Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физиолого-биохимические особенности формирования семенных качеств яровой пшеницы в Якутии

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Физиолого-биохимические особенности формирования семенных качеств яровой пшеницы в Якутии"

Р Г б од

у) и....

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ БИОЛОГО-ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

КСЕНОФОНТОВА КЛАРА ИВАНОВНА

УДК 633.11. (571.56)

ФИЗИ0Л0Г0-ЕИ0ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СЕМЕННЫХ КАЧЕСТВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В ЯКУТИИ

03.00.12 - физиология растений

А в т ореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владивосток, 1994

Работа выполнена в Якутском институте биологии СО РАН

Научные руководители: кандидат сельскохозяйственных наук ИВАНОВ Б.И.,

доктор биологических наук

ютгнголъц Б..VI.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук АБРАМОВ А.Ф.

кандидат биологических наук КАРПОВ ¿.А. Ведущая организация: Центральный Сибирский

Ботанический сад СО РАН

Защита состоится "_"_199_г. в _часов на заседании Специализированного совета К 003.97.01 физиологии растений в Биолого-почвенном институте ДВО РАН по адресу: 690022, г.Владивосток, проспект 100-летия Владивостоку, д. 159

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке ДВО РАН (г.Владивосток)

Автореферат разослан г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

кандидат биологических наук И.И.Сибирякова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В Якутии возрождается интерес к собственному хлебопашеству. Так, в 1991 г. правительство республики приняло программу по интенсивному развитию земледелия, организована ассоциация "Саха бурдуга" (якутский хлеб), которая начала целенаправленную организацию местного семеноводства колосовых культур. На Северо-Востоке Россия Республика Саха (Якутия) является единственной областью, где возделывается пшеница на семена. В Восточной Сибири получение высоких устойчивых урожаев яровой пшеницы в сильной степени зависит от качества посевного материала, который испытывает отрицательное воздействие поздних весенних и ранних осенних заморозков, созревает в условиях повышенной влажности и низких среднесуточных температур.

Процессы формирования генеративных органов, количества и качества урожая яровой пшеницы под воздействием сложного комплекса агроклиматических условий достаточно полно освещены в отечественной литературе (Гребенников, 1949; Купермая, 1957; Княгиничев, 1958; Ацци, 1959; Кулешов, 1960; Носатовский, 1965; Строна, 1966; Павлов, 1967; Реймерс, Илли, 1969; Коданев, 1976; Кретович, 1981; Коновалов, 1981; Кумаков, 1985; Иванов, и др., 1985; Кондратьев, 1988 и др.).

На начальных этапах зернообразования происходит интенсивный синтез запасных веществ из того материала, который поставляют вегетативные органы растения. Важная роль в этих процессах принадлежит ферментам трансаминирования. Их активность повышается от стадии формирования зерна к молочно-восковой спелости и вновь снижается к концу созревания (Благовещенский, 1951; Кретович, 1981).

По мере созревания зерна азотистые вещества претерпевают су-дественнне изменения. При превращении простых соединений в белки -происходит резкое снижение количества небелкового азота (Коданев, Г976). По данным А.Н.Павлова (1967) в зерне, выращенном на Севере 1ри пониженных температурах, содержание небелковых азотистых ве-цеств доходило до 10,0-10,5% общего азота.

Исследованиями Н.Н.Кулешова (1934, 1947, 1963), Ф.Э.Реймерса, 1.Э.Илли (1969, 1974), Н.П.Козьминой (1976), З.Н.Галачаловой [1973, 1978), Б.И.Иванова и др. (1988), И.А.Григорюк, И.П.Шматько [1989) и др. установлено, что основными причинами низких семенных качеств зерна в северных районах Сибири являются растянутый процесс

формирования зародыша при низких среднесуточных температурах, особенно на фоне избыточного увлажнения, морозобойность зерен в период созревания на корню; высокая влажность зерен, приводящая к механическим повреждениям при уборке и снижению жизнеспособности семян в триод зимнего хранения.

Повышенное содержание воды в семенах снижает их устойчивость к охлаждению. Так, по данным Р.Б.Кондратьева (1988), семена пшеницы сорта Мильтурум 321 с влажностью 20%, зимой поело морозов (-35 -40°С) имели всхожесть 80%, к 21 апреля - 68, 20 мая - 30, а к I июня - 4%.

Длительное сохранение жизнеспособности возможно в состоянии анабиоза (Реймерс, 1979), при органическом покое (Николаева, 1967), глубина которого во многом зависит от соотношения содержания различных форм воды в объекте (Аскоченская, 1979, 1982).

Поэтому изучение физиолого-биохимических процессов в зерне в период его формирования, созревания и зимнего хранения, особенно в условиях экстремально низких температур Якутии, имеет существенное значение в решении многоплановой проблемы получения высоких и устойчивых урожаев яровой пшеницы в Сибири.

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучить эколого-физиологические и биохимические аспекты формирования хозяйственной продуктивности и семенных качеств зерна яровой пшеницы в Центральной Якутии. В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

- изучить эколого-физиологические особенности формирования и созревания семян яровой пшеницы в специфических условиях Якутии;

- исследовать физиолого-биохимические показатели, характеризующие состояние жизнеспособности семян в период зимнего хранения в условиях экстремально низких температур;

- выявить возможность применения сеникации для повышения семенных качеств пшеницы в Центральной Якутии.

Научная новизна. Впервые в Якутии получены количественные показатели, характеризующие жизнеспособность семян яровой пшеницы в процессе формирования и хранения при низких температурах. Показано наличие выраженной циклической динамики показателей энергии прорастания, всхожести семян находящихся в состоянии покоя. Впервые обсуждено предположение о функциональной роли низкомолекулярных метаболитов анаэробных процессов (эндогенного этанола

/'

и ацётальдегида) в обеспечении гомеостаза семян яровой пшеницы в период покоя.

Практическое значение. Результаты исследований могут быть использованы при разработке агротехнических мероприятий, способствующих наиболее полной реализации потенциальной продуктивности колоса, а также приемов по повышению семенных качеств зерна пшеницы на Северо-Востоке России.

Защищаемые положения. I. Агроклиматические условия Центральной Якутии в целом благоприятны для возделывания скороспелых сортов яровой пшеницы. 2.-Одной из систем низкомолекулярных метаболитов, регулирующих уровень обмена в семенах на разных стадиях их онтогенеза является эндогенные этанол-ацетальдегид. Смещение равновесия в этой системе в сторону эндогенного этанола за счет зинтеза специфических изоформ АДГ приводит к запуску анаэробных катаболических реакций, обеспечивающих низкий, но стабильный уровень гомеостаза в семенах в период хранения. Дальнейшее смещение равновесия в сторону этанола вместе с увеличением свободной зоды приводит к активации метаболических реакций,.выходу семян 53 состояния покоя,, запуску механизмов прорастания. Смещение рав- ■ ювесия в данной системе в сторону ацетальдегида приводит к углуб-гению состояния покоя за счет его высокой способности обратимо ¡нгибировать катаболические реакции. 3. Воздействия, приводящие с повышению содержания белков и других биополимеров в семенах ¡пособствуют повышению качеств семян яровой пшеницы при созрева-[ии и их жизнеспособности в период зимнего хранения за счет того, гго они связывают воду в гидратные оболочки, уменьшая долю свободной воды.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации вошли в ка-естве составных частей в заключительный отчет по теме "Изучить колого-физиологические и некоторые биохимические основы жизне-пособностя кормовых и овощных растений на Севере" (1986-1990 гг.) ! гос. регистрации 01.87.0007705), выполненной в Якутском Институте иологий СО РАН. Результаты исследований докладывались на IX сим-озиуме по биологическим проблемам Севера (Сыктывкар, 1981), XI импозиуме по биологическим проблемам (Якутск, 1986), на Между-ародном конгрессе 15 ТА (Новосибирск, 1990), на научных конфе-энциях Якутского института биологии, НПО "Якутское".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Объем и структура -работы. Диссертация состоит из введения,

5 глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на страницах машинописи, иллюстрирована 1Z рисунками и .£/ таблицами. Список литературы состоит из 188 наименований, в том числе /9 -иностранных авторов.

ОБЪЕКТЫ, МЕТОДИКИ И УСЛОВИЕ ЛРОВЗДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

I. Условия проведения исследований. О природно-климатических условиях Якутии имеется обширная литература (Визе, 1927; Шостакович, 1927; Колосков, 1932; Суслов, 1947; Воробьев и др.; 1952; Зольников, 1954; Шашко, 1961; Еловская, 1965; Гаврилова/ 1973; Саввинов, 1976; Саввинов и др., 1988 и др.). .

В настоящее время земледелие развито в основном в Центральной и Юго-Западной Якутии. Для температурного режима теплого периода характерно быстрое нарастание среднесуточных температур весной и резкое падение их осенью. Сумма активных температур (выше Ю°С) составляет 1200-1500°С. В год выпадает около 200 мм осадков, из них 50 мм в виде снега.

Для центральных районов Якутии характерны поздние весенние ï ранние осенние заморозки, которые ограничивают продолжительность безморозного периода. Так, в Якутске безморозный период в среднеи равен 95 дням с колебаниями по годам от 35 до 105, при продолжительности теплого периода (выше 0°С) около 145 дней.

За годы исследований (1970-1972; 1984, 1987-1989) отрицател! ное действие заморозков на хозяйственный урожай яровой пшеницы отмечено в 1970 и 1988 гг. В 1970 и 1971 гг. создались остро засушливые условия, когда за май - август выпало только 91 и 78 мм осадков, соответственно.

1984 и 1987 гг. по температурным условиям, сумме осадков и их распределению были типичными для района г.Якутска.

В 1988 г. первая половина периода зернообразования проходил; при благоприятных условиях: среднесуточная температура в период формирования семян составила 20,1°. Налив зерна совпал с резкой засухой - максимальные температуры воздуха поднимались до 36,8°. Очень быстрое обезвоживание колоса привело к резкому снижению хозяйственного урожая.

Самые неблагоприятные условия налива и созревания зерна сложились в 1989 г., когда среднесуточные температуры воздуха в пер; од формирования зерна составили 16,5°С, налива - 13,5°С, созревания - 14,3°С. В этом году произошло значительное снижение темпов налива и созревания, зерно убрали в сентябре в состоянии тестооб разной спелости.

Объекты, физиологические и биохимические методики. Полевые работы проведены на территории ботанического сада Якутского Института биологии СО РАН. Почва опытного участка- мерзлотный солонцеватый чернозем легкого механического состава.

Для исследований были использованы районированные в Якутии в разные годы сорта яровой мягкой пшеницы- Скороспелка улучшенная ( вегетационный период- 68-73 дня), Якутянка 224 (вегетационный период- 84-102 дня). В отдельных опытах для сравнительного изучения привлекался среднепоздний инорайонный сорт Ладе.

Посевы проводились на глубине 4-6 см вручную с площадью питания 10x4 см на делянках от 10 до 50 м^, в разные сроки: ранний ( середина мая), оптимальный ( конец мая ) и поздний ( первая декада июня). < ,

На орошаемом участке вегетационные поливы осуществляли дождевальной установкой КДУ-55М. Обработка почвы и внесение удобрений ( РЮцо осуществлялись в соответствии с агротехническими-мероприятиями, применяемыми в практике Якутии.

Исследование семян в процессе зимнего хранения проводили по следующим вариантам: I - семена с разной влажностью (10,15,18, 20 и более процентов) закладывали на хранение при комнатной температуре; 2 - семена с такой же влажностью в. зерновом складе без отопления ( минимальная температура минус 55°С).

Всожесть, жизнеспособность семян определялись по методам ГОСТ - стандартов: всхожесть- ГОСТ 12038-66; жизнеспособность-ГОСТ 12039-66; сила роста - ГОСТ- 12040-66; влажность - ГОСТ -12041-66.

Активность АДГ ет" прямой ( окисление этанола; АДГ^) и обратной (восстановление ацетальдегида; АДГ^) реакциях, АльДГ определяли в водных экстрактах зерна, корней, листьев, измеряя концентрации образующегося или расходующегося в процессе реакции НАДН, спек.трофотометрически.

Уровень эндогенного этанола определяли газохроматографичес-ки на серийном ГЖХ " Цвет- 110" с пламенно- ионизационным де -тектором на стальной колонке ( 0,2-0,25 мм ) длиной 2 м. Носители: Р0ЧАРАКф15 %- ной полиэтиленгликоль на хроматоне Ж>ИГ-ДАС.

Активность пероксидазы определяли спектрофотометрически 460 нм в реакции окисления - о - дианизидина, по накоплению продук-' та его окисления (~ Березин и др., 1976).

Определения активности аскорбиноксидазы, полифенолоксвдазы проводились по методике К.Л.Поволоцкой, Д.М.Седенко (1955); со-

держание аскорбиновой кислоты - по А.И.Ермакову и др. (1952) титрованием 2-6- дихлорфенолиндофенолом.

Статистическую обработку полученных параметров активности ферментов, концентрации этанола и ацетальдегида проводили с использованием критерия Стыодента при р ^ 0,01.

I. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБОТЩЕНИЕ

1.1. Эт^пы развития зерновок пшеницы. В связи с ослаблением реакции растений пшеницы на длину светового дня после фазы колошения, главным фактором, определяющим развитие растений, становится температура воздуха. Наиболее благоприятны для формирования и налива зерна температуры 16-23°С, для созревания - не ниже 16°С при относительной влажности воздуха около 50%.

В зависимости от влажности семян процесс зернообразования можно разделить на 3 фазы (Кулешов, 1951, 1960). В первой фазе (формирование семян), содержание влаги в зерне от 80 до 70%. Высокая оводненность семян обеспечивает нормальный водообмен, транспорт воды осуществляется по градиенту водного потенциала; наблюдает сч быстрый прирост как сырой, так и сухой массы зерновок. В конце фазы зерновки быстро увеличиваются в размерах и достигают своей конечной длины.

На втором этапе (налив зерна) влажность от 50-55% в начале, снижается до 45-40% в конце. Консистенция зерна от молочной в начале этапа становится тестообразной, а затем восковой. Как отмечают А.А.Прокопьев (1968), Н.А.Аскоченская (1984) в период налива зерна в семенах возрастает значение матричного потенциала. В результате связывания молекул воды макромолекулами запасных веществ, водопотеря в значительной степени происходит метаболическим путем.

В начале этапа сохраняются наиболее высокие темпы прироста сырого и сухого вещества зерен, которые постепенно снижаются к концу фазы (рисЛ).

На третьем этапе (фаза созревания) влажность зерновок становится ниже 40%. В этот период зерну свойственно быстрое обезвоживание и полное прекращение поступления пластических веществ в зерно. Объем зерна заметно уменьшается, оно становится твердым, приобретает окраску свойственную зрелому зерну. Влажность снижается до 18-22%. На последних этапах созревания потеря влаги теснее связана с метеоусловиями. Для сравнения на рис.1 представлены данные трех лет, резко отличающихся по метеоусловиям периода

80 г 60 АО

го

-I-1-1—г-

I

* О

■3

12 10 30 <>0 50

-т—1-1-1-1—г—

IÎ 10 J0 *0 50 Число Йне '-> or цветами»

Рис. I. Изменение сухой массы и влажности зерен яровой пшеницы в процессе созревания: А - Скороспелка улучшенная; Б - Якутянка 224; I - 1987; 2 - 1988; 3 - 1989 гг. Столбики - осадки - Q - 1987; Ц - 1988; Ц - 1989 г.

созревания: 1987 г. - средний, 1988 г. - засушливый, 1989 - влажный.

В 1988 году суточная интенсивность потери воды зерновками достигает 4-7$ и имеет выраженный пик на 25 день после цветения у Скороспелки улучшенной и на 28 день у Якутянки 224.

Во влажном 1989 году до фазы восковой спелости скорость потери воды зерновками была невысокой у обоих сортов (1,1-1,8$ в сутки). Осадки выпадавшие в этот период, еще более снижали эти показатели до минимума. Наиболее высокая суточная интенсивность потери воды зерновками наблвдалась в 1989 году на 40 день после цветения.

Поскольку наряду с соотношением свободной и связанной воды

в семенах их качество определяется биоэнергетическими реакциями мы изучили некоторые ключевые оксидазы и дегидрогеназы в процессе формирования и созревания семян пшеницы.

1.2. Динамика активности некоторых оксиредуктаз в процессе созревания пшеницы. В качестве оксидаз были изучены аскорбинокси-даза, полифенолоксидаза, пероксидаза, а дегидрогеназ - алкоголь-дегидрогеназа тканей растений.

Посевы производились в три срока с интервалами в 10 дней: во второй и третьей декадах мая и в первой декаде июня.

Полифенолоксидазы и аскорбиноксидаза, катализируя окисление конденсированных полифенолов или восстановленной формы аскорбиновой кислоты молекулярным кислородом или его производными, являются, с одной стороны, ферментативными оксидантами, защищающими растительные клетки от токсического действия свободных радикалов, а с другой, эти ферменты вовлекают восстановительный потенциал полифенолов и аскорбиновой кислоты в катаболический обмен, восстанавливают кислород на заключительном этапе дыхания. Т.е. эктие ность этих ферментов с одной стороны отражает активность аэробных биоэнергетических реакций, а с другой, степень неспецифической антистрессовой устойчивости растений.

Пероксидаза, окисляющая ароматические амины и фенолы перекисью водорода, образующейся при дезинтоксикации супероксидрадика-лов супероксидисмутазой, входит во вторую цепь ферментативных антиоксидантов и отражает интегральный уровень оксидазных реакций в клетке.

Алкогольдегидрогеназа определяет равновесие в метаболической системе спирты: альдегиды. Поскольку она является одной из типичных НАД- зависимых дегидрогеназ, то ее активность может служить критерием общего уровня анаэробных катаболических реакций.

Следовательно определяемый набор ферментов позволил проследить уровни и соотношение аэробных и анаэробных катаболических реакций, степень ферментативной антиоксидантной защиты в процессе созревания пшеницы.

Аскорбиноксидаза. В сухих семенах перед посевом аскорбинокси дазная активность не обнаруживалась. В заметных количествах окисление аскорбиновой кислоты наблюдается в наклюнувшихся семенах.. В пересчете на I г сырой массы за 30 минут в семенах первого срор посева окислилось 1,2; второго - 0,9 и третьего 2,1 мг аскорбиновой кислоты, т.е. в семенах первого и особенно третьего сроков се

за аскорбиноксидаза оказалась более активной, чем при втором зроке.

Увеличение активности аскорбиноксидазы связано с наиболее ответственными периодами онтогенеза растений - с началом заклад-си и формирования репродуктивных органов. Причем в листьях растений , подвергавшихся в начале развития длительному воздействию газких температур {ранний срок сева) или прогрессирующего засы-сания почвы (поздний срок сева), т.е. при действии стресс-факторов активность ее в эти периоды повышается более резко, чем при посеве в сроки, исключающих их влияние.

Активность аскорбиноксидазы в зерновках повышена в начале формирования и постепенно снижается по мере их созревания [табл.1). При этом, чем ниже температура среды в период формирования зерна, тем выше активность фермента.

Таблица I

Активность аскорбиноксидазы в формирующихся зернах

(в мг окисленной аскорбиновой кислоты за 30 мин на I сырой и абсолютно сухой массы)

Масса Начало Начало Молочная Восковая

формиро- налива спелость спелость

вания

зенен

¡ырая 10,6 3,5 3,4 1.6

!ухая - 13,7 6,5 2,4

Долифенолоксидаза. Активность полифенолоксидазы определяли гри двух рН среды - 5,0 и 7,5 с использованием в качестве суб-¡трата пирокатехина. Полифенолоксидазная активность в покоящих-!Я семенах обнаруживается при обоих рН среды, притом в кислой :реде она почти вдвое выше (табл.2).

Таблица 2

Активность полифенолоксидазы в семенах пшеницы (в мг на окисленной аскорбиновой кислоты за 30 мин на I г абсолютно сухой массы)

!рок Перед посевом Б наклюнувшихся семенах

рН 5,0 рН-7,5 рН 5,0 рН 7,5

. 4,4 2/7 174 0~

4,4 2,7 9,3 4,7

4,4 2,7 2,4 2,0

С началом прорастания в семенах двух сроков посева, наклюнувшихся при низких температурах почвы или недостатке влаги, активность ее становится ниже. Тогда как при более благоприятных условиях прорастания, особенно в кислой среде, наблюдается заметная активация фермента.

В формирующихся зернах полифенолоксидаза наиболее активна в нейтральной среде. Однако характер изменений ее активности в ходе формирования зерен при обоих рН среды одинаков (табл.3), у растений всех испытанных сроков сева.

Максимальная активность фермента при обоих рН среды обнаруживается в период налива зерен и постепенно снижается по мере их созревания. При этом полифенолоксидазная система более активна в зерновках растений второго срока сева. Изменения активности полифе нолоксидазы при разных рН среды могут быть связаны с множественностью форм фермента ( На^ег , 1964; Сопнагт йео/^вг^ , 1967). Изменения функциональной деятельности фермента, по-видимому, имеют также адаптивный характер и связаны с регуляцией ростовых процессов. По данным М,Я.Школьника и др. (1981) повышение активности полифенолоксидазы в растениях приводит к накоплению фе-нольных ингибиторов роста. По нашим данным с ингибированием ростовых процессов связана активация полифенолоксидазы с при рН 5,0, тогда как повышение активности ее формы с Утях при рН 7,5 характерно для растений с интенсивным ростом. То есть полифенолоксидаза 5,0) катализирует реакции синтеза фенолъ-ных ингибиторов роста } а изофермент с рН^^7,5 участвует в реакциях ферментативной антиоксидантной защиты.

Таблица 3

Активность полифенолоксидазы в формирующихся зернах (в мг окисленной аскорбиновой кислоты за 30 минут на I г массы)

Г?11 ^'Рок £ач- Начало налива Воск.спелость Поли.спел.

фермента сева форм. -

зерен сырой абсол. сырой абсол. сырой абсол вес сухой вес сухой вес сухой вес» вес вес

рН 5,0 I 0 8,0 28,4 0,3 0,5 0,6 0,8

И П 0 9,1 35,6 6,4 12,3 0,3 0,5

II ш 0,4 1.9 6,6 6,0 17,8 0 0

рН 7,5 I 8,8 10,0 35,4 4,1 7,9 0,6 0,8

«1 П 3,9 13,7 53,4 8,7 16,8 5,2 7.7

1» ш 3,5 9,8 34,8 9,4 2 4,8 1,1 2,0

Алкогольдегидтогенаэа и петюксидаза. Изучение активности АДГ в реакции окисления этанола (АДГ^ и восстановления ацеталь-дегида (АДГ^), АлъДГ в зерне, корнях и листьях вегетирующих растений пшеницы двух сортов (Скороспелка улучшенная и Якутянка 224) показало, что независимо от сортовых различий на ранних стадиях вегетации активности ферментов малы и близки между собой. Активность АЮ^- и АДГз составляют в формирующемся зерне от 0,2 до 2,0 мкмоль/мин г ткани, в листьях не превышает 0,3-0,4, а в корнях - 0,1-0,2 мкмоль/мин.г, в корнях вислое до 20 см доходит до 0,6, а в слое 20-40 см увеличивается до 0,7-1,0 мкмоль/мин.г (рис.2), При этом с увеличением глубины расположения корней растет активность АДГ^ и АДГ2-

По-видимому, на этапах прорастания семян (начиная с 3-х суток) анаэробные биоэнергетические процессы играют малую роль.. Так, при прорастании семян пшеницы сорта Якутянка 224 происходит резкое увеличение активности пероксидазы (фермента характеризующего интегральную активность оксидазных процессов в клетке) при снижении активности АД^ (табл.4). Причем отличие между проросшими и непроросшими, но жизнеспособными семенами (жизнеспособность по тетразолиевому методу составляла 95-96$) касались прежде всего способности к икдуцибельной активации пероксидазы, но не АД^ (табл. 5).

На более поздних стадиях созревания зерна, в семенах резко начинает возрастать активность АДГ. без увеличения активности АльДГ. Так, в фазе восковой спелости АДГ1 достигает 5-6, а АД^-7-13 мкмоль/мин.г (рис.2), при этом величина АЩ^ Растет интенсивнее, чем АДГр и в созревшем зерне АД^ в 1,7-2,2 раза выше АДГр Причем, если на ранних стадиях вегетации (стадия колошения) активность пероксидазы в зерне в 5-7 раз выше, чем АДГ, то стадии восковой спелости она становится в 1,1-1,3 раза ниже АДГ1 и в 2,2 - 2,8 раза меньше АД^.

Это указывает на значительное возрастание роли дегидрогеназ-ных реакций в биоэнергетике семян пшеницы на завершающих стадиях созревания. По-видимому, метаболиты этих процессов участвуют и в регуляции (снижение интенсивности) обмена веществ в созревших семенах. А само переключение метаболизма на дегидрогеназные реакции способствует развитию в семенах состояние гипобиоза, сохранению питательных веществ до момента прорастания в следующем вегетационном цикле.

Активность

лнсиоль/чин-г

Рис. 2. Активность АДГ в реакции окисления этанола (I) и восстановления ацетальдегида (2) в реакции окисления ацетальдегида (3) в зерновках (колосе) пшеницы "Якутянка 224" в процессе созревания

Высокая активность де чидрогеназ сохраняется далее в течение всего периода вынужденного покоя, с сентября*по май следующего года.

Таблица 4

Активность АДГ и пероксидазы в период прорастания семян пшеницы сорта Якутянка 224 (мкмоль/миег.г) ■ .

Период с АДГТ • • Пероксидаза

начала про--£-

растания зерновка корешки зерновка корешки проростки (сутки;

0 3,3 + 0,3 3,3 + 0,2

1 2,5+0,3 3,4+0,2 10,8+1,1

2 1,9 + 0,2 2,3 + 0,3 7,0 + 0,7 30,8+2,8 5,6 £ 0,6

3 0,8 + 0,1 51,4+4,9

4 1,2+0,1 1,1+0,2 60,8+5,3

5 0,2+0,050,4+0,1 8,5+0,9 67,5+5,5 7,7 ± 0,8

6 ■ 0 69,0+5,7

Таблица 5

Активность АДГ}- и пероксидазы в жизнеспособных и находящихся в состоянии покоя семенах пшеницы сорта Скороспелка улучшенная (мкмоль/мин.г)

Состояние Период с начала . АДГ. семян увлажнения (сутки) -1

Пероксидаза

Жизнеспособные непро-росшие семена

Проросшие семена

Контроль (сухие семена)

I 3

I 3

4,3 + 0,4 4,6 + 0,4

3,1 + 0,3

0,7 + 0,1

3,8 + 0,3

2.4 + 0,2

3.5 + 0,3

7,2 + 0,7 8,5 + 0,8

3,0_+0,3

2. ПОСЛЕУБОРОЧНОЕ ДОЗРЕВАНИЕ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА ПШЕНИЦЫ

2.1. Послеуборочное дозревание. В 1988 году налив и созревание семян происходили при высоких температурах и дефиците осадков. При этих условиях послеуборочное дозревание семян у скороспелого сорта Скороспелка улучшенная и среднепозднего Якутянка 224 закончились почти одновременно к концу августа (всхожесть составила 100%, энергия прорастания - 98%). В 1989 году осадки и сопутствующие им низкие температуры привели к сильной задержке налива и созревания семян. Лабораторная всхожесть и энергия прорастания семян сорта Скороспелка улучшенная достигли кондиционных показателей в конце сентября - начале октября (продолжительность послеуборочного

дозревания - 21 день). А у более позднеспелого сорта Якутянка 224 •показатели лабораторной всхожести и энергии прорастания постепенно повышались до середины ноября, продолжительность послеуборочного дозревания составила 75 дней.

2.2. Качество зерна. Климатическими факторами, определяющими высокую белковость зерна в Якутии, является: общая засушливость периода вегетации, относительно высокие температуры летних месяцев, большое количество солнечных дней, своеобразные условия в период созревания.

Содержание белка в сравнительно влажные годы (1969 г.) замет -но снижается (16,5 - 18%). В засушливые годы (1970-1972 гг.) белковость зерна повысилась до 21% у сорта Скороспелка улучшенная. Увеличение белковости зерна в засушливые годы с одной стороны можно объяснить уменьшением числа зерен в колосе, что привело к лучшему снабжению развивающихся зерен азотистыми веществами, с другой ■ жаркая ясная погода в период налива и созревания зерна способствовала лучшему оттоку в зерно азотистых веществ из вегетативных органов, колосковых чешуй и остей колоса.

Фракционный состав белка в зерне сильно зависит от сортовых особенностей и метеорологических условий (табл.6).

Таблица 6

Фракционный состав белков пшеницы в фазе восковой спелости

Сорт Суша Альбумины Глиадннн Глютели- Общий

осадков и глобули- ны белок,%

(май-август) ны (и^х5,7)

1970 (влажный)

Скороспелка улучшенная 25,6 28,8 40,3 17,6

Якутянка 224 90,3 21,4 29,3 39,9 20,1

Победа 23,6 1971 (засушливый) 33,2 38,0 18,2

Скороспелка улучшенная 33,23 32,95 33,8 19,3

Якутянка 224 57,6 32,87 29,06 38,06 15,9

Победа 32,62 30,18 37,19 18,0

В резко засушливом 1971 г. по сравнению с относительно влажным 1970 г. содержание альбуминов + глобулинов в зерне несколько повышено, что, по-видимому, связано с усиленным гидролизом сложных конститутивных и снижением синтеза запасных белков под влиянием засухи.

В зерне пшеницы глиадины и глютелины, входящие в состав запасных белков, синтезируются с неодинаковой интенсивностью: глю-телины накапливаются гораздо интенсивней глиадинов: уже в фазе молочной спелости его количество превышает содержание глиадина примерно в 1,5 раза. В фазе восковой спелости глиадины и глюте-лины достигают своего максимального уровня. В фазе полной спелости их содержание не изменяется или несколько уменьшается. Накопление ' глютелина в зерне заканчивается раньше глиадина. Количество небелкового азота в процессе созревания зерна резко снижается, от 24-35$ от содержания общего азота в фазе молочной спелости до 8-15$ в фазе полной спелости. Такое несколько повышенное содержание небелкового азота по сравнению с зерном из более южных и западных районов России, по-видимому, связано с тем, что в условиях резко понижающихся среднесуточных температур воздуха в Яку-* тии, синтез белков отстает от притока растворимых азотистых соединений. Это свидетельствует о незавершенности процессов созревания семян, особенно у среднепоздних сортов.

2.3. Влияние сеникации на урожай и качество зерна. В Центральной Якутии в большинстве лет погодные условия не благоприятствуют нормальному протеканию налива и созревания зерен яровой пешницы. Высокая относительная влажность, низкие среднесуточные температуры воздуха осенних месяцев приводят к задержке созревания зерна. При длительном воздействии температур ниже Ю°С созревание зерен затягивается и возрастает угроза повреждения урожая раннеосенними заморозками. Морозобойные зерна, даже при удовлетворительной лабораторной всхожести, на поле дают изреженные всходы. Для избежания таких нежелательных явлений при возделывании пшеницы в условиях Сибири в 60-х годах В.Ф.Альтерготом был предложен метод сеникации.

Нами в качестве сеникантов, наряду с ранее применявшимися для сеникации водных растворов аммиачной селитры (5$) и мочевины (20$), впервые в Якутии испытаны азотсодержащие сложные удобрения, которые в последнее время доставляются в нашу Республику (аммофос и диаммофоска).

Из испытанных 8 вариантов с использованием различных концентраций мочевины, аммиачной селитры, диаммофоски наиболее перспективными оказались: 30$-ные водные растворы аммофоса и диаммофоски, а также 20$-ный водный раствор суперфосфата. На этих вариантах получена достоверная прибавка к урожаю от 3 до 12 ц/га. При-

бавка урожая от сеникации нивелировалась в благоприятном 1987 году 2-4 ц/га, а в годы неблагоприятные для созревания зерна (1988 и "1989 гг.) она увеличивалась до 11-12 ц/га.

Обработка посевов сеникантами на всех вариантах опытов и во bee годы повышала содержание белка на "1,0-2,1$. сбор белка на 0,8-1,8 ц/га. После сеникации наблюдалось интенсивное обезвоживание всего растения, в том числе зерна. Так, на 10 день после сеникации- зерна растений, обработанных диаммофоской, имели влажность 40% против 46%.

3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ХРАНЕНИЯ НА СЕМЕННЫЕ КАЧЕСТВА ЗЕРНА

В Якутии, где хозяйства не имеют материально-технической базы для обработки и хранения зерна, посев ежегодно проводится се-менами^с крайне низкими качествами. _ , f

- Факгбром действующим на хранящиеся семена в Якутии является экстремально низкая температура зимнего периода, которая может ■ способствовать как сохранению, так и снижению жизнеспособности семян.в период вынужденного покоя.

3.1. Изменчивость семенных качеств зетзна в период зимнего

*хранения. При всех изученных наш условиях зимнего хранения зерен наблюдается колебательный характер изменений параметров их жизнеспособности (рис.3). Смещение влажности зерна от оптимальной в сторону снижения или повышения, не нарушая колебательного характера изменений, увеличивает его выраженность. Это явление, по-видимо-~му, указывает на наличие общих физиолого-биохимических механизмов, " способствующих, с одной стороны, поддержанию метаболических процессов на определенном уровне, обеспечивающем сохранение биологической целостности клеток и организма, а с другой, не позволяющих реакциям жизнедеятельности увеличивать свою интенсивность. Взаимодействие этих двух процессов и определяет, по-видимому, наблюдаемую колебательную динамику.

3.2. Роль метаболизма эндогенных этанола и ацетальдегида в обеспечении жизнеспособности семян пшеницы при хранении. В качестве одной из возможных систем эндогенной регуляции процессов, определяющих сохранение жизнеспособности при зимнем хранении зерна ■ (вынужденный покой), а также в состоянии биологического покоя, в начальных фазах процесса прорастания, нами, изучена система метаболитов этанол-ацетальдегид при формировании и хранении зерна.

В период хранения зерна с октября по май уровень эндогенного

этанола и особенно ацетальдегида в семенах сохранялся достаточно высоким (рис. 4). Соответствующие временные динамики описывались кривыми с максимумом в декабре - январе.

Рис.,3. Всхожесть (1,3,5) и энергия прорастания (2,4,6) семян пшеницы Скороспелка улучшенная.

Условия хранения: температура - минус 30-50°С; влажность зерна - 11,4-13,3% (кривые 1а 2 ) и влажность зерна 16,0-16,5 (кривые 3 и 4); температура - плюс 20-25°С; влажность зерна - -4,8-8,0% (кривые 5 и 6)

Анализ полученных результатов позволяет высказать следующие предположения относительно роли низкомолекулярных алифатических спиртов и альдегидов (на примере этанола и ацетальдегида) в метаболизме организмов растений в различных физиологических состояниях.

Процесс анаэробного спиртового окисления углеводов важен, по-видимому, не только с точки зрения обеспечения растений энергией

в период дефицита кислорода и отсутствия фотосинтетизеских реакций, но и определяет функционирование одной из важнейших регуля-торных метаболических систем этанол-ацетальдегид.

(а(¡¡¡¡шьв!

17 Ш 1.9 Ш 1.11 иг 1.1 !.! 1,3 и а и Пата

Рис. 4. Динамика содержания эндогенного этанола (I) и аце-тальдегида (2) в зерновках пшеницы "Скороспелка улучшенная" в течение года (формирование, созревание, покой,-дозревание, хранение, прорастание) при комнатной температуре *

Особую роль, вероятно, приобретают эти реакции в обеспечении сохранения жизнеспособности в период начального роста и развития, созревания семян, а также вхождения их в органический покой и нахождения в состоянии вынужденного покоя в период зимнего хранения.

При хранении зерна в зимний период для обеспечения метаболических процессов на минимальном уровне (для того, чтобы с одной стороны, клетки не погибли бы из-за отсутствия энергии, а с другой - не истощились бы энергетические ресурсы) оптимальным, по-видимому, катаболическим процессом является периодически активирующееся анаэробное окисление углеводов до этанола, с участием АДГ, . т.е. частичное переключение превращения пирувата в ацетилкоэнзим -

А, на превращение в ацеталъдегид при значительном общем замедлении окисления углеводов. Образующийся этанол и ацеталъдегид функционально дополняют друг друга: этанол является удобной, нетоксичной формой депонирования катаболического субстрата легко моби-лизирующегося при необходимости, выполняет ряд защитных функций; альдегид необходим как ингибитор катаболизма (чтобы углеводы и накопившийся этанол не могли бы быстро окислиться дальше с получением большого количества энергии), способствующий формированию состояния "гипобиоза".

ВЫВОДЫ

В Восточной Сибири, особенно,в Якутии, получение высоких и устойчивых урожаев яровой пшеницы определяется качеством посевного материала, который созревает здесь в условиях низких среднесуточных температур, испытывает отрицательное воздействие заморозков, имеет повышенную влажность при уборке.

Анализ результатов исследований по изучению эколого-физио-логических особенностей формирования и сохранения семенных качеств зерна яровой пшеницы в Якутии позволяет сделать следующие выводы:

1. Агроклиматические условия Центральной Якутии обеспечивают ежегодное получение высококачественного зерна у скороспелых сортов, созревающих до наступления ранних осенних заморозков (15-20 августа).

В зерне среднепоздних и позднеспелых сортов высокая белковость сопровождается повышенным содержанием небелкового азота (до 8-15$), что свидетельствует о незавершенности процессов созревания.

2. Зерно яровой пшеницы, имеющее влажность выше 16$, в период хранения в условиях экстремально низких температур Якутии, сильно теряет посевные качества.

Показатели энергии прорастания, всхожести и концентрации эндогенных метаболитов клетки (этанол, ацеталъдегид) в период зимнего хранения независимо от качества семян, сортовых особенностей и температурных условий хранения ритмически изменяются.

3. Установлено участие системы эндогенных метаболитов этанол-ацетальдегид в обеспечении стабильности гомоестаза и сохранении высоких семенных качеств зерна пшеницы на разных стадиях онтогенеза. Эндогенный ацеталъдегид т^аствует, по-видимому, в торможе-

нии прорастания зерен на корню и обеспечении гомеостаза семян в состоянии вынужденного покоя на низком, но стабильном уровне. А этанол является оптимальной формой биоэнергетического субстрата в самые первые часы (до 2 суток) прорастания семян и период зимнего хранения.

4. Уровень ацетальдегида в семенах, соотношение концентраций ацетальдегида к этанолу определяется активностью и каталитическими свойствами ферментов алкогольдегидрогеназы (АДГ).и аль-дегиддегидрогеназы (АльДГ), а функциональные колебания уровней этих метаболитов хорошо описываются изменениями АДГ} и АД^ в совокупности с изменениями активности АльДГ.

5. Жизнеспособность семян при прорастании связана с резким повышением активности пероксидазы (фермента, характеризующего интегральную активность оксидазных процессов в клетке) при снижении активности АД^, т.е. со сменой дегидрогеназных процессов на оксидазные.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Слепцова К.И. О содержании белка и нуклеиновых кислот

в зерновках различных сортов пшеницы при выращивании в условиях Центральной Якутии// 0 физиол.-биох. и генет.пробл. Севера: ЯФ СО АН СССР, 1971. - С.44-45.

2. Слепцова К.И. Динамика нуклеиновых кислот и нуклеазной активности у пшеницы в процессе индивидуального развития// Физиол.-биох. исслед.растений в Якутии: ЯФ СО АН СССР, КБ, 1974. -С.78-87.

3. Слепцова К.И. Суточная динамика изменения нуклеиновых кислот, белка и хлорофилла у яровой пшеницы// Биол.пробл.Севера (БНГИ) ЯФ СО АН СССР, Якутск: 1974. - С.3-4.

4. Слепцова К.И. Динамика активности ферментов в онтогенезе пшеницы// Физиол.-биох. основы-адаптации растений к условиям Севера. - Якутск: ЯФ СО АН СССР, ИБ, 1976. - С.55-59.

5. Слепцова К.И. Белки и нуклеиновые кислоты в онтогенезе пшеницы// Экол.-биол.исслед. организмов высоких широт. Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1976. - СЛ06-Л0.

6. Слепцова К.И. Влияние экстремальных факторов на нуклео-тидный состав РНК пшеницы// Охрана окружающей среды и забота о здоровье человека в условиях Крайнего Севера. - Якутск, 1978. -С.48-50.

7. Ксенофонтова К.И., Анасимова К.А. Экологические особенности роста и развития зерновых культур в условиях Якутии// IX симпоз. по биол.пробл. Севера. Сыктывкар, 1981. - С.

8. Ксенофонтова К.И. Влияние условий зимнего хранения на жизнеспособность семян// XI симпоз. по биол.пробл.Севера. -Якутск: ЯФ СО АН СССР, ИБ, 1986. - С.116.

9. Иванов Б.И., Кершенгольц Б.М., Ксенофонтова К.И., Рого -жин В.В. Эколого-физиологические и некоторые биохимические аспекты жизнеспособности семян пшеницы в период зимнего хранения

в условиях Якутии// Деп. в ВИНИТИ, № 6629-В88. - 1988. - 30 с.

10. Ivanov B.I., Kershenhols B.li. , Ksenofontova K.X., Egoro-va P.3., Rogozhin V.V. Wheat seed formation and storage regularities in Yakutia in some biochemical mechanisms of endo- and exogenousre-gulation of their viability // Abstracts of papers.- Novosibirsk, Siberia, July 18-20, 1990.- Zurich, Switzerland, 1990.- p. 17-18

11. Ксенофонтова К.И. Изменение активности алкогольдегидро-геназы и альдегидцегидрогеназы в онтогенезе растений пшеницы// Этанол и его метаболизм,в высших организмах. Якутск: ЯНЦ СО РАН СССР, 1990. - С.35-40.

12. Ксенофонтова К.И. Эндогенный этанол и ацетальдегид в обмене веществ в семенах пшеницы// Этанол и его метаболизм в высших организмах. Якутск: ЯНЦ СО РАН СССР, 1990. - С.46-56.

/Гс^-Г