Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние аммонийного питания на фотосинтетический углеродный метаболизм и продукционные характеристики кукурузы двух генотипов

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "Влияние аммонийного питания на фотосинтетический углеродный метаболизм и продукционные характеристики кукурузы двух генотипов"

}Г Б ОД

8 МАЙ 1835

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК. ИНСТИТУТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ И ФОТОСИНТЕЗА

На правах рукописи УДК 577.158.4 + 081.132.192

ШАБНОВА НАДЕЖДА ИВАНОВНА

ВЛИЯНИЕ АММОНИЙНОГО ПИТАНИЯ НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ УГЛЕРОДНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ И ПРОДУКЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КУКУРУЗЫ ДВУХ ГЕНОТИПОВ 03.00.04 - биологическая химия 03.00.12 - физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пущино - 1995

гаоота выполнена в лаборатории экологии и фиаиологив Фо-тотройших организмов Института почвоведения и фотосинтеза РАН

Научные руководители: доктор биологических наук Биль Карл Яковлевич

кандидат биологических наук Фомина Ирина Ремовна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Кондрашова Мария Николаевна

кандидат биологических наук Семенов Вячеслав Михайлович

Ведущая организация: Филиал Института биоорганической химии

РАН, г.Пущине • ./>

Защита состоится " г^ " 1995г. в _часов на

заседании специализированного совета Д.200.29.01 в Институте почвоведения и фотосинтеза РАН по адресу: 14229" г.Пущино, ИПФС РАН, конференцзал

с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПФС' РАН

/ , '

Автореферат разослан 'А ^ 1 ааг.г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор биологических наук

Б.И.'/езное

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Классические работы Д.Н.Прянишникова, Т.Ф.Андреевой, А.А.Ничипоровича, Б.Мифлина и других отечественных и зарубежных авторов свидетельствуют, что от условий азотного (N) питания зависят не только рост и развитие растительного организма, но и структурно-функциональные показатели фотосинтетического аппарата, определяющие, в конечном итоге, урожайность и качественный состав биомассы. В настоящее время внимание исследователей к этой проблеме переживает новый подъем; повышение продуктивности культурных видов при одновременном получении экологически чистой продукции, прежде всего без нитратного загрязнения, становится одной из первоочередных задач агрохимии, физиологии и биохимии растений. Установлено (Толстоусов, ' 1974; Смирнов, 1982; Соколов и др., 1983), что использование аммиачных (NH4) удобрений по технологии, предотвращающей быструю нитрификацию, способствует увеличению содержания белка в хозяйственно важных органах многих культур, причем интенсивность фотосинтеза и продуктивность в ряде случаев сохраняются неизменными или даже незначительно возрастают (Ефремова, Шишкина, 1984; Мирославова, Козлова, 1988). Однако, стимулирующее действие NH4 - источника N на фотосинтез проявляется, как правило, при низких концентрациях (Томова, 1969; Woo, Canvin, 1980); повышенные дозы часто вызывают угнетение фотосинтетической деятельности, роста и развития некоторых видов, в том числе и кукурузы (Ти-щенко, Магомедов, 1988). С другой стороны, нитратный азот (N- NO3), положительно влияя на величину урожая, приводит к аккумуляции нитратов в растительной массе (Церлинг, 1979; Измайлов, 1986) и, соответственно, снижению качества продукции. Следовательно- необходимо проведение комплексных экспериментов, направленных на создание частных физиолого-биохимических концепций взаиморегуляции фотосинтеза и продукционного процесса в зависимости от источника N у разных типов сельскохозяйственных растений.

Ранее (Tew et al., 1974; Фомина, 1982; Биль, Фомина, 1985) было показано, что в листьях молодых растений кукурузы ряда генотипов (например, у сорта Стерлинг) при ¡^-варианте питания преобладающей С4-кислотой С4-цикла становится не малат, а аспартат. Это вызывает в свою очередь структурно-функциональную перестройку фотосинтетического аппарата (Биль, Фомина, 1985), приводящую в конечном итоге к существенному возрастанию доли аминокислот среди фотоассимилятов. Закономерно вставал вопрос о стабильности обнаруженного эффекта в ходе вегетации, его зависимости от генотипичес-ких особенностей культуры и взаимосвязи с количественными и качественными характеристиками листостебельной продукции.

- г -

Цель и задачи. Целью настоящей работы было изучение влияния N114 -питания, по сравнению с N03-, на интенсивность и направленность фотосинтетического углеродного метаболизма, накопление надземной биомассы и содержание аминокислот в онтогенезе двух различающихся по отзывчивости к источнику N генотипов кукурузы - типичного представителя "малатных" С4-злаков и важнейшей кормовой культуры Нечерноземья. Для достижения поставленной цели предстояло решить следующие задачи.

1) Провести выбор объектов исследования - двух сильно различающихся по отзывчивости к (*1Н4-источнику N генотипов кукурузы.

2). Изучить в онтогенезе данных генотипов в условиях N03- и -питания в лабораторных экспериментах:

а) биометрические показатели и скорость фотоассимиляции С02 СОФ);

б) особенности фотосинтетического углеродного метаболизма (активность ряда ферментов и состав продуктов);

в) содержание и состав общего пула аминокислот листостебельной массы.

3) Показать на примере слабочувствительного генотипа возможность использования №4-питания для повышения качественных характеристик листостебельной массы (обший и минеральный N. белок, аминокислотный состав) без снижения СФ и общей продуктивности растений.

4) На основе полученных результатов создать частную физиоло-го-биохимическую модель регуляции Ш4-питанием фотосинтеза и продуктивности кукурузы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1). Соотношение С4-дикарбоновых кислот, образующихся в фотосинтезе "малатного" С4-растения кукурузы, представляет собой физиологически регулируемый параметр, который может значительно изменяться в ходе онтогенеза и под влиянием определенных внешних факторов и сильно зависит от генотипических особенностей культуры.

2). Изменение этого параметра в сторону преобладания аспартата у типично "малатного" генотипа в условиях N44-питания вызывает подавление фотоассимиляции СО2 и продукционного процесса. Причиной указанного эффекта является снижение активности ферментов "малатного" метаболизма, осуществляющих локирование СОг в цикл Бенсо-на-Кальвина.

3). Описан генотип кукурузы гибрид КВС-701 обладающий "аспар-татной" направленностью С4 -цикла в течение всего онтогенеза вне зависимости от условий N -питания, слабой отзывчивостью активности фотосинтетических ферментов и устойчивостью продукционных показателей к действию Ш4-источника N.

4). Отсутствует прямая корреляция между изменением доли аминокислот среди фстоассимилятоЕ при НН^-питании и их накоплением в лиетостебельной массе кукурузы изученных генотипов.

Научная новизна работы. Установлено, что при Еырашивании куку-рувы на N'fy-питании С^-пикл снижает свою основную функцию - локирование CÜ2 в никл Бенсона-Кальвина и усиливает дополнительную функцию - образование аминокислот.

Покаваны: зависимость проявления обнаруженного эффекта от ге-нотипических особенностей фотосинтетического углеродного метаболизма. взаимосвязанное«! с продукционным процессом и отсутствие корреляции с процессом накоплением аминокислот в надземной массе.

Предложена и научно обоснована частная схема регуляции фотосинтетического углеродного метаболизма и продукционных характеристик кукурузы, ключевым звеном которой является отзывчивость активности НАДФ-малатдегидрогеназы (НАДФ-ВДГ) и аспартатаминотрансфера-зы (АСП-АТ) к действию ЬЩ4-питания.

Практическая значимость. Подученные результаты могут быть использованы для решения проблемы снижения объемов применения NOj-удобрений при сохранении высоких урожаев и повышении качества растительной продукции, для изученных генотипов кукурузы выявлены фазы развития, на которых NH^-форма питания вызывает дополнительное накопление аминокислот в надземной массе.

Выявлены биохимические критерии отбора генотипов кукурузы, способных в условиях Щ-питания сохранять высокий фотосинтез и продуктивность биомассы.

Апробация работа. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на: Всесоюзном симпозиуме "Связь метаболизма углерода и азота" (Пущино, 1985), Всесоюзной конференции "Современные проблемы биохимии и физико-химической биологии" (Звенигород, 1986), IV Международном симпозиуме молодых ученых "Регуляция метаболизма растений" (Варна, 1986), "Всесоюзной конференции молодых ученых по физиологии растительной клетки" (Петрозаводск, 1988), Всесоюзной конференции "Почвенно-агрохимические и экологические проблемы формирования высокопродуктивных агроценозов" (Пущино, 1988), IV межрегиональной конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физиологии растений и генетики" (Киев, 1988), II и III съездах общества шизиологое растений (Минск, 1990: Санкт-Петербург, 1993), Международной конференции "Фотосинтез и шотобио-технология" (Пущино, 1991), Конференции "Физиолого-генетические механизмы регуляции азотного питания растений" (Киев, 1991), Международном конгрессе "Окружающая среда для нас и будущих поколении" (Красноярск, 1993).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том

числе 7 статей в ведущих отечественных и зарубежных научных изданиях.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 145 стр. машинописного текста и состоит из введения, литературного оОзора, 3-рех экспериментальных глав, заключения и выводов. Список цитируемой литературы включает 230 наименований, из них 140 отечественных и 90 зарубежных. Иллюстрированный материал представлен в виде 18 рисунков и 11 таблиц.

ЗХСПЕРКШГГАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Глава II. ОБЪЕКТЫ К КЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В предварительных опытах был проведен отбор объектов - двух различающихся по отзывчивости к NH4 -питанию генотипов кукурузы (Zea mays L.). Для этого определяли величину влияния фактора на СФ молодых растений. Было исследовано 7 генотипов кукурузы, районированных в разных климатических зонах. Среди чувствительных генотипов для дальнейших экспериментов выбрали сорт Стерлинг. Слабую чувствительность проявлял только один из изученных генотипов -гибрид современной селекции КВС-701. Затем растения выращивали в условиях вегетационного опыта на песчаной культуре с использованием метода текучих растворов. Экологические параметры задавали, исходя из биологических особенностей кукурузы: температура воздуха -25/20°С (день/ночь), интенсивность облучения - 250 Вт/м2 при 12-часовом световом периоде. Питательную смесь готовили по прописи Гельригеля (Агрохимия, 1975) с добавлением микроэлементов. В NH4 -варианте Са(ТОз)2 заменяли эквивалентным количеством (NH4)2SC>4 и СаС1г. В некоторых экспериментах, с целью исключения влияния повышенного содержания серы на изучаемые показатели вместо (NH4)2S04 использовали NH4CI. В зависимости от возраста растений концентрацию N увеличивали от 1/2 до 3/2 нормы. Растительные образцы для анализов отбирали в момент основных фаз развития. Содержание N-NO3 и N-NH4 определяли в свежем растительном материале, остальные азотистые фракции - в лиофильно высушенном. Для учета общего-N и N-NH4 использовали феноловый метод в модификации В.Н.Кудеярова (1982), для N-NO3 - колориметрический с применением дисульфофено-ловой кислоты (Петербургский, 1968), белок определяли по методике Лоури, а также с Кумасси Q-250 (Bredford, 1976). Анализ состава аминокислот проводили на аминокислотном анализаторе LC-5000, фирма "BIOTRONIC" (ФРГ). Активность ферментов измеряли спектрофотометри-чески (Hatch, Mau, 1973; Романова, 1980) и радиоизотопным методом (Чернядьев и др., 1975), скорость фотосинтетической ассимиляции СО2 и состав продуктов - с помощью двумерной радиохроматографии, как описано ранее (Биль и др., 1987).

ГЛАВА III. ДЕЙСТВИЕ АШШЙНОГО ПИТАНИЯ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ И ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ В ОНТОГЕНЕЗЕ ДВУХ ГЕНОТИПОВ КУКУРУЗЫ 1. Биометрические показатели и скорость фотосинтеза. В диссертации приводятся результаты, свидетельствующие, что у гибрида КВС-701 окисленная и восстановленная формы N-питания одинаково влияют на динамику накопления сухой биомассы надземных органов (рис.1, А), рост стебля и скорость развития. Напротив, у сорта Стерлинг в условиях NH4-питания накопление надземной биомассы в ходе вегетации (рис.1, Б) и сроки наступления очередных этапов онтогенеза заметно отстают от варианта Шз-питания. Аналогичные результаты получены и при измерении скорости фотосинтеза (СФ) верхнего развернутого листа (рис.2). У обоих генотипов ОЕ закономерно снижается в течение вегетации от фазы 1-3 листа до стадии формирования и созревания зерна. NRi-питание, по сравнению с NO3-, не оказывает достоверного влияния на величину СФ у гибрида КВС-701, тогда как для сорта Стерлинг в этих условиях характерно 1,5-2,0 кратное снижение фотоассимиляции COjHa каждой из изученных стадий развития.

В данном разделе высказывается предположение, что различная чувствительность продукционного процесса гибрида КВС-701 и сорта Стерлинг к действию NH4. -питания обусловлена различной отзывчивостью их фотосинтетического аппарата. Результаты исследования состава продуктов и активности ферментов фотосинтеза подтвердили это предположение.

Фазы развития

Рис.1. Накопление надземной биомассы: (А) - гибрид КВС-701, (Б) -сорт Стерлинг, при N03- (I) и №(4- (2) питании. Фазы развития: 1-5 лист, П-7 лист, Ш-выброс метелки, 1У-цветение початка, У-молоч-ная, УЬмолочно-восковая спелость.

2. Состав продуктов фотосинтеза. Состав фотоассимилятов прежде всего изучали в процессе развития ассимиляционных тканей листа. Растущий лист условно был разделен на 4 зоны. Установлено, что нижний участок листа - зона I характеризуется низким содержанием

б

Ii I IV

Фазы развития: 1-3 лист, I1-5 Ш-7 лист, IV. V- выброс метелки, VI - цветение початка.

Рис.2. Скорость фотоассимиляции

СОг верхнего развернутого листа гибрида КВС-701 (К) и сорта Стерлинг (С) при N03 -(I) и N114 -(2) питании.

i jv v 'Разы развития

хлорофилла и СФ. не превышающей темновой фиксации: зоны II, III -ростом содержания хлорофилла и СФ; зона IV - завершением формирования фотосинтетического аппарата. При этом в воне II у обоих генотипов, не зависимо от формы N-питания, преобладающей С4~кислотой среди продуктов кратковременной фотоассимиляции СОг является ас-партат (табл.1). По мере продвижения вверх вдоль листовой пластинки у сорта Стерлинг в условиях ИО^-питания происходит постепенное увеличение доли яблочной кислоты, сопровождающееся изменением других фотосинтетических характеристик (Еиль и др., 1987), и фотосинтетический аппарат приобретает свойства типичные для "малатной" группы С4-видов. В противоположность, у гибрида КВС-701, при N03-варианте питания аспартат является преимущественным продуктом кратковременного фотосинтеза во всех зонах листовой пластинки, как у типичного "аспартатного" С4-вида проса посевного.

NH4-источник N вызывает у сорта Стерлинг торможение формирования "малатного" метаболизма. На состав фотоассимилятов гибрида КБС-701 ЫН}-питание влияния не оказывает. При изучении распределения 14С в зависимости от стадии вегетации (рис.3, табл.2) обнаружено, что соотношение 14С-малат/ 14С-аспартат, измеренное в зрелой части верхнего развернутого листа, у растений сорта Стерлинг в условиях NOj -питания значительно изменяется в ходе онтогенеза (рис.3), но преобладание яблочной кислоты остается характерным признаком О* -цикла. NH4 -источник N приводит к резкому снижению включения 14С в малат, наибольшему в период вегетативного роста и сглаживающемуся при развитии генеративных органов. Другая картина наблюдается у гибрида КВС-701: №)4-питание не вызывает уменьшения доли 14С-малата среди фотоассимилятов ни в период активного роста, ни в фазу выброса метелки. Более того, при обоих вариантах питания отношение !4С-малат/' 14С-аспартат не превышает единицы и соответствует такоьому для растений сорта Стерлинг, выращенных на М-МН4. Высокий Z 14С в аспартате сочетается у обоих генотипов с

Таблица 1.

Распределение !4С среди фотоассимлятов в разных участках листа кукуручы двух генотипов и проса посевного

Зона ,1Время экспо-1 Радиоактивность спирто-водорастворимой листа1зиции, с I фракции, % от суммы

1_I_

114СС>2 I 1гС021ФГК+ФЭС1 Сахара 1 Малат! Аспартат!Гликолат+

iii 111 1глицик+

111 III 1серин+ Iii III ¡аланин _I_I_I_I_I_I_I_

Сорт Стерлинг, ¡Юз-питание

II 10 - 14 2 30 46 8

10 180 5 75 3 4 12

IV 10 - 3 1 60 35 1

10 180 4 88 3 3 2

Сорт Стерлинг, ОТ^-питание

II, IV 10 - 8 1 21 62 8

10 180 4 83 2 1 10

Гибрид-КВС-701, Шз-питание

II, IV 10 - 24 3 29 42 2

Гибрид ХВС-701, NH4-питание

: I, IV 10 - 17 10 30 38 5

Просо посевное, Юз-питание

II, IV 15 - 15 5 26 41 13

15 180 5 67 5 2 21

Примечание: ИГК-З «осфоглицериновая кислота; ¡ЕЭС-фосфорные эфиры сахароз; б -среднеквадратичная погрешность для значении больше "10" составляет 3-5%, от "2" до "10" - 10%, маньша "2" - 20%. повышенным включением радиоактивного С в аланин, глицин, серии,ФГК и ФЭС (табл. 1 и 2) (Еиль и др., 1987). Сравнение данных рис.3, табл.2 и рис.2 выявляет взаимосвязь между направленностью С<-цикла и СФ. Начиная со стации выброса метелки, когда СФ в несколько раз снижается, состав фотоаесимидятов различается между генотипами и разными вариантами питания в гораздо меньшей степени, чем в период вегетативного роста; то же справедливо и для самых ранних этапов вегетации. В этих случаях даже у сорта Стерлинг в условиях Юз-питания омовение '4С-малат/ 14С-аспартат приближается к единице.

Э. Активность йериентоз. Представленные в диссертации результаты по определению активности ферментов, катализирующих образова-

- а -

нке и метаболизацию С4-кислот свидетельствуют (рис.4), что в листьях сорта Стерлинг Ш4-питание. по сравнению с N03-, вызывает значительное подавление активности НАДФ-МДГ и НАДФ-МЭ и увеличение активности АСП-АТ на всех изученных стадиях онтогенеза. У гибрида КВС-701 достоверных различий в активности этих ферментов при разных вариантах питания не обнаружено, но показано возрастание активности А1А-АТ при Ы-ЫН4. Отмечена также стимуляция активности РБФ-карбоксилазы (РБФ-К) у сорта Стерлинг в условиях М-МН^.

Как видно из рис.3 и 4, "малатная" направленность С^-цикла, формирующаяся у сорта Стерлинг в период вегетативного роста в зрелых участках листа при Шз-питании, прямо коррелирует с высокой активностью НАДФ-М2Г и НАДФ-МЭ. Поскольку, в условиях ЯН^-питания, у данного генотипа значительно снижаются:

Рис.3. Отношение 14С-малат/54С-ас-партат среди первичных продуктов фотосинтеза в верхней части листь-еЕ: (А) - сорт Стерлинг, (Б)-гибрид КВС-701; 1-НОз-питание, 2-ЫНц -питание. Фазы развития: 1-2 лист, ¡1-3 лист, II1-7 лист, IV-выброс метелки.

Фазы развития

СФ, доля малата среди фотоассимилятов и активность НАДФ-МЭ -можно заключить, что подавление СФ обусловлено уменьшением до-нирования СОг , в цикл Бенсона-Кальвина. С другой стороны, у у гибрида КВС-701 низкая активность НАДФ-МЭ при обоих вариантах питания, устойчивость СФ к действию ЫН^-источника N и "аспартат-ная" направленность С^-цикла указывают на возможность активации декарбоксилирующих ферментов, свойственных "аспартатным" С4-видам. Однако, определение активности ФЕЛ-карбоксикиназы и НАД-МЭ не подтвердило данного предположения. Вероятно, метаболизация аспар-тата в фотосинтезе кукурузы идет не столько по пути декарбоксили-рования, сколько по пути образования других аминокислот и белка (Биль и др., 1987: Шабнова и др., 1993). При этом для компенсации пониженного донирования СОгв цикл Бенсона-Кальвина, в случае преобладания аспартата среди первичных продуктов, у обоих генотипов, возможно, усиливается прямая фиксация атмосферной углекислоты РБФ-К в хлоропластах КПО.

Результаты, изложенные в настоящей главе, позволили сделать

Таблица 2.

Состав фотоассимилятов в верхней части листьев кукурузы двух генотипов при ЫО3- и НН4-питании.

Стадия IФорма(Время, с ¡Радиоактивность спиртоводорастворимой фракции, X от суммы

развития I И-пи-1 I_______

растений 1 тания |мсОа 112С0г IФГК+ФЭСI Сахара I Палат I Аспартат I Алании IГликолат, гли-1 Питоат

Седьмой лист Выброс метелки

N□3 ЫН4 М03

МН4

1цин, серин, 1глицерат

Сорт Стерлинг

15 9.7 2.0 70, ,8 16. ,5 1, ,0

15 13.5 1)5 28. .5 55; .0 1', ,5

10 5!5 54; ,5 40, ,0 -

10 180 б',0 84,5 Э, ,5 -

10 15.0 - 25, ,0 60; .0 -

10 180 5:2 81,2 0, ,6 1; ,0 6,5 5, ,5

. изо-Iцитрат, фума-1рат, сукцинат

I

ю

I

Седьмой лист

Выброс метелки

N□3 Ш4 Ш3 ИН4

15 15 15 15 15 15 15 15

24.1 27 ;з

15.2 7,8

15,4 7,0 12,2 180 6,2

180 180 180

3,9 58,6. 13,2

76.1 5,7

50,8 7,9

70.2

Гибрид КВС-701

25,6 0,3 33,5 2,2 33,9 2.0 36,8 0,6

43.3 2,2

31,8 1.4 33)6 6,6

33.4

о;э

3,9 3.1

1;о 11,0 2,7 5.4

3,1 7,6

6.3 8.6 5/3

5.4 6)5 1,9

0/1

0.8 1:5 17.2 0:5 14,8

Примечание: знак 1,-; означает отсутствие или следовые количества соединения; условные обозначения как на табл.1.

.< <—t

з: " JU

з

X

Рис.4. Активность НАДФ-ВДГ (NADP-MDH), НАДФ-МЭ (NADP-ME). ДСП-AT (GOT) и АЛА-AT (GPT) в листьях: (А) - сорт Стерлинг. (Б) - гибрид КВС-701; О- Ш3-питание,1ШН£-питание. Фазы развития: 1-2 лист, 2-7 лист, 3-выброс метелки, б - 4-7%.

вывод о тесной взаимосвязи между направленностью фотосинтетического углеродного метаболизма, СФ и общей продуктивностью кукурузы разных генотипов в условиях NH4- питания.

ГЛАВА». ВЛИЯНИЕ АШШЙНОГО ПИТАНИЯ НА КАЧЕСТВЕННЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИСТОСТЕЕЕЛЬНОЙ МАССЫ КУКУРУЗЫ ДВУХ ГЕНОТИПОВ

1. Содержание и состав аминокислот. Содержание аминокислот в зеленой массе кормовых культур служит одним из основных критериев оценки ее качества. В данном разделе показано, что у исследованных растений суммарное (свободные + связанные) содержание аминокислот в единице веса сухой надземной биомассы в течение вегетации закономерно уменьшается, как при N03-, так и при NHi-питании (рис.5). Преобладающими аминокислотами являются глутамат, аспартат, аланин,. лейцин, глицин и валин - в сумме они составляют более половины от общего количества (Шабнова и др., 1993). Ш4-питание приводит у растений сорта Стерлинг к заметному снижению накопления всех иден-

lim и iijiMi iv v "^азы вегетации

Рис.5. Суммарное содержание аминокислот в листьях (А,Б) и стеблях (В,Г) гибрида КВС-701 (А,В) и сорта Стерлинг (Б,Г) при -(I) и ИНф-(2)питании.

Фазы развития: 1-7-лист, Ii-выброс метелки, III- цветение початка, IV-молочная, V-молочно-восковая спелость.

тифицированных аминокислот на начальных этапах вегетации и повышению - в период созревания зерна. У гибрида КВС-701 при Щ-питании на начальных этапах вегетации наблюдается, наоборот, значительное увеличение данного показателя; к концу онтогенеза разница между вариантами Ы-питания сглаживается. В работах других авторов (Ти-щенко и др., 1986) показана прямая корреляция между изменением направленности С4~цикла кукурузы в сторону преобладания аспартата, в условиях МЩ-питания, и повышением пула свободных аминокислот в листьях растений. Однако сравнение результатов рис.3 и 5, табл.2 свидетельствует, что максимальное изменение отношения 14С-малат/ Нс-аспартат у сорта Стерлинг в условиях Ш4-питания приходится на период вегетативного роста, когда общее содержание аминокислот в листьях и стеблях понижается. В то же Еремя у гибрида КВС-701 N1% источник N не влияет на соотношение фотоассимилятов, но вызывает на определенных фазах развития увеличение накопления аминокислот в надземной биомассе. Еероятно, изученные генотипы обладают различной чувствительностью к форме Ы-питания не только ферментов С4-цикла, но и основных ферментов азотного метаболизма, определяющих эффективность усвоения Я-Щ^. Это косвенно подтверждают данные (Шабнова и др., 1993) о повышенном накоплении у гибрида КЕС-701 при ЫЩ-питании пролина и аргинина, т.е. тех аминокислот, которые синтезируются в листьях растений для связывания избытка минерального N (Кретович, 1987). Для более детальной характеристики усвоения Н-МН^бьша изучена динамика накопления различных азотистых фракций в листостебельной массе гибрида КВС-701. 2. ¿зотисткс Транши падясивсЯ бпжясси гМршз ЗВС-ТШ. Установлено, что в условиях КН4- питания содержание общего N (рис.6) заметно превышает Н0г- и в 2-3 раза безазотный варианты питания. Одновременно возрастает содержание белка, особенно растворимой фрак-

2 <У 3 <и

О) ®

3 о

»3

(Й и

о 0.0

а>

О

2000 1500 §1000 500

50

♦о

?о 20 10 60 50 40 ?о го 10.

Ы-ЛН4

N-N03

I I

17

Фазы развития Рис.? Содержание белка в зеленой масссе гибрида КВС-701, (А)-нерастворимый, (Б)-раство-римый белок. Варианты питания и фазы развития, как на рис.6

Фазы развития Рис.6 Накопление общего и минерального N в надземной массе гибрида КЕС-701 при безазотном (1), N03-(2) и ЛН4-(3) питании. Фазы развития: 1-5-лист, 11-7 лист, Ш-выброс метелки, IV-цветение початка, V-молочная, У1-молочно-восковая спелость.

ции (рис.7). Содержание Ы-Ш^ в листостебельной массе КВС-701 при всех вариантах питания сохраняется на относительно низком уровне. Исключение представляет стадия молочно-восковой спелости, на которой при И^-питании отмечено резкое увеличение содержания N-N1^ , связанное, возможно, с ускорением процесса старения растений и происходящим в результате интенсивным распадом белка. Накопление N-N03 в условиях №14-питания в течение всего периода вегетации соответствует безазотному варианту. В противоположность при НОг-ис-точнике N содержание N-N03 значительно возрастает в ходе онтогенеза и достигает 45-60 мг на 100 г сухой массы. В главе делается вывод, что при одинаковом уровне вносимого N. ЫН^-форма используется гибридом КВС-701 более эффективно, чем N03-.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении диссертации обсуждаются экспериментальные результаты автора и литературные данные о влиянии разных форм Я-питания на фотосинтез и общую продуктивность кукурузы. Их анализ свидетельствует о наличии тесной взаимосвязи между направленностью реакций С4-фотосинтеза, структурно-функциональной организацией фотосинтетического аппарата и продукционными характеристиками надземной биомассы. На примере двух генотипов, различающихся по чувствительности к действию №14- источника N. прослежены и обобщены в ви-

- '¿О -

де физиолого-биохимической модели два крайних варианта указанных регуляторных взаимодействий. Так, для типично "малатного" генотипа (сорт Стерлинг) характерна высокая онтогенетическая изменчивость отношения малат/'аспартат при первичной фотоассимиляции СОг.. В период активного роста в зрелых участках листовых пластинок малат становится преимущественным продуктом карбоксилирования ФЕП в клетках мезофилла, вызывая в свою очередь, активацию НАЦФ-МЭ и редукцию ХБК ФС 2 в хлоропластах КПО (Биль и др., 1985). Одновременно увеличиваются СФ и скорость накопления биомассы. По завершении роста снижение отношения малат/аспартат сопровождается обратным процессом, что подтверждает положение о ключевой роли малата в обеспечении функционирования цикла Бенсона-Кальвина в КПО "малат-ных" С^-видов. Действие НН4-питания на фотосинтез малатного генотипа выражается в торможении формирования "малатного" С4 -пути в ходе развития листа и растения. Актиености НАДФ-МДГ и НАДФ-МЭ уменьшаются. За счет этого, а также увеличения активности АСП-АТ уровень аспартата среди фотоассимилятов значительно возрастает, но активации декарбоксилирующих ферментов, свойственных "аспартатным" С4-видам, не происходит. В результате, донирующая функция С^-цикла снижается, обуславливая подавление СФ и общей продуктивности. Увеличение образования ФГК и ФЭС при кратковременном фотосинтезе указывают на возможное усиление в данном случае прямой фиксации атмосферного СОг. в КПО. Аналогичный механизм, вероятно, еще более активно функционирует в листьях генотипа, условно названного "аспартатным". Особенностью гибрида КВС-701, впервые обнаруженной нами, является слабая выраженность формирования "малатного" метаболизма в онтогенезе листа и растения. Тем не менее, ФЕП-карбокси-киназа и НАЦ-МЭ имеют, как и у сорта Стерлинг, незначительную активность. Следовательно, изменение направленности первичных реакций фотосинтеза в сторону преобладания аспартата (под влиянием внутренних или внешних факторов) не превращает "малатный" вид в "аепартатный", но регулирует соотношение двух функций С^-цикла -донирование СОг в КПО и образование амино- и органических кислот. Гибрид КВС-701, отличающийся низкой активностью ферментов "малатного" метаболизма, чувствительных к форме Ы-питания, проявляет, соответственно, устойчивость продукционных показателей к действию ЛН4-источника N.

Таким образом, чувствительность продукционных показателей изученных генотипов к ИН4-питанию непосредственно связана со степенью выраженности "малатного" С4 -пути. В противоположность, влияние М-МН4на важнейшие качественные характеристики кормовой продукции не зависит от направленности С4-цикла. Оба генотипа на специфичных для каждого стадиях онтогенеза отзываются на ЫН^-источник N повы-

- -

шением накопления аминокислот в листостебельной массе. Однако, "аспартатный" генотип - гибрид КВС-701 более перспективен для использования Ш4-удобрений, так как предотвращение накопления нитратов и повышение содержания сырого протеина, растворимого белка и аминокислот сочетаются у него с сохранением высокой продуктивности.

выводы

1). На примере двух генотипов кукурузы установлено, что соотношение 04-дикарбоновых кислот, образующихся в ходе С^-фотосинте-за, представляет собой физиологически изменчивый параметр, являющийся одним из центральных звеньев регуляции СФ и продуктивности растений.

2). Величина физиологической изменчивости данного параметра определяется генотипическими особенностями культуры:

а) у типично "малатного" генотипа (сорт Стерлинг) "малатная" направленность С4-цикла формируется только в период вегетативного роста в зрелых участках листовых пластинок и сопровождается повышением СФ и накопления биомассы. Ш4-питание вызывает торможение указанного процесса за счет снижения активности НАДФ-ВДГ и НАДФ-МЭ, и, как следствие, подавление продукционных показателей. Одновременное увеличение активности АСП-АТ приводит к повышению доли аминокислот среди фотоассимилятов;

б) генотипической особенностью фотосинтетического аппарата гибрида КВС-701 является слабая выраженность формирования "малат-ной" направленности С4-цикла в онтогенезе листа и растения. ЛН* -питание не -вызывает изменения активности НАДФ-МДГ, НАДФ-МЭ, АСП-АТ и соотношения малат/аспартат при фотосинтезе, что обуславливает устойчивость продукционных показателей к Ш4- источнику N.

3). Влияние Ш4 -источника N на общее содержание аминокислот в надземной биомассе исследованных генотипов не коррелирует с изменением натравленноети С4-цикла. Увеличение доли аминокислот среди фотоассимилятов, наблюдаемое у сорта Стерлинг в период вегетативного роста в условиях Ш4 -питания, сочетается с уменьшением (на данной фазе онтогенеза) их содержания в листьях и стеблях растений. У гибрида КВС-701, на фоне слабой изменчивости соотношения продуктов фотосинтеза, накопление аминокислот, особенно в период вегетативного роста, в условиях Щ-питания значительно возрастает.

4). На примере устойчивого к действию Ш4. -питания гибрида КВС-701 показана возможность аффективного использования ЫН^-источ-ника N для улучшения качественных показателей кормовой продукции без снижения общей продуктивности. В условиях ИЩ-питания у данного генотипа увеличивается общее содержание аминокислот, сырого протеина и растворимого белка; предотвращается накопление в

гатостебельной массе.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Шабнова Н.И. Потребление азота пшеницей в условиях интенсивного применения удобрений //Бюллетень ВИУА, 1980, N48, с.28-30.

2. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Биль К.Я. Влияние форм азотного питания на накопление азотистых соединений в онтогенезе кукурузы// Физиология и биохимия культ.растений, 1987, т.19, N1, с.60-66.

3. Биль К.Я., Фомина И.Р., Шабнова И.Р. Состав азотистых соединений зеленой массы и структурно-функциональные характеристики фотосинтетического аппарата в онтогенезе кукурузы в условиях дифференцированного азотного питания//Комплексное изучение продуктивности агроценозов: Сб. науч. трудов. - Пущино, 1987, с.174-190.

4. В11 K.Y., Fomina I.R., Shabnova N.I. Content of nitrogen compounds in Maize shoots, structural and Functional Features of pfiotosvnthetic apparatus under ammonium and nitrate nutrition//Photosynthetica, 1987, v.21, n.4, p.525-534.

5. Биль К.Я., Фомина И.P., Шабнова Н.И., Терехова И.В., Цено-ва E.H. Влияние аммонийного азотного питания и уровня освещенности на активность ферментов фотосинтетического углеродного метаболизма у кукурузы разных генотипов// Биохимия, 1987, т.54, N7, с. 1126-1132.

6. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Биль К.Я., Стахова Л.Н. Аминокислотный состав зеленой массы кукурузы в связи с условиями азотного питания// Физиология и биохимия культ.растений, 1993, т.25, N4, с.346-352.

Опубликованные тезисы по теме диссертации

1. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Биль К.Я. Действие амонийного азотного питания на скорость фотосинтеза и накопление азота в онтогенезе кукурузы// Связь метаболизма углерода и азота при фотосинтезе: Тез.докл.Всесоюз.симл.-Пущино, 1985, С.29.

2. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Стахова Л.Н., Биль К.Я. Фотосинтетический углеродный метаболизм и состав азотистых соединений при аммиачном и нитратном питании растений кукурузы//Фотос.интез и фотобиотехнология: Тез.докл.Международ.конф.-Пущино, 1991, с.40-41.

3. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Биль К.Я. Регуляция усвоения азота у кукурузы разных генотипов аммонийным питанием//Физиоло-го-генетические механизмы регуляции азотного питания растений: Тез. докл. конф. - Киев, 1991, С.62.

4. Шабнова Н.И., Биль К.Я., 'Фомина И.Р., Стахова Л.Н. Ассимиляция нитратного и аммонийного азота кукурузой//Второй съезд ВОФР:

Тез.докл.-Москва, 1992, С.232.

5. Шабнова Н.И., Фомина И.Р., Еиль К.Я., Стахова Л.Н. Влияние условий азотного питания на состав и содержание аминокислот лис-тостебельной массы кукурузы//Третий съезд ВОФР.-Санкт-Петербург. Тез.докл., 1993, С.453.

27.02.95 г. Зэк. ОСОоР. Тир. 1С0 г,ко. Уч.-язд.л. 1,С Стльчатако на рспаприпте в СИТ:-! '~1 г'V.