ZESZYTY NAUKOWE UNIWERSYTETU SZCZECIŃSKIEGO NR 581

ZESZYTY NAUKOWE UNIWERSYTETU SZCZECIŃSKIEGO
NR 581
ACTA BIOLOGICA NR 16
2009
PAWEŁ SZNIGIR
JAN KĘPCZYŃSKI
Uniwersytet Szczeciński
REAKCJA NA REGULATORY WZROSTU NASION
AMARANTHUS RETROFLEXUS L. INKUBOWANYCH
W GLEBIE PRZEZ OKRES ZIMOWY
Reaction to plant growth regulators of Amaranthus retroflexus L.
seeds buried in soil for winter period
Słowa kluczowe: Amaranthus retroflexus L., spoczynek pierwotny nasion, regulatory
wzrostu, spoczynek-środowisko
Key words: Amaranthus retroflexus L., primary seed dormancy, plant growth regulators,
dormancy-environment
1. Wstęp
Nasiona po zbiorze lub opuszczeniu roślin macierzystych mogą się znajdować w stanie spoczynku pierwotnego, który umożliwia im przetrwanie niekorzystnych warunków środowiska (Baskin, Baskin 1998). Spoczynek bywa
zaindukowany w nasionach w trakcie ich rozwoju. Istnieje możliwość, że po
wytworzeniu się nasion będą one niespoczynkowe. W nasionach pierwotnie spoczynkowych oraz w niespoczynkowych może zostać zaindukowany spoczynek
wtórny przez niekorzystne czynniki zewnętrzne (Bewley, Black 1994).
Po opuszczeniu rośliny macierzystej nasiona są przenoszone w różne miejsca lub zasilają glebowy bank nasion. W nasionach znajdujących się w glebowym banku nasion spoczynek pełni funkcję regulatora, w odpowiednich warunkach do kiełkowania ustępuje, a w niekorzystnych się utrzymuje. Indukcja oraz
130
Paweł Sznigir, Jan Kępczyński
ustępowanie spoczynku są kontrolowane przez czynniki środowiska, m.in. przez
temperaturę, światło, azotany etc. (Baskin, Baskin 1998; Finch-Savage, Leubner-Metzger 2006).
Regulatory wzrostu odgrywają istotną rolę podczas ustępowania spoczynku
i kiełkowania nasion (Bewley, Black 1994). Ustąpienie spoczynku jest możliwe
po obniżeniu zawartości inhibitorów w nasionach – np. kwasu abscysynowego
– oraz zwiększeniu syntezy stymulatorów, takich jak gibereliny, cytokininy czy
etylen. Nasiona można wyprowadzić ze spoczynku traktując je odpowiednimi
fitohormonami. Do tej pory opublikowano niewiele prac dotyczących oceny
wrażliwości na egzogenne fitohormony nasion inkubowanych w glebie przez kilka lub kilkanaście miesięcy.
Celem badań było określenie wrażliwości na giberelinę A3 (GA3), etefon
(ETH) oraz kwas abscysynowy nasion Amaranthus retroflexus L. inkubowanych
w glebie od listopada do czerwca.
2. Materiał i metody
Nasiona Amaranthus retroflexus L. zostały zebrane w Lubniewicach w województwie lubuskim we wrześniu 2006 roku z areału około 100 m2. Następnie odważono 36 prób po 12 gram i wsypano do nylonowych woreczków, po
czym umieszczono je w drewnianych skrzynkach powleczonych zbrojoną siatką
zabezpieczającą nasiona przed gryzoniami. Skrzynki zakopano w glebie w ten
sposób, by woreczki z nasionami znajdowały się na głębokości 10 cm. Doświadczenie rozpoczęto 6 listopada 2006 roku, a trwało do 15 czerwca 2007 roku. Pomiaru temperatury dokonywano dwa razy w tygodniu w południe na głębokości
10 cm. Próbki nasion pobierano w miesięcznych odstępach czasu, zabezpieczając
je przed naświetleniem, gdyż są wrażliwe na światło.
Nasiona odliczano w ciemni, przy zielonym świetle, które nie wpływa na
ich kiełkowanie. Po odliczeniu nasiona wkładano do szalek wyłożonych bibułą,
wysyconą 1,5 ml wody, roztworu gibereliny A3, etefonu lub kwasu abscysynowego. Szalki z nasionami umieszczono w cieplarce w temperaturze 25°C bez dostępu światła. W doświadczeniach stosowano 50 nasion w trzech powtórzeniach.
Liczbę skiełkowanych nasion określano po 1, 4 i 9 dniach inkubacji. Wykresy oraz statystyka zostały wykonane w programie MS OFFICE 2000 – Excel.
Reakcja na regulatory wzrostu...
131
3. Wyniki badań i dyskusja
Nasiona Amaranthus retroflexus L. bezpośrednio po zbiorze skiełkowały
w niewielkim stopniu; stwierdzono tylko 1% skiełkowanych nasion w temperaturze 25°C (rys. 1). Wcześniej wykazano, że nasiona Amaranthus retroflexus L.
nie kiełkują w temperaturze poniżej 35°C, ponieważ znajdują się w spoczynku
pierwotnym (Kępczyński i in. 1996). Spoczynek ten ustępował w wyniku przechowywania nasion w stanie powietrznie suchym w temperaturze 25°C przez
kilka miesięcy.
Nasiona Amaranthus retroflexus L. inkubowane w glebie na głębokości
10 cm od listopada do grudnia skiełkowały w 25°C w około 55% (rys. 2). W miarę upływu czasu przebywania w glebie procent skiełkowanych nasion zwiększał
się, osiągając maksymalną wartość w marcu, a więc po 4 miesiącach. Po tym
czasie skiełkowało około 90% nasion, co wskazuje na prawie całkowite ustąpienie spoczynku. Zwiększanie się zdolności do kiełkowania nasion było skorelowane z temperaturą 5°C panującą w glebie, utrzymującą się od grudnia do marca. Jest to zgodne z zasadą, że spoczynek nasion tzw. roślin letnich (summer
annuals) ustępuje w miesiącach zimowych (Baskin, Baskin 1998). Derkx i Karssen (1993), wykorzystując nasiona Sissymbrium officinale, wykazali, że głównym
czynnikiem regulującym spoczynek jest temperatura. W wyniku oddziaływania
temperatury spoczynek nasion ustępuje lub jest indukowany w nasionach niespoczynkowych. Podwyższanie temperatury od marca wiązało się z obniżaniem
zdolności do kiełkowania nasion. Nasiona przetrzymywane w glebie do czerwca
skiełkowały w około 40% (rys. 2). Może to sugerować indukcję wtórnego spoczynku u części nasion.
Stwierdzono, że GA3 nie wpływała na kiełkowanie nasion spoczynkowych,
a etefon nieznacznie podwyższał procent nasion skiełkowanych (rys. 1). Brak lub
słaba reakcja na wymienione regulatory sugeruje wyjątkowo głęboki spoczynek
nasion zebranych w 2006 roku. Nasiona zebrane w latach 1987, 1989 i 1992
wykazały znacznie większą wrażliwość na giberelinę i etefon (Kępczyński i in.
1996).
Etefon stymulował kiełkowanie nasion inkubowanych w glebie przez miesiąc (rys. 3). Spowodował on skiełkowanie 90% nasion już po jednym dniu inkubacji. Wysoka wrażliwość na etefon utrzymywała się do marca, w kolejnych
miesiącach nasiona charakteryzowały się brakiem wrażliwości na ten związek.
Etylen, a także etefon, związek uwalniający etylen, stymulują kiełkowanie znaj-
132
Paweł Sznigir, Jan Kępczyński
dujących się w spoczynku pierwotnym lub wtórnym nasion Amaranthus paniculatus, Helianthus annuus, Rumex crispus (Kępczyński, Kępczyńska 1997).
Nasiona Amaranthus retroflexus L. są bardzo wrażliwe na etylen, nawet niewielkie jego stężenie oraz bardzo krótki czas traktowania powodowały ustąpienie
spoczynku (Schonbeck, Egley 1981). Etylen stymuluje również kiełkowanie nasion w niekorzystnych dla tego procesu warunkach, na przykład supraoptymalnej
i suboptymalnej temperaturze, zasoleniu lub deficycie wody (Kępczyński, Kępczyńska 1997).
Od dawna znany jest fakt, że gibereliny indukują ustępowanie pierwotnego i wtórnego spoczynku nasion wielu gatunków roślin, np. Amaranthus caudatus (Kępczyński i in. 2006), Chenopodium bonus-henricus L. (Khan, Karssen
1980), Sissymbrium officinale L. (Derkx, Karssen 1993) oraz Malus domestica
(Smoleńska, Lewak 1974). Giberelinami można zastąpić światło wymagane do
ustąpienia spoczynku nasion tytoniu (Leubner-Metzger 2003). Stwierdzono, że
giberelina A3 nie wpływała na szybkość kiełkowania nasion Amaranthus retroflexus L. inkubowanych przez miesiąc w glebie, natomiast podwyższała końcowy
procent skiełkowanych nasion; w kombinacji kontrolnej skiełkowało około 55%,
a w wyniku inkubacji w obecności gibereliny 80% nasion (rys. 4). GA3 stymulowała proces kiełkowania nasion inkubowanych w glebie przez kolejne dwa miesiące. Nasiona, które przebywały w glebie od marca do czerwca, charakteryzowały się brakiem wrażliwości na giberelinę.
Kwas abscysynowy jest odpowiedzialny za stan spoczynku pierwotnego
nasion (Bewley, Black 1994). Nadekspresja genu odpowiedzialnego za syntezę ABA powoduje wzrost jego endogennej zawartości oraz zwiększona zostaje
głębokość spoczynku (Frey i in. 1999; Thompson i in. 2000). Natomiast brak
ekspresji genu odpowiedzialnego za syntezę ABA w trakcie rozwoju nasion spowodował, że spoczynek pierwotny nie został zaindukowany (Karssen i in. 1983).
Za spoczynek wtórny nasion Amaranthus caudatus (Kępczyński, Bihun 2001)
najprawdopodobniej odpowiedzialny jest również ABA. Zablokowanie biosyntezy ABA poprzez zastosowanie jego inhibitora – fluridonu, spowodowało skiełkowanie wtórnospoczynkowych nasion Amaranthus caudatus (Kępczyński, Bihun
2001). Badano również wpływ ABA na kiełkowanie nasion Amaranthus retroflexus L. po różnym okresie ich inkubacji w glebie. Hormon ten hamował kiełkowanie nasion Amaranthus retroflexus L. przetrzymywanych od listopada do
kwietnia (rys. 3). Po 7 miesiącach przebywania w glebie, czyli od maja, nasiona
charakteryzowały się niską wrażliwością na ABA.
133
Reakcja na regulatory wzrostu...
4. Podsumowanie
Nasiona Amaranthus retroflexus L. bezpośrednio po zbiorze nie kiełkowały
w temperaturze 25ºC, ponieważ znajdowały się w głębokim spoczynku. Spoczynek ten ustępuje częściowo po miesiącu, a całkowicie po 4 miesiącach inkubowania w glebie. Obniżanie zdolności do kiełkowania po 7 miesiącach prawdopodobnie wiąże się z indukcją spoczynku wtórnego. Takie zachowanie nasion jest
typowe dla tzw. roślin letnich, których spoczynek ustępuje w okresie zimowym
(Baskin, Baskin 1998). Nasiona wykazały zróżnicowaną wrażliwość na regulatory w zależności od czasu inkubowania w glebie. Bezpośrednio po zbiorze
charakteryzowały się niską wrażliwością na etylen oraz brakiem wrażliwości
na giberelinę A3. Zapotrzebowanie na stymulatory wzrostu etylen i giberelinę
A3 było największe u nasion inkubowanych do marca, a więc znajdujących się
w częściowym spoczynku pierwotnym. Być może wynika to ze zbyt niskiej intensywności produkcji giberelin i etylenu. Nasiona inkubowane od 1 do 6 miesięcy są bardziej wrażliwe na ABA niż nasiona wtórnospoczynkowe – przebywające
w glebie przez 7 miesięcy.
Kieákowanie, %
100
Regulator, M
kontrola
0
GA
GA3 10–3
ETH
ETH 10–4
80
60
40
20
0
0
1
4
9
Czas, dni
Rys. 1. Wpływ gibereliny A3 (GA3) i etefonu (ETH) na kiełkowanie nasion spoczynkowych Amaranthus retroflexus L. w temperaturze 25°C
Fig. 1. Effect of gibberellin A3 (GA3) and ethephone (ETH) on primary dormant
Amaranthus retroflexus L. seeds germination at 25°C
134
25
80
20
60
15
40
10
20
5
Kieákowanie, %
100
0
Tempratura, °C
Paweł Sznigir, Jan Kępczyński
Kieákowanie
ĝrednia
temperatura
0
L
G
S
L
M
K
M
C
L
Czas, miesiące
Rys. 2. Wpływ inkubowania nasion Amaranthus retroflexus L. w glebie od listopada do
lipca na ich kiełkowanie
Fig. 2. Effect of soil burial of Amaranthus retroflexus L. seeds from November to June
on their germination
GrudzieĔ
100
Regulator, M
Kieákowanie, %
80
0kontrola
–3
GA
GA3 10
60
–4
ETH
ETH 10
40
ABA 10–4
ABA
20
0
0
1
4
9
Czas, dni
StyczeĔ
100
Regulator, M
80
Kieákowanie, %
0
kontrola
60
40
20
0
0
1
4
Czas, dni
9
GA3
GA
10–3
ETH
ETH
10–4
ABA
ABA
10–4
135
Reakcja na regulatory wzrostu...
Luty
100
80
Kieákowanie, %
Regulator, M
0
kontrola
60
GA3 10–3
GA
ETH 10–4
40
ETH
ABA 10–4
ABA
20
0
0
1
4
9
Czas, dni
Marzec
100
Kieákowanie, %
80
60
Regulator, M
kontrola
0
40
–3
GA
GA 3 10
ETH
ETH
10–4
20
ABA
ABA
10–4
0
0
1
4
9
Czas, dni
KwiecieĔ
100
Kieákowanie, %
80
Regulator, M
0kontrola
60
–3
GA
GA 3 10
ETH
10–4
ETH
40
ABA
ABA
10–4
20
0
0
1
4
Czas, dni
9
136
Paweł Sznigir, Jan Kępczyński
Maj
100
Kieákowanie, %
80
Regulator, M
60
kontrola
0
–3
GA
GA 3 10
40
ETH
ETH
10–4
ABA
ABA
10–4
20
0
0
1
4
9
Czas, dni
Czerwiec
100
Kieákowanie, %
80
Regulator, M
kontrola
0
60
–3
GA
GA 3 10
40
ETH
ETH
10–4
ABA
ABA
10–4
20
0
0
1
4
9
Czas, dni
Rys. 3. Wpływ regulatorów wzrostu na kiełkowanie nasion Amaranthus retroflexus L.
przetrzymywanych w glebie od listopada 2006 do czerwca 2007 roku
Fig. 3. Effect of plant growth regulators on Amaranthus retroflexus L. seeds germination
buried in soil from November to June
Reakcja na regulatory wzrostu...
137
BIBLIOGRAFIA
Baskin C.C., Baskin J.M., 1998: Seeds. Ecology, biogeography and evolution of dormancy
and germination. Academic Press, San Diego.
Bewley J.D., Black M., 1994: Seeds. Physiology of development and germination.
2nd edition. Plenum Press, New York–London.
Derkx M.P.M., Karssen C.M., 1993: Changing sensitivity to light and nitrate but not to
gibberellins regulates seasonal dormancy patterns in Sisymbrium officinale seeds.
Plant, Cell and Environment, 16, s. 469–479.
Finch-Savage W.E, Leubner-Metzger G., 2006: Seed dormancy and control of germination.
New Phytologist, 171, s. 501–520.
Frey A., Audran C., Marin E., Sotta B., Marion-Poll A., 1999: Engineering seed dormancy
by the modification of zeaxanthin epoxidase gene expression. Plant Molecular
Biology, 39, s. 1267–1274.
Karssen C.M., Brinkhorst-van der Swan D.L.C., Breekland A.E., Koornneef M., 1983:
Induction of dormancy during seed development by endogenous abscisic acid: Studies
on abscisic acid deficient genotypes of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Planta, 157,
s. 158–165.
Kępczyński J., Bihun M., 2001: Wtórny spoczynek nasion Amaranthus caudatus –
znaczenie etylenu i kwasu abscysynowego. W: S.M. Rogalska, J. Domagała (red.):
Człowiek i środowisko przyrodnicze Pomorza Zachodniego. II Ogólnopolskie
Sympozjum, Szczecin, s. 240–244.
Kępczyński J., Bihun M., Kępczyńska E., 2006: Implication of ethylene in the release
of secondary dormancy in Amaranthus caudatus L. seeds by gibberellins or cytokinin.
Plant Growth Regulation 48, s. 119–126.
Kępczyński J., Corbineau F., Come D., 1996: Responsiveness of Amaranthus retroflexus
seeds to ethephon, 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid and gibberellic acid
in relation to temperature and dormancy. Plant Growth Regulation, 20, s. 259–265.
Kępczyński J., Kępczyńska E., 1997: Ethylene in seed dormancy and germination.
Physiologia Plantarum, 101, s. 720–726.
Khan A.A., Karssen C.M., 1980: Induction of secondary dormancy in Chenopodium bonus-henricus L. seeds by osmotic and high temperature treatments and its prevention
by light and growth regulators. Plant Physiology, 66, s. 175–181.
Leubner-Metzger G., 2003: Functions and regulation of ß-1,3-glucanase during seed
germination, dormancy release and after-ripening. Seed Science Research, 13,
s. 17–34.
138
Paweł Sznigir, Jan Kępczyński
Schonbeck M.W, Egley G.H., 1981: Phase sequence of redroot pigweed seed germination
responses to ethylene and other stimuli. Plant Physiology, 68, s. 175–179.
Smoleńska G., Lewak S., 1974: The role of lipases in the germination of dormant apple
embryos. Planta 116, s. 361–370.
Thompson A.J., Jackson A.C., Symonds R.C., Mulholland B.J., Dadswell A.R., Blake P.S.,
Burbidge A., Taylor I.B., 2000: Ectopic expression of a tomato 9-cisepoxycarotenoid
dioxygenase gene causes over-production of abscisic acid. Plant Journal, 23, s. 363–
374.
REACTION TO PLANT GROWTH REGULATORS
OF AMARANTHUS RETROFLEXUS L. SEEDS BURIED
IN SOIL FOR WINTER PERIOD
Summary
Seeds of Amaranthus retroflexus L. after harvest were buried 10 cm deep in soil
for winter period to study their sensitivity changes to exogenous plant growth regulators.
Seeds after harvest were in vdeep primary dormancy. This dormancy can be break in part
after one month of buried, and completely after 4 months. Germination decrease after
7 months it is propably related with induction of secondary dormancy. Seeds show
diverse sensitivity to phytohormones in relation of buried period. Requirement to growth
stimulators ethylene and gibberellin A3 of buried seeds was greatest until march, when
they were partly dormant. Seeds buried in soil from 1 to 6 months are more sensitive
to ABA than seeds in secondary dormancy – buried up to 7 months.
Translated by Jan Kępczyński, Paweł Sznigir