Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ФИКСАЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА КУЛЬТУРОЙ ЛЮПИНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИИ ОСВЕЩЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНЫМ АЗОТОМ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "ФИКСАЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНОГО АЗОТА КУЛЬТУРОЙ ЛЮПИНА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИИ ОСВЕЩЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНЫМ АЗОТОМ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

фиксация молекулярного азота

культурой люпина в зависимости от условий освещения при различных уровнях обеспеченности минеральным

азотом

На правах рукописи

УДК «33.367 : 631.811.1 : 681.132

САЗОНОВ Юрий Георгиевич

06.01.04 — агрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1983

И**«?*.

Работа выполнена в Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Ягодин Б. А.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Гукова М. М., кандидат биологических наук, доцент Кондратьев М. Н.

Ведущее учреждение: Всесоюзный научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур, г. Орел.

Защита диссертации состоится ч^» .

1983 г. в часов на заседании Специализированного со-

вета Д 120.35.02 при Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., д. 49, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в Ш^Б ТСХА.

Автореферат разослан , Р^'р/^^с . . 1983 г.

Ученый секретарь / /

Специализированного советаЛ. А. Дорожкина.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В решениях XXVI съезда КПСС отмочено, что основой Продовольственно Г! программы является подъем сельского хозяйства. Это определяется особым положением отрасли во всей экономике страны.

Одной из актуальных проблем современной агрономии является увеличение производства белка в размерах необходимых для удовлетворения не только потребностей в нем растущего населения планеты, но и пополнения кормовых ресурсов белка (Иконникова, 1965; Трошин, 1971; Проскура, 1977), Животноводство испытывает значительный недостаток в кормах, а низкое содержание белка ведет к их перерасходу, что существенно снижает продуктивность этой отрасли. Наряду с увеличением ресурсов кормового зерна, намечено увеличить производство зернобобовых культур, выращивание которых способствует с одной стороны решению проблемы более полного удовлетворения населения полноценным белком, сбалансн* рованным по аминокислотному составу (Винокуров, Дамская. 1970; Халтурин, 1979; Антоний, Пылов, 1980), с другой стороны улучшает азотный баланс пахотных почв за счет того количества азота, которое остается в корневых и послеукосных остатках бобовых растений (Шафеи, 1971; Човжнк, 1972; Гнетнева, 1981).

Широкое использование способности бобовых растений к биологической фиксации свободного азота атмосферы позволяет сэкономить расход азотных удобрений и кроме того значительно уменьшить опасность загрязнения окружающей среды минеральными соединениями азота (Петербургский, 1965; Трепачев, 1980), что имеет важное экологическое значение. Поэтому изучение особенностей питания бобовых культур, а также выяснение факторов, влияющих на их рост, развитие л интенсивность симбиотической азотфиксации, весьма актуально, Факторами, определяющими характер усвоения люпином, азота и его продуктивность, являются уровень содержания до-' ступных форм азота в питательной среде и интенсивность фо- ■ тосинтетического процесса, сн^ж^^^о^углеводами как са-

ЦСНТР^ЛЬНАЙ 1

НАУЧНАЯ Ь -БШОТЕКА Моск. сел^скохоз. академия

им. К. А. Тимирязева Ни« Мл

мо растение, гак и его мпкроепмбионг. Взаимосвязь данных процессов изучена недостаточно, хотя для разработки приемов повышения продуктивности симбиоза, новые сведения о степе-пи сопряженности фогосиитетического процесса с усвоение,« молекулярного азота атмосферы имеют несомненно большое значение.

Задачи исследований. Вопрос о применении азотных удобрений под люпнн остается противоречивым. Одной из главных причин получения неоднозначных результатов действия минерального азота на люпнн является недостаток сведений о требовании культуры люпина к условиям фотосинтеза для эффективного симбиоза. Поэтому целью наших исследовании являлось изучение влияния различных уровней обеспеченности минеральным азотом и условий освещения на фиксацию молекулярного азота из атмосферы люпином. Основное внимание в ходе исследовании было уделено решению следующих основных вопросов:

1. Изучить влияние различных уровней азотного питания и условий освещения на рост растений люпина и накопление биомассы.

2. Определить зависимость усвоения молекулярного азота из атмосферы культурой люпина от уровня обеспеченности минеральным азотом к освещения.

. 3. Изучить скорость ассимиляции углекислоты растениями люпина и интенсивность включения ее в продукты метаболизма в условиях симбиотрофного и преимущественно автотроф-ного питания азотом.

4. Исследовать суточный ход азотфиксации и динамику усвоения молекулярного азота из атмосферы в онтогенезе люпина при различных уровнях азотного питания.

Научная новизна исследований. В опытах с люпином л песчаной культуре с использованием стабильного изотопа |5М и радиоактивного изотопа МС было показано, что смешанный тип питания люпина при включении в питательную среду 50 мг азота на кг песка имел преимущество перед симбиотроф-ным и автотрофным типами питания. Установленные различия в характере нарастания биомассы растений люпина складывались на начальных этапах онтогенеза в период адаптцин к условиям азотного питания п сохранялись до конца вегетации, что подтвердилось данными по величине урожая. С помощью физиологических тестон показано, что при симбиотрофном типе питания наблюдалась наибольшая скорость ассимиляции углекислоты опытными растениями. Стебли чувствительно реагировали на факторы азогного питания и действие света. В условиях автотрофного питания и затенения в стеблях происходило увеличение содержания общего азота, что свидетельствовало об их акцепторной функции. Локализация 14С по

г>

органам растений и включение и группы белков и Сахаров указывала на проявление аттрагнрующей функции стеблей в распределении продуктов фотосинтеза корням, усваивающим минеральный азот удобрений. При снмбнотрофном типе питания ■л а функция принадлежала корням, подающим углеводы клубенькам, фиксирующим азот из атмосферы.

Практическая ценность работы. Полученные данные позволили выявить взаимосвязь азотного питания люпина к интенсивности фотосинтетнческого процесса с размерами снмбно-тической азотфиксацнн, что представляет как теоретический, так и практический интерес. За счет регулирования фотосин-тетнческон деятельности и интенсивности процесса азотфиксацни возможно обеспечить высокую продуктивность растений люпина при меньших затратах промышленного азотного удобрения, Установленный уровень литерального азота, соответствующий 1/3 от общего его выноса, с точки зрения физиологии питания люпина необходим в начальную фазу развития и гарантирует повышение его урожая без снижения азотфнксн-рующей активности, что необходимо использовать при определении оптимальных норм азотных удобрений под люпин.' *

Апробация работы. Результаты исследований ежегодно докладывались на заседаниях кафедры агрохимии ТСХЛ,'"на' научно-практической конференции молодых ученых ЦИИЛО (1982 г.) и на научной конференции Университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы {1983 г.). Основные положения диссертации опубликованы в двух статьях.

Объем работы. Диссертация изложена на 120 страницах (баз списка литературы и приложений), состоит из введения, обзора литературы, 4 глав экспериментальной части н выводов. Работа содержит 34 таблицы, 19 рисунков, 28 таблиц приложений. В списке литературы 398 наименований, в том числе 127 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Условия и методы исследований

Исследования проведены в 1978—1930 гг. на Агрохимической опытной станции ТСХЛ им. Д. П. Прянишникова в вегетационных опытах с песчаной ' культурой люпина сорта «Быстрорастущий-4». Семена перед посевом инокулировалн' эффективным штаммом «ЯЫгоЫит 1ирт1-359а» и выращивали !» пластмассовых сосудах, вмещающих 6 кг песка, на питательной смеси для люпина, представленной в таблице 1. Для создания" люпину различных условий питания азотом его в виде меченой аммиачной селитры |5МН4|5МОг с исходным обогащением 2 ат.% вносили по следующей схеме: 50 мг/кг песка обеспечивающие смешанный тип питания,

а

Таблица 1

Состав питательной смеси для люпина (песчаная культура)

Элементы

наименование концентрация, мг/кг песка Саль

Р 60 КНгРО,

К 2СМ KiSO,

Са 250 С а СО j

мс 60 MgSO,

Fe Г. FeafSOtb-SHiO

Си 0,05 CuSO.EtHjO

Zn 0,2 ZtiSO,

Мп 1,0 MnSO,

Со 0,02 CoSCV 7H)0

Мо 0,1 NajMoOj

В 0,5 HjB03

200 мг/кг песка (Мао-)) — автотрофный тип питания, без азота (No) — симбиотрофный тип питания. Полив проводили дистиллированной водой по весу (Ю% от полной полевой влагоем-костц. В каждом сосуде оставляли по 8 растений. Наблюдения в онтогенезе осуществляли по трем фенологическим фазам: бутонизация, цветение и образование зеленых бобиков. В каждой пробе после фиксирования и высушивания растительного материала содержание общего азота определяли по методу Кьельдаля, белкового — по Барнштейну, фосфора и калия метод-ом рентгенофлуоресцентного аналнза, Определение в растительных пробах стабильного изотопа 1SN после соответствующей подготовки проводили на масс-спектрометре МИ-1305 на кафедре агрономической и биологической химии ТСХА. Сим биотически фиксированный азот (Мф ) рассчитывали как разницу между общим содержанием азота в бобовом растении (N0(j) к суммой азота, поступившего в растение из удобрений ) и семян.

Интенсивность освещения регулировали затенением, длительность которого составляла от 1 до 6 суток. Для затенения растений использовали колпаки из плотной ткани, позволяющие снизить освещенность на три порядка. Определение азот-фиксирующей активности клубеньков люпина проводили по фенофазам ацетиленовым методом. Для определения суточной динамики азотфнксацпи, растения люпина выращивали в специальных сосудах, снабженных прозрачными колпаками из полиэтилена, под которыми опытные растения выдерживали в атмосфере ацетилена в течение 2-х часов. Интервалы между определениями составляли 4 часа. Этот метод позволил исследовать симбиотнческую азотфнксацию без нарушения

жизнедеятельности растений, »

Влияние азотного питания на скорость поглощения растениями люпина углекислоты и локализацию метки по органам изучали с применением метода радиоактивных индикаторов (нСОг). Для этого целые растения вегетирующие в течение 30 дней н имеющие два различных типа азотного питания: симбнотрофный (N0) н автотрофный (N200). тщательно изолировали от внешнего воздуха, помесит в камеру с меченной углекислотой активностью 15 МК. После 30-минутной экспозиции в атмосфере ИС02 растения находились в естественных условиях, 0,5, 1,5 к 2,5 часа, затем их убирали. Части растений— клубеньки, корни, листья и стебли измельчали, фиксировали жидким азотом и лиофнльно высушивали. Радиоактивность органов измеряли на счетчике Т-25 БФЛ, Для определения включения продуктов фотосинтеза, меченных НС, п пулл белков и Сахаров, белки из растительного материала выделяли путем их осаждения уксусно-кислым свинцом, отмывали водой и растворяли в 0,1 н растворе МаОН. Сахара очищали пропусканием их растворов через ноинообмениые смолы. Активность белков и Сахаров измеряли на установке «Марк-2».

Данные по величине урожая оценивали статистически с помощью дисперсионного анализа. Для определения достоверности различий для малых выборок применяли Т-критерий Стьюдента.

Результаты исследований

I. Влияние уровней азотного питания на накопление биомассы и усвоение азота люпином

Условия азотного питания оказывали существенное влияние на темпы роста и накопление сухой биомассы растениями люпина. Наилучшие условия для роста складывались при смешанном типе питания, при включении в питательную среду азота в количестве 50 мг/кг песка. Увеличение нормы азота до 200 мг/кг песка достоверно снижало общий урожай люпина (табл. 2).

Различия в характере роста люпина складывались на на-

Таблица 2

Урожай инокулированных растений люпина при разных уровнях обеспеченности минеральным азотом (г/сосуд!

Варнант опыта Зерно Солома Корин | Всего

1Э78 1979 И078 1 1970 >1978 1979 | 1978 I 1979

N. 10,6 0,8 28,9 26,3 6,2 5.4 45,7 41,5

111,9 10.3 30,9 29.3 8,3 7,7 51,1 47,5

7,7 6,6 23,9 20,9 3,3 2,8 34,9 зо.а

НСРс.я 0.4 1,2 0,4 •1,7

чальных этапах онтогенеза в процессе адаптации к условиям азотного питания и сохранялись до конца вегетации. Скорость прироста биомассы в фазы бутонизации, цветения и образования зеленых бобиков апроксимнровалась уравнением линейной регрессии.

Рассчитанные уравнения регрессии показывают нарастание сухой биомассы при каждом уровне азотного питания от фазы бутонизации до образования зеленых бобиков и имеют следующие значения;

Угол наклона линий регрессии в указанном интервале времени практически одинаков (коэффициент при X), т. е. прирост биомассы происходил равномерно по всем вариантам опыта, а свободный член меньше в уравнении, рассчитанном для симбиотрофного типа питания, что показывало эффект этой нормы удобрения. В период образования репродуктивных органов прирост биомассы прекращался на всех вариантах опыта. Данные по содержанию общего и белкового азота в органах опытных растений, а также по соотношению в них азота фиксированного из атмосферы и усвоенного из минеральных удобрений при различных нормах их внесения показаны на рисунке 1. Содержание общего азота в тканях различных органов растений люпина изменялось по фазам вегетации. Оно практически одинаково в корнях, листьях и стеблях опытных растений при снмбнотрофпом и смешанном типах питания, но значительно повышалось в стеблях при увеличении нормы азота до 200 мг/кг песка в питательной смеси.

Содержание белкового азота изменялось в онтогенезе н не зависело от уровня азотного питания. Однако доля фиксированного азота от содержания как общего, так и белкового азота в опытных растениях варьировала в зависимости от обеспеченности минеральным азотом. Если при симбнотрофном типе питания ее принять за 100%, то при смешанном типе питания она составляла 70—и 20—30% соответственно при 50 и 200 мг/кг песка алота в среде, '

Накопление белкового азота коррелировало с нарастанием сухой биомассы, причем уровень его содержания не зависел от типа азотного питания. Больше бедка накапливалось при смешанном тиле питания на всех фазах вегетации. Повышенная норма минерального азота приводила к снижению накопления биомассы, что снижало и вынос белка на этом варнаи> те опыта. Резких различии в характере накопления общего азота не наблюдалось за счет повышения его содержания в стеблях растений при высокой норме минерального азота. 6

I вариант (.М0)

II вариант (¡Ч&о)

III вариант (Маю)

У=0,95Х—20,62 У=1Д)2Х—19,92 У = 0,96Х—27,92,

■ %

' 43 . г.

1

о J %

б ■ 4 .

3"-

2

н

0

! .■ ■ . %

*

3 2

1 '

О

■ Содержание ■

■ бушшзацяя

й

общего азота Й

белкового азота

I

1

о

о 1-1 ф -и: 1-1

8

ч

ч- -г? « у

1

■4

я

I : 2 3 '. лист .

1-Й 3 стебель

I 2 3 корень"

■ I" 2 3

ЛИСТ ■

Г 2 3 .стебель

: цветение

i

Р 1

II

Ж

I

1

£

I 2 3 ласт

I 2 З""- I 2 3 12 3 .стебель' корень лист;'.

. ¡.образование зеленых. бойжов

I

VI! ч с 1

3 н >-<

12 3 ' • I 2 3 ; лист ■ ■ стебель

: с

: I - И

12 3 0ронь /

] - азот фяксирошшнЯ..

I 2 3

стебель

О <■'■

о

12 3 корень1

I- О

3

I 2 3 стебель

I 2 3 корень

и

i

1 ь

12 3 корень

I

50/

-"азот удобрений

• • 3 ~ И 200

. 'Доля азота удобрений я ^жеяровшюго азота яз атмосферы г содер?.8»31 сС-.сго ».белкового азота при различтпк "1 . . уровнях азотного плташи и в онтогенезе 1 ( в % на абсолютно сухое вещество )

Данные по накоплению общего и белкового азота, а также долевое участие фиксированного азота из атмосферы и минерального из удобрений в их накоплении показано на рисунке 2.

Включение фиксированного азота как в накопление общего азота, так и в белок на варианте без азота естественно равно 100%, на варианте с уровнем минерального азота 50 мг/кг песка в среднем составляло 70%, при повышении нормы азота и питательной среде до 200 мг/кг песка только около 18%. Следовательно, при смешанном типе питания фиксированного азота накапливалось больше, чем азота удобрений, а при авто-трофпом, наоборот азота удобрений накапливалось больше, чем азота фиксированного. Это соотношение сохранялось во все фазы вегетации. В зависимости от условий азотного пита-Ш1Н менялось и включение белкового азота в составе общего фиксированного азота. Так, без минерального азота, белкового азота было фиксировано в среднем за вегетацию 72,8% от общего количества фиксированного азота, соответственно при 50 и 200 мг азота на кг песка 89,8 и 53,2%. Таким образом, в условиях избыточного азотного питания снижалась не только интенсивность азотфиксацин, но и включение в белок фиксированной) азота. При низких уровнях азотного питания наблюдалось даже увеличение содержат)я доли белкового азота в общем количестве фиксированного азота.

2. Усвоение азота и формирование урожая люпина в условиях затенения растений

Интенсивность азотфиксацин связана в первую очередь с интенсивностью углеводного обмена растений. Непрерывное снабжение корневых клубеньков продуктами фотосинтеза является необходимым условием для связывания в них молеку-

Таблица 3

Биомасса растений люпина при различных уровнях азотного литания н условий освещенности (г/сосуд)

Вариант опита Фаза вегетации

бутонизаunя цветение образов, зелен, боб.

■длительность затенения, сутки

1 3 6 1 3 6 1 3 6

N'0 без затеи. 19,7 10,1 19,6 26.2 27,5 ЭД .8 Зй.З 38,9 42,3

затен. 13,4 13.7 13,5 23,7 23.2 22.6 25 2 26,6 26,7

Мм без за ген. 22,1 22,7 22 6 31,7 34,3 31,7 40,3 42,5 47.8

затен. 18.1 17,1 16,7 24,7 25,1 25,4 35,5 35,3 34.5

N.><1 бел затеи. 12,9 13.5 14,6 13,7 20,9' 25,5 27,6 31.1 35,8

заген. 7.8 8.» 11,5 12,9 19,8 21.7 22 4 21,6 26,6

лирного азота атмосферы. Одним нз первых проявлений реакции растений на изменение интенсивности освещения является скорость их роста н накопление биомассы.

Данные таблицы 3 позволяют отметить, что затенение опытных растений снижало накопление биомассы на всех вариантах опыта. При уменьшении освещенности люпина в течение 6-н суток на снмбиотрофном и смешанном типах питания азотом нарастания сухой биомассы не наблюдалось. В то же время на повышенной норме минерального азота был отмечен прирост биомассы при затенении, который составлял около 4 г/сосуд в фазу бутонизации и образования зеленых бобиков, а в фазу цветения — 7 г/сосуд. В результате уровень накопления биомассы опытных растений в условиях низкого освещения при снмбнотрофном и автотрофиом типах питания был практически одинаков и составлял около 27 г/сосуд.

Затенение опытных растений изменяло содержание как общего, так и белкового азота в различных органах особенно н раннюю фазу вегетации, бутонизацию. Причем стебли особенно чувствительно реагировали не только на факторы азотного питания, но и на действие света (таблица 4). Увеличение в содержании общего азота наблюдалось в течение первых суток затенения в переходном процессе при адаптации растений к

Таблица 4

Содержание общего азота в органах растений люпина при различных уровнях азотного питания и освещенности по фазам вегетации (% на абсолютно сухое вещество)

Орган растения

Вариант Л1»ст стебель корень

опыта N0 N0 | N50 N«0 Х'г Мм Мгоо

Фаза бутонизации

Без затеи. 4,26 4,24 1,65 1,62 3,19 2,61 2,46 2,54

Затеи, I 1,90 1,30 5.29 1,76 2,60 4.24 2,61 2,36 3,37

сутки 1.34 4,20 4,90 2,08 3,12 3.99 2,56 2,05 3,33

6 1,20 3,74 4,82 1,96 2,47 3,12 2,64 2 12 2,96

Фаза цветения

Б« затеи. 3,00 3,80 4.17 1.78 1,83 3,01 2,00 1,94 2,39

Затеи, 1 1,0.1 3,50 л,т 1,92 1,8» 4,74 1,90 2,14 3,25

сутки 3 3,7« 3,71 4,05 1,80 1,73 1,02 1,95 2,02 2,92

6 3.79 3,47 3,34 1,71 1,75 3,53 2,03 2,37 2.92

Фаза образования зеленых бобиков

Без затеи. 3,30 3,21 3,38 1,80 1,82 3,76 1,93 1,83 1,93

Затеи. 1 3,50 ЗЛ2 3,6» 2,03 1.89 3,21 1,82 2,09 2,90

сутки 3 3,29 а,87 3.99 1,93 2 12 2,64 1,86 1,98 2,90

6 3,08 2,80 1,54 1,85 а! и 2,15 1,89 1,93 3,72

новым условиям фотосинтеза, но сохранялось в последующие сутки затенения в установившемся режиме только в условиях автотрофиого питания азотом.

При дальнейшем развитии растений в фазы цветения и образования зеленых бобиков резких колебании в уровне общего азота не наблюдалось.

Затенение снижало содержание белкового азота во всех органах растения люпина при всех типах азотного питания (таблица 5). Колебания в уровнях белкового азота более резко выражены на ранней фазе вегетации, фазе бутонизации, и в течение только первых суток затенения, Затем таких резких различий не наблюдалось.

Различия в уровнях содержания общего азота практически не вызывали изменений количества белка. Увеличение содержания общего азота происходило за счет увеличения его небелковой фракции. Таким образом, при затенении увеличивался уровень небелкового азота и снижалось накопление белка.

Опыты показали, что снижение интенсивности освещения, ослабляющее фотосинтез растений люпина, вызывало снижение и даже полное прекращение процесса азотфнкеашш {таблица 6},

Таблица 5

Содержание белкового азота в органах растений люпина при различных уровнях азотного питания и освещенности по фазам вегетации

({% на абсолютно сухое вещество)

Орган растения

Вариант лист стебель корень

опыта N9 Мм N3 и» N0 N'$0 N«4

Фаза бутонизации

Без затек. 3,65 3,48 3,50 1,43 1,55 1,28 1,98 1,88 2,03

Затенен. 1 3,37 3,17 3,89 1,31 1,49 1,50 2,04 1,76 2,оа

сутки 3 3,15. 2,95 3,34 1,54 1,4(1 2.1-7 1,98 1,67 1,91

6 3,06 2,73 2,94 .1,43 1.42 1.31 2,03 1,82 1,34

Фаза цветения

Без затеи. 3,27 3,31 3,27 1,31 '1,25 1,31 1,68 1,77 1,68

Затеи ей. 1 3,12 2.-Ю 2,50 1,25 1,42 1.40 1,35 .1,50 2 21 Т.6о

сутки 3 2.97 2,53 1,78 1,21 1.24 4,0« 1,30 11,45

6 3,05 2.19 1,29 1,08 1;15 1,ЗЭ 1,71 1,60 |1,78

Фаза образования зеленых бобиков

Б« затеи. 2,3» 2,80 2,60 1,32 1.45 1,26 1,62 КГхЭ 11,62

Затенен. 1 2,10 2,51 1,97 1,37 1 22 1,05 1,34 .1.6.1 1,89

сутки 3 2,04 2,24 1,61 1,37 1,32 1,28 >1,48 1,28 1.«8

6 2,02 ],д! 1,30 1,35 1,48 1.14 1,49 1,36 1,74 9

Данные таблицы 6 показали, что в фазу цветения на всех вариантах опыта азотфиксацня при затенении растений уже в течение суток уменьшилась в 10—15 раз. На варианте без азота после 6-суточного затенения азотфиксацня уменьшилась более чем в 40 раз, на варианте с 50 мг азота па кг песка процесс азотфиксацни прекращался после 6-суточного затенения, а на варианте с 200 мг азота на кг песка уже после затенения в течение 3 суток.

Таблица С

Изменение азотфикснрующей активности клубеньков люпина в зависимости от длительности затенения на различных уровнях азотного литания и в онтогенезе (мкЛ\ С}Н4 па г сырой биомассы клубеньков в час)

Фаза вегетации

Вариант бутонизация цветение образ, зелен, бобик.

опыта длительность затенения. сутки

1 3 6 I 3 6 I 3 6

м без затеи. ' 0 затеи. 0,55 0,32 1.54 0,02 3,74 0,01 1.11 0,58 2 »,54 0.13 17.61 0,01 10.41 0,47 7,2 ( 0,06 0,01

м без за ген. и затеи. 0,64 0,18 3,23 0.0» 4,19 0,01 5,7^ 0,31 ¡8,68 0,09 10,21 0,01) 7,60 0,33 0,33 0,01 0,(2 0,00

м без затеи. 1ч "'О затеи. 0,21 0,03 0,26 0,02 1,17 0,01, 1,44 0,18 0.85 0,00 0.94 0,00 1.04 0,11 1,19 0,00 0,41 0,00

3. Ассимиляция углекислоты и скорость ее поступления в органы растений люпина при различных типах азотного питания

Размер и интенсивность работы фотосннтетического аппарата в значительной степени определяются условиями минерального питания. Исходя из этого, изучение роли минерального азота в фотосинтезе является актуальной проблемой. Применение метода радиоактивных индикаторов позволило нам установить, как влияют условия азотного питания на интенсивность поглощения углекислоты и локализацию метки по органам растений люпина. Данные представлены в таблице 7.

Наибольшая активность ассимиляции ИС02 наблюдалась на варианте без азота. На варианте с 200 мг азота на кг песка она была на 20% ниже. Уже спустя 0,5 часа после экспозиции наблюдалось поступление метки в клубеньки, причем 0,37% от общей активности при симбиотрофном типе питания и только 0.07% при автогрофном. За 2,5 часа на безазотном варианте в клубеньки поступило в 7 раз больше меченной углекисло-

Таблица 7

Локализация "С по органам растений люпина при различных уровнях

азотного литании

£ Цз .2 = а о Часть растения Экстшшнн вегетация, час

0,5 1.5 2.5

ч " с Г? з ® ё ~ ^ . В й э£ с $ 1-1 х о 1- И - Я 5 " о « К -ь: ч ис? агд (-, ^ ^ г- сэ = а 5 ,->10 и о и

Клубеньки 0.10 0,37 0,2* 0,81 0,Г)7 2.17

V Корни 0,29 1,03 0,26 0,96 0,69 2,62

Стебли 2,90 10.31 1,70 17,46 5,90 22,61

Листья 25,00 88,29 22,00 80,86 10,00 71,Г) 7

Суммарная актив.

ность 28,00 100,0 28,00 100,0 28,00 100,0

Клубеньки 0,02 0,07 0)10 0,49 0,08 0„1Г>

Корн к 0,40 1,71 0,61 2,91 0.13 0,Г>9

-^гсо Стебли 3.00 .13.01 2,20 10.53 2,70 11,91

Листья 20,00 85, И) 18,00 «6,80 ■19,80 87,15

Суммарная актив.

ность 23,00 100,0 23,00 100.0 23,00 100,0

ты, чем на варианте с повышенным содержанием азота в питательной среде, в корни в 5 раз и в стебли в 2 раза. Неодинаковая интенсивность поступления продуктов фотосинтеза в корневые клубеньки при различных уровнях азотного питания сказалась на интенсивности азотфиксации (табл. 6). Наиболее активное поступление их на варианте без азота привело к тому, что значительное накопление продуктов фотосинтеза н клубеньках меньше снижало азогфиксацню даже после 6-су-точного затенения. Тогда как на варианте с 200 мг азота на кг песка, где поступление продуктов фотосинтеза отмечалось ниже, чем на варианте без азота, затенение в течение 3-х суток полностью подавило азотфикснрующую активность клубеньков.

Показано, что при экспонировании опытных растений люпина в атмосфере МС02 наиболее активно меченный углерод включался в группу Сахаров и белков при симбиотрофпом типе питания азотом. При повышенной норме минерального азота, 200 мг/кг песка в питательной среде, радиоактивность этих групп была почти в 2 раза меньше. Анализ группового состава соединений представлен в таблицах 8 и 9. После 2,5 часа вегетации при снмбиотрофном тине питания азотом наблюдалось накопление Сахаров в корнях, 35% от общей активности Сахаров в растении. Корень на данном варианте опыта выполнял аттрагнруюшую функцию для распределения Сахаров клубенькам, в процессе азотфиксации. Прн автотрофном типе питания в основном за счет азота удобрений роль такого рас-

п

Таблица 8

Включение "С в белок по органам растений люпина при различных уровнях азотного питания

К |> и о Часть растения Экспозиция вегетации, час

0.5 1.5 2.5

я к С 3 ё 9 м 2г О Ч Л г* он & 3 а 9 О д = еч Е -С о "с о 3 ё 9 ь ® о ц , сз О д 5 Зг5 о сз

Клубеньки 0,14 0.78 0,21 .1,15 0.69 3,73

V' Корни 0.44 2.46 0,45 2,49 0,52 2,80

.МО Листья 9,22 51,2') 10,47 58,12 15,33 82.73

Стебли 8,15 45,42 6,89 38,24 1,9Э 10,74

Общая активность '17,95 100,0 .18,02 100,0 18,53 .100,0

Клубеньки 0,13 1,52 0,19 2,56 0,28 3.67

V Корни 0Л7 1,96 0.29 3.88 0,32 4,29

Листья 1,44 17,04 2,67 а>,31 3,94 52.39

Стебли 6,74 79,48 4,40 58,25 2,98 39,65

Общая активности 8.4» 100,0 7,55 100,0 7,51 100,0

I Таблица!)

Включение "С в сахара по органам растений люпина при различных уровнях азотного питания

1 в Сьа в 1 Часть растения Экспозиция вегетации, час

0,5 1.5 г .5

5 г* Й = ? 3 Й о ** (- СО »р^а -Е г* У й Й1 ** (— а ° а Е п -Е г< о с О г- Ь* (й ° ЯЕ -->о к о «

Клубеньки 11,77 4.24 1.05 2,58 0,91 2,34

м Кирни 4.34 |10,43 Ш.44 28,02 13,95 35,68

Гчо Листья 26.51 63,78 20,42 50.03 117,33 44.43

Стебли 8,95 21,55 7,90 19,36 6,84 17,55

Общая активность 41,56 100.0 40,82 100,0 39,00 100,0

Клубеньки 0.56 2,73 0,27 1,44 0,21 1,22

Корин 4,92 23,87 4,63 24,94 1,311 7,74

Гчгоо Листья 7,91 38.38 5,06 27,27 4,45 26,38

Стебли 7,22 35.02 8.61 46,35 10,91 64,66

Общая активность 20,61 100,0 18,57 ■100,0 16,87 ¡00,0

пределительного центра принадлежала стеблю, в котором накапливалось 64% Сахаров, снабжающего корнн углеводами, которые усваивают минеральный азот. Значительное тормо-

жение включения меченного углерода в эти группы ассимиля-тов свидетельствовало об отрицательном воздействии повышенных норм минерального азопга на фотосинтез. 12

4. Изменение азотфикснрующей активности культуры люпина в онтогенезе к в течение суток при различных уровнях азотного питания

Между клубеньковыми бактериями и бобовым растением существуют определенные взаимоотношения: их азотфнкси-рующая активность зависит от физиологического состояния н фазы развития растения-хозяина. Динамика усвоения молекулярного азота из атмосферы культурой люпина в онтогенезе при различных уровнях обеспеченности минеральным азотом представлена в таблице 10.

Максимум интенсивности процесса азотфпксации у растений люпина наблюдался в фазу цветения, В фазу бутоннзаини азотфиксирующая активность клубеньков на варианте смешанного типа питания азотом была выше, чем на варианте без азота, Это объясняется тем, что небольшая норма минераль-

Таблица > 0

Изменение азотфикснрующей активности клубеньков люпина на различных уровнях азотного нитання и в онтогенезе (мкМ С2Н, на г сьгрой биомассы клубеньков в час)

Фаза вегетации, дни

Вариант опита бутонизация цветение образов, зелен, боб.

40 42 45 50 52 55 60 62 65

мв >|м 0,55 0,64 0,24 1,54 3,23 0,26 3,74 4,19 1.17 4.14 5,79 1,44 21,54 18,68 0,85 17,63 10,21 0,91 10,41 7,60 1,04 7,24 6,33 1,19 0,52 0,-12 0,41

ного азота способствовала хорошему развитию клубеньков в ранние фазы развития. Затем клубеньки хорошо развивались и на варианте без азота и уже в фазу цветения на этом варианте их азотфиксирующая активность выш'е, чем на варианте с 50 мг : азота на кг песка. Увеличение нормы азота до 200 мг/кг песка снижало азотфиксаиию во все фазы вегетации.

Жизнедеятельность клубеньковых бактерий в условиях симбиоза находится в тесной связи с физиологией высшего растения-хозяина, которая имеет ярко выраженный суточный ритм всех важнейших процессов. В наибольшей степени суточные ритмы проявляются в процессе фотосинтеза, интенсивность которого имеет немаловажное значение для продуктивности сим биотической азотфиксацин.

Показан суточный ход азотфиксацин культуры люпина в отдельные фазы онтогенеза. Максимум азотфиксацин как в фазу бутонизации (утренние чисы), так и в фазу цветения

(полдень) еоотйетстйойал .наиболее "активному фотосинтезу в дневные часы.; В ночное время интенсивность азотфиксацни снижалась почти в 2 раза.- В. ранние фазы развития (бутонн-заиня) наблюдалась более интенсивная фиксация азота из атмосферы люпином на варианте с 50 мг азота на кг песка, ио сравнению с вариантом без азота. Затем при развитии клубеньков в фазу цветения их азотфнкенрующая активность при снмбиотрофном типе питания не уступала по интенсивности клубенькам при смешанном типе питания. Повышение нормы азота в питательной среде до 200 мг/кг леска приводило к снижению азотфиксацнн но псе фазы вегетации.

' Заключение

Результаты применения азотных удобрений под люпин являются противоречивыми. Одни авторы считают, что люпин не требует внесения азотных удобрений (Доросинский, 1970; Трепачев, 1982), другие предусматривают необходимость применения повышенных норм азота под эту культуру (Лаврова, 1974; Посыпанов, 1977). Мы считаем, что одной нз главных причин получения противоречивых результатов действия минерального азота' на люпин является то, что авторы не учитывали условий фотосинтеза, которые, в большой степени влияют на эффективность симбиоза. В наших опытах в условиях пониженной освещенности при снмбиотрофном усвоении азота люпином прироста биомассы, т. е. видимого фотосинтеза, не' наблюдалось. В то же время при автотрофном питании сохранялся незначительный прирост массы растений. По нашему мнению, у.культуры люпина компенсационный пункт на световой кривой фотосинтеза лежит ниже ирн питании минеральным азотом, чем при усвоении молекулярного азота атмосферы.

Появившиеся в последнее время сообщения об эффективности .малых норм азота под люпин мало обоснованы и противоречивы. Нами было показано, что для люпина, как и для ряда других зернобобовых культур (Гукова, 1972, 1974), оптимальной нормой азота является 1/3 от общего его выноса-урожаем, необходима в начальную фазу развития и гарантирует повышение его урожая без снижения азотфнкенрующей активности. Этот уровень азотного питания создает наиболее эффективный симбиоз люпина с клубеньковыми бактериями,, когда-растение-хозяин предпочитает биологически связанный азот его минеральным соединениям в питательной среде и' строит свои белковые молекулы, используя фиксированныЙ-азог атмосферы (Хайлова; Жизневская, 1980).

Обнаружена специфическая реакция люпина на факторы азотного питания и действие света, В условиях автотрофного 14

питания н затенения в стеблях происходило увеличение содержания общего азота, что свидетельствовало об их акцепторной функции, а локализация НС в стеблях указывала на проявление их аттрагирующей функции в распределении продуктов фотосинтеза корням, усваивающим минеральный азот удобрений. Это подтверждает данные Измайлова (1982) о том, что осевые непоглошающне органы наряду с корнями н листьями являются важным звеном в жизнедеятельности растений, определяющим особенности их азотного питания.

Интенсивность работы фотосинтетнческого аппарата определялась условиями азотного питания. Наибольшая ассимиляция углекислоты и самое активное ее распределение отмечено при снмбиогрофном типе питания. Включение меченного углерода в группы белков и Сахаров при автотрофном типе питания было в 2 раза ниже, чем при симбнотрофном. Таким образом, степень обеспеченности клеток сахарами влияла на альтернативный выбор путей утилизации ее углерода в азотном обмене.

Выводы

1. Условия азотного питания оказывали существенное влияние на накопление сухой биомассы растениями люпина. Наибольшее накопление общей массы и зерна наблюдалось при смешанном .типе питания, при включении азота в питательную среду в количестве 50 мг/кг песка. Увеличение нормы азота до 200 мг/кг песка достоверно снижало общий урожай люпина.

2. Различия в характере роста люпина при разных уровнях обеспеченности минеральным азотом складывались на начальных этапах онтогенеза в процессе адаптации к условиям азотного питания и сохранялись до конца вегетации. Скорость прироста биомассы в фазы бугоннзацнн, цветения и образования зеленых бобиков апроксимнровалась уравнением линейной регрессии, причем параметры уравнения в зависимости от уровня азотного питания различались только значениями свободного члена. В период образования репродуктивных органов прирост биомассы практически прекращался на всех вариантах опыта.

3. Снижение интенсивности освещения уменьшало накопление биомассы растений люпина на всех вариантах опыта. В условиях затенения при симбнотрофном н смешанном типах питания не наблюдалось прироста биомассы, на повышенной норме минерального азота отмечен незначительный прирост биомассы растений в течение 6-и суток.

4. Уровень содержания общего азота в тканях различных органов люпина был практически одинаков при снмбиотроф-

ном н смешанном типах питания, но значительно повышался в стеблях при увеличении нормы азота до 200 мг в питательной смеси.

5. Доля факснрованного азота из атмосферы и минерального из удобрений в накоплении общего и белкового азота растениями изменялась в зависимости от обеспеченности минеральным азотом. При увеличении нормы минерального азота возрастала доля азота удобрений и уменьшалась доля азота, связанного снмбиотическнм путем.

6. При затенении опытных растений изменялось содержание как общего, так и белкового азота в различных органах. Увеличение содержания общего азота наблюдалось в течение первых суток в переходном процессе и сохранялось в последующие сутки в установившемся режиме фотоси-нтеза только в условиях автотрофного питания азотом. Затенение снижало содержание белкового азота на всех уровнях азотного литания.

7. Уменьшение освещенности растений люпина, ослабляя интенсивность фотосинтеза, подавляло и практически полностью прекращало процесс азотфиксации. Растения переходили к питанию за счет азота удобрений.

8. Интенсивность работы фотосннтетического аппарата определялась условиями азотного питания. Наибольшая ассимиляция углекислоты наблюдалась на варианте без минерального азота, при повышении уровня обеспеченности азотом до 200 мг на кг субстрата она снижалась на 20%. Самое активное распределение метки ИС по органам растений отмечено при снмбиотрофном типе литания. Включение меченного углерода в группы белков и Сахаров при автотрофном типе питания было в 2 раза ниже, чем при снмбиотрофном.

9. Исследования суточного хода азотфиксации и динамики усвоения молекулярного азота из атмосферы в онтогенезе люпина при различных уровнях азотного питания показали максимум интенсивности процесса азотфиксации в фазу цветения и в дневное время суток.

Опубликованные работы по материалам диссертации

1. Сазонов Ю. Г. Лзотфикснрующая активность клубеньков и урожай люпина в зависимости от уровня минерального азота.— Доклады ТСХЛ, 1980, вып. 263, с. 35—38.

2. Ягодин Б. Л., Мазель Ю. Я-> Сазонов Ю. Г. Фотосинтез и фиксация молекулярного азота у люпина при различных уровнях азотного питания. — Известия ТСХА, 1981, вып. 1, с. 191—194.

Л 76453 5/XI—83 г. Объем 1 п. л.

Заказ 2784.

Тираж 100

Типография Московской с.-к. академии им. К. А, Тимирязева 127550, Москва И-550, Тнмпрязсвская ул,. 44

Бесплатно