Газоустойчивость и радиационная устойчивость растений - Устойчивость растений

Несовершенное до сих пор использование в качестве энергетического химического, металлургического и иных ресурсов каменного угля, нефти, торфа, различных руд и других видов минерального сырья, отсутствие замкнутых циклов и средств очистки приводят к загрязнению воздуха вредными для растений газами, особенно сернистым и серным ангидридами, окисью углерода, фтором, хлором, парами соляной и синильной кислот. Загрязняют воздух автомобильный транспорт, предприятия стройматериалов и др.

Сернистый и серный газы, проникая в мезофилл листа в токсических концентрациях, вызывают фотоокисление хлорофилла, хлороз, образуют сернистую и серную кислоты и тем самым резко изменяют рН клеточного сока листьев.

Одновременно нарушается деятельность ферментов, уменьшается стабильность биоколлоидов и мембран, ингибируется фотосинтез (как световые, так и темновые реакции), нарушается белковый и углеводный обмен в листьях, водный режим.

Растения сильно снижают свою продуктивность, урожайность, сопротивляемость к болезням и вредителям. При остром повреждении происходит коагуляция белков и других биоколлоидов, нарушения мембран и отмирание части или целого листа. Это подкисляющее действие сернистого ангидрида подтверждается тем фактом, что симптомы повреждений от него и от Фтористоводородной кислоты очень сходны. Возможно, что указанные вещества и другие газы вызывают образование в клетках свободных радикалов, резко нарушающих общий обмен веществ и энергии в растении.

Газообразные токсиканты отрицательно влияют на плодоношение и семеношение древесных растений, завязавшиеся шишки у хвойных растений отличаются меньшими размерами, а семена - меньшей массой и худшей всхожестью. Вредное воздействие оказывают газы и на прорастание пыльцы, длину пыльцевых трубок.

Такие токсиканты, как окислы азота, озон, пероксиацетилнитрат и др., проникая в растение, действуют как сильнейшие окислители, прежде всего, на фосфолипиды мембран, органелл и ЭПС клеток. В результате этого окисления мембраны теряют свои основные свойства, а клетки - свойственную им систему компартментов и структуру.

Обобщая изложенное, можно заключить, что воздушные токсиканты в критических дозах вызывают серьезные сдвиги в ходе физиологических процессов растений. Но эти сдвиги могут быть обратимыми при небольших дозах и экспозициях. Высокие же дозы при длительном пребывании растений в среде с газообразными загрязнителями приводят к полной дисгармонии физиологобиохимических функций и отмиранию клеток и тканей.

Ю. З. Кулагин выделяет следующие основные формы газо - и дымоустойчивости растений:

    - анатомо-морфологическая, связанная с особенностями строения покровных и внутренних тканей, препятствующих проникновению газов и их распространению по телу растения (ксероморфизм, плотное сложение внутренних тканей, пробка на побегах и стволах деревьев); - физиологическая, основанная на снижении активности газообмена, в частности, фотосинтеза, рефлекторном закрывании устьичных щелей и т. д.; - биохимическая, определяемая теми особенностями метаболизма, которые затрудняют или исключают повреждаемость ферментных систем и нарушения обмена веществ.

Следует отметить, что особой чувствительностью к газам обладают лишайники. Уже одна сотая той концентрации SO2, которая токсична для высших растений, сильно угнетает рост и развитие лишайников. Вот почему вокруг металлургических предприятий и в крупных городах лишайники встречаются весьма редко.

Из высших травянистых растений очень чувствительны к SO2 люцерна, люпин, клевер, фасоль, салат, редис, томаты, ячмень, цинния и другие растения, а устойчивы - рапс, лук, кукуруза.

Очень страдают от HF гладиолусы, тюльпаны, нарциссы, шафран, кукуруза и мало повреждаются томаты, спаржа, пшеница, подсолнечник, алиссум, левкои, тагетесы, целлозия, некоторые астры, гайллардия, цинния и др.

Из древесных растений: чувствительных к SO2 и HF, следует назвать ель, лиственницу, сосну обыкновенную, орехи; из устойчивых - туи, можжевельник, дуб черешчатый, клен американский, бузину и некоторые другие.

Сернистый и серный ангидриды, фтористо-водородная кислота, хлор и другие газы, скапливаясь в атмосфере, сильно подкисляют воду дождей.

В настоящее время "кислые дожди" создали очень сложную проблему не только в самих промышленно развитых странах, но и в соседних странах с менее развитой промышленностью. В частности, сильно ухудшилось состояние лесов, их продуктивность. Кроме того, эти дожди вмешиваются в почвообразовательные процессы, наносят урон плодородию почвы, подкисляют воды озер и рек, вызывают коррозию металлов, повреждение зданий и памятников и ряд других трудно предсказуемых явлений.

Повышенное содержанuе СО2 также промышленного выброса, в несколько раз снижает повреждаемость растений сернистым ангидридом и окислами азота, что может найти практическое применение: на небольших площадях или около особо ценных растений в условиях аварийного выброса указанных токсикантов проводить тем или иным способом обогащение воздуха СО2.

Отдельно следует сказать о твердых загрязнителях атмосферы - цементной пыли, окислах тяжелых металлов, сажи и др. При выпадении пыли в количестве 1,0 - 2,5 г на 1 м2 поверхности почвы резко ослабляется фотосинтез и усиливается дыхание листьев в связи с повышением температуры более темных листьев, нарушается водообмен. Лесоводами отмечалось снижение в 2 раза скорости роста основных лесообразующих древесных пород вблизи цементных заводов, выбрасывающих пылеватые загрязнения. Резко падают декоративные свойства древесных растений в зоне действия пылеватых частиц.

Замечено также повышение чувствительности древесных растений вблизи промышленных предприятий к грибным и вирусным заболеваниям, нападению энтомовредителей.

Действие ионизирующих излучений. Рост использования ядерной энергетики в народном хозяйстве, некоторое увеличение радиационного фона в локальных местах Земли, широкое практическое использование излучения и приборов на радиоактивных источниках в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине, науке и других отраслях вызвали интерес к изучению действия ионизирующей радиации на живой организм, в том числе растительный. Знание первичных радиационно-физиологических и радиационно-биохимических процессов совершенно необходимо для решения вопросов профилактики и терапии лучевой болезни.

К ионизирующей радиации относятся рентгеновские и ядерные излучения. Под влиянием ионизирующих излучений в летальных (смертельных) дозах в клетках растений происходят различные молекулярные и структурные изменения и нарушения, приводящие к сложной физиологической реакции.

На первом этапе происходит мгновенное поглощение клеткой ионизирующей частицы или фотона и передача этой энергии молекулам воды и органических веществ, что вызывает их ионизацию или возбуждение и увеличение их химической активности.

На втором этапе образуются свободные радикалы (атомы или группы атомов со свободной валентностью). Так, ионизированные молекулы воды очень неустойчивы и расщепляются с образованием свободных радикалов. Ионизированные молекулы органических веществ также образуют свободные радикалы.

На третьем этапе эти свободные радикалы и окислители, возникшие через ионизированные молекулы воды, реагируют с белками и нуклеиновыми кислотами с образованием радиотоксинов, не свойственных организму и оказывающих поражающее действие. Свободные радикалы, возникшие вследствие ионизации органических веществ, вызывают еще большие нарушения молекулярных и надмолекулярных структур.

Так, в молекуле ДНК происходят разрывы фосфорноэфирных, межуглеродных и водородных связей, внутри - и межмолекулярные сшивки благодаря возникновению ковалентных связей между поврежденными азотистыми основаниями и поврежденными сахарофосфатными остатками и т. д. Одновременно с этим увеличивается активность ферментов, расщепляющих ДНК. Все это может привести к необратимому разрушению молекул ДНК, разрыву хромосом.

На завершающем этапе наблюдается резкое изменение хода физиологических процессов и метаболизма в целом. При летальных дозах наблюдается стойкое нарушение функции и смерть клетки.

Различные растения на разных этапах развития неодинаково реагируют на радиацию. Наиболее устойчивы сухие семена и покоящиеся почки, выдерживающие облучение в дозах до 300 тыс. рад (рад - единица поглощенной дозы ионизирующей радиации, равная 100 эрг энергии, поглощенной 1 г вещества). Весьма чувствительны проростки и вегетирующие растения.

Из травянистых растений наиболее радиоустойчивы донники, капуста, различные виды клевера, клещевина, люцерна, табак, морковь, редька, турнепс, эспарцет, брюква, лен, редис и другие; неустойчивы бобы, горох, кукуруза, пшеница, рожь, фасоль (разные сорта).

Хвойные и лиственные древесные породы довольно отчетливо различаются по своей способности выносить действие ионизирующей радиации. Среди изученных видов наиболее чувствительными на всех стадиях развития оказались хвойные деревья. Они выдерживают дозы примерно на порядок меньше, чем лиственные породы. Большая радиационная поражаемость связана с более крупными ядрами и хромосомами клеток хвойных древесных пород. Тесная корреляция найдена и с содержанием в ядре ДНК.

Радиочувствительность деревьев, подвергающихся хроническому облучению зимой, примерно в 3 раза ниже, чем при облучении летом.

В зависимости от величины поглощенной дозы радиации реакция древесных растений различна.

Облучение относительно небольшими дозами порядка 500 рад вызывает, образно говоря, ускорение развертывания генетической программы и в целом стимуляцию роста и развития растений.

Более сильное облучение нарушает некоторые структуры и процессы, приводит к разрыву отдельных хромосом и появлению соматических мутаций, что проявляется в изменении морфологических признаков. Скорость роста растений в этом случае или не меняется, или снижается, как и активность обмена веществ.

Известно, что радиорезистентность увеличивается при наличии в растениях ряда специфических веществ - радиопротекторов. Среди них находятся соединения, содержащие сульфгидрильные (SН) и аминогруппы (NH2), например, цистеамин, цистеин и др.

В настоящее время использование облучения в стимулирующих дозах находит широкое применение в практических целях для получения новых сортов и форм растений, ускорения прорастания семян, роста и развития растений, а в критических - для торможения прорастания клубней и луковиц, семян древесных растений при их длительном хранении.

Похожие статьи




Газоустойчивость и радиационная устойчивость растений - Устойчивость растений

Предыдущая | Следующая