можно сделать вывод, что два сорта ячменя ярового “Зазерский 85” и “Владимир” различаются в чувствительности к хроническому УФ-В-облучению и, возможно, данные различия определяются сортовыми особенностями в накоплении флавоноидов. При прогнозах негативного влияния УФ-В-излучения на растения необходимо учитывать и существующий уровень УФ-А-излучения, поскольку их действие не аддитивно. Стимуляция роста биомассы при хроническом УФ-облучении может сопровождаться угнетением урожайности растений. Реакция растений ячменя на g-облучение может существенно зависеть от уровня УФ-(А+В)-излучения. В целом дозозависимое влияние хронического УФ- и g-облучения можно рассматривать как переход от аустресса к дистрессу и его необратимому срыву. Данные настоящего исследования могут быть актуальны для программ по выведению новых сортов ячменя ярового, устойчивого к повышенным уровням солнечного УФ-излучения.

Источники финансирования: работа выполнена без целевого финансирования.

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией статьи.

About the authors

Oksana A. Guseva

Russian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre “Kurchatov Institute”

Author for correspondence.
Email: gusevaoks65@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8814-6324
Russian Federation, Obninsk

Pavel N. Tsygvintsev

Russian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: paul-gomel@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0214-7447
Russian Federation, Obninsk

Alexander N. Pavlov

Russian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: 49434@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7714-2419
Russian Federation, Obninsk

References

Supplementary files