Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАЦИИ МЕЖДУ ПРОЦЕССОМ ПОГЛОЩЕНИЯ НИТРАТА И АКТИВНОСТЬЮ НИТРАТРЕДУКТАЗЫ У ПОДСОЛНЕЧНИКА

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАЦИИ МЕЖДУ ПРОЦЕССОМ ПОГЛОЩЕНИЯ НИТРАТА И АКТИВНОСТЬЮ НИТРАТРЕДУКТАЗЫ У ПОДСОЛНЕЧНИКА"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

На правах рукописи РЕДДИ БАНДИ ПРАБХАКАР

УДК 631.811.1

ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАЦИИ МЕЖДУ ПРОЦЕССОМ ПОГЛОЩЕНИЯ НИТРАТА И АКТИВНОСТЬЮ НИТРАТРЕДУКТАЗЫ У ПОДСОЛНЕЧНИКА

(03.00.12 — физиология растений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1982

^^¿иг ^сс-^ ~ ^

Работа выполнена на кафедре физиологии растений Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических наук, старший научный сотрудник Е. Е. Крастина.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор А. Н, Павлов; кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Н. Д. Алехина.

Ведущее учреждение — Институт физиологии растений АН СССР.

Защита состоится « » . , . . . 1983 г.

в «* час, на заседании Специализированного совета Д-120.35.07 при Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

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

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан « Во. » . . 1982 г.

Ученый секретарь Специализированного совета — доцент

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследование координации поглощения и восстановления нитрата на уровне целостного растения необходимо для выяснения причнн избыточного накопления нитратного азота в биомассе сельскохозяйственных растений, так как повышение его концентрации выше определенного предела вызывает патологические явления в организме чело* века -и животных, потребляющих растительную продукцию. Для самого растения накопление нитрата в тканях не являет* ся токсичным, поэтому оно рассматривается как защитная реакция, которая способствует предохранению растений от накопления токсичных промежуточных продуктов ассимиляции нитратного азота. Предполагается, что биологические механизмы ингибирования активности нитратредуктазы (HP), катализирующей первичное восстановление нитрата, играют существенную роль в этой защитной реакции растений (На-geman, Plesher, I960), Наряду с этим в растениях должны быть биологические механизмы, с помощью которых стимулируется активность HP при благоприятных для ассимиляции нитратного азота условиях. Поскольку HP принадлежит к числу су бстр ат и н д у ци р у е м ы х ферментов, наибольший интерес представляет вопрос о зависимости активности HP от интенсивности поглощения растениями нитрата, В литературе имеются противоречивые данные по этому вопросу. Одни авторы нашли тесную корреляцию между поглощением растениями нитрата и активностью HP в их тканях (Weissman, 1951; Lycklama, 1963; Breteler et al.. 1979 и др.). Другие получили отрицательные данные по этому вопросу (Bowerman, Goodman, 1971; Sahulka, 1977 и др.). Следовательно, необходимы дальнейшие исследования и новые методические подходы для решения вопроса о наличии или отсутствии внутренней координации процессов поглощения « восстановления нитрата у целостных растений. Актуальность таких исследований определяется большой теоретической и практической значимостью познания явлений регуляции азотного питания растений.

] &нтр, пгнаан бййшюгзка j йэг.н. срд, Ямш оо ль те i.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационной работы было определение наличия или отсутствия координации между интенсивностью поглощения нитрата и активностью НР в корнях растений подсолнечннка, выращиваемых при достаточном уровне нитратного питания, когда субстратная индукция НР не является лимитирующим фактором первичного восстановления нитрата. Для достижения этой цели использовались два методических подхода. Первый заключался в сопоставлении изменений интенсивности поглощения нитрата и активности НР у растений через несколько часов после дополнительного внесения ионов аммоння в питательный раствор. Вторым приемом было использование метода биоритмологии; определялось наличие временной координации между суточными ритмами поглощения нитрата и активности НР в корнях у растений подсолнечника при контролируемых условиях внешней среды. ■ . "

Конкретные задачи экспериментов были следующие:

1. У растений подсолнечника сопоставить изменения- интенсивности поглощения нитрата и активности НР в корнях, возникающие под влиянием разных концентраций ионов аммония, внесенных дополнительно в питательный раствор.

2. Выявить зависимость указанных выше изменений от предшествующих световых условий, определяющих обеспечение корней подсолнечника фотоассимилятамн,

3. Для характеристики функциональной активности корней опытных растений определить влияние дополнительного внесения ионов аммоння на поглощение ими катионов К, Са, М^ и воды.

4. Установить оптимальную концентрацию нитратного азота в питательном растворе для проявления суточного ритма поглощения нитрата растениями подсолнечника в конкретных для наших опытов внешних условиях.

5. Сравнить суточные изменения поглощения нитрата и и активности НР в корнях у растений подсолнечника.

Научная новизна. Использованные в экспериментах методические подходы позволили установить отсутствие координации между интенсивностью поглощения нитрата! и активностью НР в корнях у растений, выращиваемых при достаточном уровне азота в питательной среде и нормальном свето-темновом режиме. В этих условиях у растений подсолнечника выявлены различия в параметрах суточных ритмов поглощения нитрата и активности НР в корнях, а также противоположность изменений первого и второй под влиянием дополнительного внесения в среду нонов аммония — ингибирование и стимуляция соответственно. Впервые показана зависимость эффекта ионов аммония на активность НР в корнях растений от предшествующих световых условий. Установлено наличие

высокой положительной корреляции между содержанием Сахаров и активностью НР в корнях подсолнечника.' Полученные данные свидетельствуют об участи» НР в координации между углеродным и азотным питанием целостного растения и тем самым вносят определенный вклад в познание механизмов саморегуляции растений. *

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы имеют значение для решения проблемы избыточного на-, конленнн нитратного азота в биомассе сельскохозяйственных растений. Они показывают, что это накопление можно ослабить, если создать благоприятные условия для фотосинтетнче-ской деятельности растений н увеличения концентрации Сахаров п тканях и органах, обладающих ннтратредуктазной активностью.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены в виде стендового доклада на теоретическом семинаре, посвященном памяти Д, Л. Сабинина, в Институте физиологии растеннй АН СССР. По материалам диссертации опубликована научная статья в «Известиях ТСХЛ».

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав обзора литературы, четырех глав экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Материалы изложены на 183 страницах машинописного текста, включают 19 рисунков и 16 таблиц. В списке использованной литературы имеется 340 наименований,' из них 267 на иностранных языках.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РАБОТЫ

Опыты проводили в лаборатории искусственного климата ТСХА. Объектом исследований были растения подсолнечника (НеНапШиз аппииз Ь.) сорта Передовик. Растения выращивали в водной культуре, на питательной смеси Кнопа (с внесением микроэлементов Ре, Си, 2п, Мп, В н Мо), при температуре 20° и фотопериоде 16 ч ((свет с 6 до.22 ч). Источником света служили люминесцентные лампы ЛБЦ-30, даюшие освещенность около растеннй 10 клк. В течение 30 дней предварительного выращивания все растения имели одинаковые условия минерального питания: сначала (12 суток) концентрация солей в смеси Кнопа соответствовала 0,2 нормы, затем 0,5 нормы. Только в одном варианте опыта 1 растения выращивали постоянно при концентрации солей 0,2 нормы. Питательный раствор меняли каждые 7 дней, рН раствора поддерживали на уровне 5,6 (ежедневная коррекция).

Всего было проведено 10 опытов. В первых трех опытах определяли влияние ионов аммония (внесенных в . питательный раствор в виде ЫН«С1) на поглощение растениями ионов

N03-, K+, CaSf, iMg21", воды и на активность НР в корнях. Отношение NH4-VNO3- в опытных растворах было 1, 2 и 3, что соответствовало при 0,5 нормы смеси Кнопа 4,25 мМ NO3-и 4,25; 8,5 и 12,75 мМ NM4+, а при 0,2 нормы— 1,7 мМ N03-н 1,7; 3,4 и 5,1 мМ NH4"-. Питательные растворы контрольных вариантов не содержали ионов Экспозиция составляла

4 ч i(c 8 до 12 ч дня). Исходный объем питательных растворов был 300 мл на 1 растение, рН 5,6. По изменению за 4 ч объема растворов и содержания в них изучаемых ионов определяли поглощение воды ir ионов растениями. После экспозиции растения опыта 1 переводили на водопроводную воду, срезали у них надземную часть и собирали выделяемую корневой .системой пасоку в течение 4 ч (с 13 до 17 ч дня). В пасоке определяли содержание ионов N03~ и NH«+. В опытах 2 и 3 после э к с п оз и ции о п р еде л я л и активность НР в корнях растений.

В опытах 4, 5 и 6 определяли роль предшествующих световых условий в реакции растений на внесение ионов аммония в питательный раствор (0,5 нормы смеси Кнопа). За сутки до этого внесения часть растений помещалась в темноту («тем-новые» растения), остальные ростення оставались на обычном свето-темновом режиме («световые» растения). Затем первые возвращали на свет и одновременно со вторыми помещали : на опытные растворы с отношением NHí+/N03~ равным 1 и 2 (контроль — только ноны N03~). В остальном методика эксперимента была такой же, как и в предыдущих опытах. Определяли поглощение растениями воды, ионов NO3-, NH4+, К+, активность ИР и содержание Сахаров, белкового и небелкового азота в корнях.

В опытах 7—10 определяли суточные ритмы поглощения нитрата растениями и активности НР -в их корнях. Смену питательного раствора проводили через каждые 4 часа. В опытах 7 н 8 варьировали концентрацию нитратного азота (0,85; 4,25 и 21,25 мМ), остальные элементы питания давали в концентрациях, соответствующих 0,5 нормы смеси Кнопа. В опытах 9 и 10 была только одна концентрация нитратного азота (4,25 мМ). Поглощение нитрата определяли по изменению его содержания в питательных растворах за 4 часа. Пробы корней для определения активности НР браличерез 4 часа после очередной смены раствора;

В работе использовались следующие аналитические методы. Нитратный азот в питательных растворах и пасоке определяли колориметрическим методом (Cataldo et al., 1975), аммонийный азот — фотоколориметрнческим методом с использованием реакции индофенольной зелени, калий — на пламенном фотометре, кальций и магний — на атомно-абсорб-ционном анализаторе. Активность- НР определяли в корнях

in vivo методом Яворского (Jaworsfci, 1971); содержание Сахаров в экстрактах из лиофилизированных корней: (экстракция 96%-ным этанолом) —на жидкостном хроматографе ОрШаЬ 931; содержание белкового и небелкового азота в корнях — мнкрометодом Кьельдаля. (осаждение белков — по методу Барнштейна).

При определении поглощения ионов растениями использовалась 5-кратная биологическая повторность, а активности НР — 10-кратная биологическая повторность. Химические анализы проводили с двукратной повторностью. Полученные данные статистически обработаны.

РЕЗУЛ ЬТАТЫ ИССЛ ЕДОВАН И И

Влияние ионов аммония на поглощение растениями нитрата и сопутствующих катионов

Внесение ионов аммония в питательную смесь вызывало уменьшение интенсивности поглощения нитрата 30-дневными растениями подсолнечника, выращенными при нитратном источнике азота и двух концентрациях питательной смесн Кнопа \(0,2 и 0,5 нормы). Поглощение нитрата растениями за 4 часа после внесения в среду ионов аммония снижалось тем сильнее, чем выше концентрация последних (табл. 1). При этом поглощение растениями ионов аммония не имело прямой корреляции с их концентрацией в среде. На фоне 0,2 нормы смеси Кнопа, когда концентрация ÑFU+ в среде варьировала от 1,7 до 5,1 мМ, поглощение растениями ионов аммония было практически одинаковым во всех вариантах, а на фоне 0,5 нормы смеси Кнопа поглощение этих ионов увеличивалось при повышении их концентрации в среде с 4,25 до 8,5 мМ и не изменялось при дальнейшем ее повышении до 12,75 мМ (опыт 1) или даже уменьшалось (опыт 2). Суммарное поглощение двух форм азота растениями было максимальным при соотношении NH4+/N03~ в среде 1:1 или 2:1. В этих же вариантах наблюдалось и максимальное поглощение воды растениями. Это противоречит положению об отрицательном влиянии попов аммония на поглощение воды растениями (Rapab, 1980). Очевидно, при короткой экспозиции (4 ч), бывшей в наших опытах, еще не проявлялся указанный эффект.

Присутствие в растворе ионов аммония тормозило поглощение растениями катионов, особенно К+. При высоких концентрациях даже наблюдалось выделение ионов К+ в среду, хотя и незначительное (табл. 2). За время экспозиции рН питательного раствора сдвинулся в щелочную сторону у контрольных растений и в кислую — у опытных, что вполне согла-

С

суется с имеющимися данными по влиянию формы азота на изменение рН среды.

Таблица 1

Поглощение растениями ионов нитрата и аммония . лрн разном соотношении их в питательном растворе'

(мМ на 1 г еуяой массы корней за 4 ч)

Концентрация солей п смеси . Кнопа Отношение NHi+/NO»- в среде

■ ■ опыта 0 (контроль) 1:1 2:1 3:1

Поглощение NOj-, мМ (% к контролю)

1 0,2 нормы 0,75±0.0Г (100) 0,42±0,04 (50) (44) , 0,18±0,03 (24)

0,5 кормы 1,68±0.11 (100) 1.33^0,17 (79) О,74±0,04 (44) 0,38±0,04 (23)

2 * 0.5 нор ми 1,29 ±0.01 (100) 0,64±0.01 (50) 0,43±0.05 (33) 0,28 ±0,02 (22)

Поглощение NH(+, мМ1

I 0.2 нормы — 0,48 ±0.05 0,47 ±0,04 0,54 ±0,04

0,5 нормы — 0,03 ±0,02 !,20±0,04 1,17±0,06

ч 0.5 нормы — 0,71 ±0.03 1.20±0,06 1,06±0,08

* ± — среднее квздратическос отклонение.

Лналнз пасоки растений, выдержанных 4 часа на опытных питательных растворах, не обнаружил транспорта ионов NH4+ с соком «плача». Концентрация нитрата .в пасоке опытных .растений была в 2—3 раза ниже, чем в пасоке контрольных растении. При этом соотношение ионов нитрата и аммония в среде имело слабое влияние на содержание нитрата в пасоке опытных растений (табл. 3).

Таким образом, подсолнечник принадлежит к числу таких видов растений, у которых поглощение нитрата" тормозится при наличии в среде ионов аммония. К таким видам относятся также пшеница (Weissman, 1950), райграс (Lycklama, 1963), ячмень (Rao, Rains, 1976а), огурец (Buczek, 1979). Предполагаются разные причины этого ингибнрования: изменение проницаемости клеточных мембран под влиянием поа-кисления среды, имеющего место при поглощении растениями ионов NH4+. (Minottl et al., 1969a); ннгнбированпе восстановления нитрата (Lycldama, 1963); резкое торможение поглощения растениями нойон , К4" (Петров-Спиридонов, 'б

Таблица 2 Поглощение растениями калия, кальция и магния лри разном отношении ионов аммония и нитрата в питательном .растворе (мкМ на 1 г сухой массы корней)

Показатели Отношение NHj-f/NOj- я с реле

0 (контроль) 1:1 2:1 3:1

Калий Кальций Маши Л 162,8±7,7 105,1 ±8,0 60,3±4,4 21 ,7±5,7 74,3*4,0 51Д£2.8 —3,9±U 32,Э±2,8 21,6±1.5 ~7.4il.fi 30,2 ±4,3 12.2±2,2

Таблица 3 Содержание нитрата в пасоке подсолнечника (мМ)

Концентрация солей и смеси Кнопа Отношение NHt+/NOj- в среде

0 (контроль) 1:1 2:1 3:1

0,2 нормы 0,5 нормы 8.63-^0/13 16Д1±1,24 3,44 ±0,43 8,46 ±0,5 7 -3,05 ±0,42 7,40±1,57 2.79±0,47 7,18±0,58

Моллов, 1982). В наших опытах не было сильного подхнсле-ния растворов, содержащих NH^ (за 4 ч pH сдвигался с 5,6 до 5,2—5,3). Ниже мы покажем, что активность HP в корнях опытных растений подсолнечника не ннгибировалась. Поэтому мы полагаем, что одной из прнчнн уменьшения поглощения нитрата подсолнечником при добавлении в среду ионов аммония было резкое подавление поглощения ионов К+. В литературе имеются указания о том, что у. растений подсолнечника имеется положительная корреляция между поглощением ионов N03~ и К+ (Menge), Simic, 1973). Поэтому подавление поглощения К"*" в присутствии ионов МН4+ могло вызывать уменьшение поглощения нитрата подсолнечником. Другой причиной последнего эффекта могло быть удовлетворение потребности растений в азоте за счет поглощения обеих форм этого элемента.

Влияние ионов аммония на активность нитратредуктазм в корнях растений подсолнечника

Через 4 ч после дополнительного внесения ионов аммония в питательную смесь Кнопа (0,5 нормы! в корнях опытных растений повышалась активность ИР. Полученный эффект ионов аммония имел высокую достоверность и хорошую воспроизводимость. Как видно из рисунка 1, в двух опытах получены сходные результаты. В опыте 2 активность HP в кор-

ияк опытных растений по сравнению с контролем повышалась на 52, 172 и 90% при отношении ионов аммония и нитрата 1:1, 2:1 и 3:1 соответственно. В опыте 3 это повышение составляло 35, 127 и 72% в указанных вариантах соответственно. Максимальная стимуляция активности НР в корнях была у растений варианта с отношением ■ 2: 1.

В опыте 2 у этих же растеннй отмечалось максимальное поглощение ионов аммония (табл. 1), выделение ионов К+, минимальное поглощение ионов Са2+- (табл. 2) и увеличенное поглощение воды I(на 46% по сравнению с контролем). Но поглощение нитрата растениями этого варианта было в 3 раза меньше, чем контрольными растениями (табл. 1). В двух других опытных вариантах стимуляция активности НР в корнях подсолнечника была слабее выражена, но тем не менее она была вполне достоверной и существенной.

В литературе мы не встречали данных о стимулирующем действии иолов аммония на активность НР в корнях подсолнечника, но у других видов растений такой эффект отмечался. Было найдено повышение активности НР иод влиянием лонов аммония в корнях маша (ЬПрфпз е1 а!., 1974), проростков кукурузы (ОаК*5 ек а!., 1977), в изолированных корнях гороха |(5аНи1ка, 1977, 1979). В последних двух случаях стимуляция выявлялась только при определенных условиях. Например, в корнях проростков кукурузы ноны аммония стимулировали активность ИР при рН питательного раствора 5,8; но ннгибироалц ее при рИ 7,5. Мы не проверяли роль последнего фактора в указанном эффекте ионов аммония. Отметим лишь, что определение рН питательных растворов проводилось нами до и после экспозиции. Оно показало незначительное подкне-ление опытных растворов в конце экспозиции (рН уменьшался с 5,6 до 5,2—5,3). Если эффект ионов аммония на активность ИР в корнях подсолнечника имеет такую же зависимость от рН, как и н корнях проростков кукурузы, то в наших опытах были условия, благоприятные для проявления стимуляции.

Таким образом, в условиях наших опытов не было найдено корреляции между интенсивностью поглощения * растениями нитрата и активностью НР в их корнях. Дополнительное внесение в среду лонов аммония уменьшало первую и увеличивало вторую. Это вызвало необходимость выявления причины стимуляции активности НР л корнях подсолнечника б опытных вариантах.

Влияние ионов аммония на активность нитратредуктазы и корнях подсолнечника в зависимости от предшествующих световых условий

При достаточном обеспечении растений нитратным азотом активность ИР в их корнях зависит ие от поглощения нитрата 8

100,

80

V

и

IW

i AO

20

0j

' - 0 . I -, ■■ 2 - • О ;. • '...г ■

. :' Омошвнив :. ымц|uój ' . ...

Ркс.>* Влияние ионов аюювия ва активное**

. нитратредзктааыв к орал х подсодаечвижа -г

. ' Oil -"Сзетовю" и "Темно®!»" растеаш|

'*' ■■' - ' ■ ' соомамтввнно .. ; • • -,

.. а - опит 4j /6 — omirS*¿¡; ■'

100

80

« 60 ■ о

ft

О ■■■' ^ ф

.ж ..-

20

.¡у / о; -1 ; г.. о i г

.Йю^а. Содвржаим суммы сахарОБ в коркяхпр* .рваном отшшвни»; mhÎJnâ :'■»■■■• ■ . : -. mtateuBOu растворе. ' - .

" ' V ;V "Свет овив" раотевжя у ■ V

;-',-:.-Е23- "Твмвовые" рвотввщя

из среды, а от снабжения корней фотоассимилятлми, В опытах с кольцеванием или удалением побегов была найдена прямая корреляция между содержанием Сахаров и активностью HP в корнях растений хлопчатника (Radin et al,, 1978), ячменя (Deane-Drummond et al., 1980) и фасоли i(Hanisch ten Cate, Breteler, 1981). Последними авторами было показано, что внесение в среду Сахаров (сахарозы, глюкозы или фруктозы) восстанавливает активность HP в корнях опытных растений фасоли до уровня пнтактных растений. С другой стороны, в литературе имеются очень интересные данные о том, что, внесение в среду солей аммония усиливает приток фото-ассмилятов в корни растений тыквы (Приступа, Курсанов, 1957) и сахарной свеклы ((Лннсимов, 1965). Поэтому мы предположили, что в наших.опытах с подсолнечником внесение ионов аммония в питательный раствор усиливало отток фото-ассимилятов из листьев в корни растении, .что и создавало благоприятные условия для стимуляции активности HP в корнях. Скорость флоэмного транспорта у подсолнечника составляет 30—100 см в час (Whittle, 1971), поэтому вполне реальна возможность повышения содержания Сахаров в корнях этого вида растений за 4 часа.

Для проверки указанного предложения мы провели опыты, в которых определяли влияние ионов аммония на содержание Сахаров и активность ИР в корнях растений в зависимости от предшествующих световых условий. Чтобы снизить содержание транспортных форм фотоасснмилятов и тем са- л

мым исключить возможность усиления притока последних в корни подсолнечника под влиянием ионов аммония, группу растений помещали на 24 часа в темноту («темновые» растения). Затем эти растения переводили на свет п помещали на растворы с разным отношением аммонийного и нитратного азота одновременно с растениями другой группы, находящимися постоянно при фотоперноде 16 часов («световые» растения). Через 4 часа в корнях растений всех вариантов определяли активность HP, а питательные растворы после указанной экспозиции использовали для определения поглощения растениями ионов N03~, NH«+ п К"*".

Выдерживание растений в темноте вызвало усиление поглощения имн нитрата из всех.растворов и калия — из контрольного раствора после переведения их на свет. Видимо, в темноте было снижено поглощение растениями элементов минерального питания, что способствовало активизации этого процесса после включения света. Однако растения обеих групп во время экспозиции поглощали ноны аммония с одинаковой интенсивностью. Поэтому у них в равной степени тормозилось поглощение нитрата и калия |(табл. 4). Поглощение ионов аммония растениями обеих групп было сильнее при

концентрации их в среде 8,5 мМ, чем при концентрации 4,25 мМ (отношение ЫН^/^Юз- соответственно 2:1 н 1 : 1). В соответствии с этим поглощение растениями нитрата уменьшалось сильнее при более высокой концентрации ионов аммония в питательном растворе. У растений обеих групп за время экспозиции практически полностью ингибировалось поглощение калня в присутствии ионов аммония (табл. 4).

Таблица 4

Поглощение ионов нитрата, калия н аммония растениями двух групп пркразном отношении аммонийного и нитратного азота в питательном растворе (I — «световые», 2 — «тем но вые» растения; поглощение в мМ или мкМ на I г сукой массы корней)

Ионы Отношение Г-Ш4+/ГчОэ- в среде

0 (контроль) 1:1 | 2:1

1 о ' 1 2 1 >>

Опыт 4

КО}-, мМ К+, мкМ ЫН 4+, мМ

Ы03-. мМ К+. мкМ ЫН 4+, мМ

1,06 153,6

1,22 149.1

1,29: 253,3

1,43 250,2

0,70 ' 0,88 0,40 0,56

1,9 0,7 —3,8 —0,8

0,55 ' 0,57. 0.90 0,98

Опыт 5

0,74 1,02 0,44 0,88

—3,2 . -5,1 —4,5 -7,7

0,64 0,62 0,99 1,01

Активность НР в корнях подсолнечника изменялась под влиянием аммония, но характер этих изменений зависел от предшествующих световых условий. Как и в предыдущих опытах, в корнях.«световых» растений активность НР увеличивалась ПОД В Л И Я И10 нп и л'ммончя Но в корнях «темновых» растений она,"наоборот, уменьшалась при таких же условиях воздействия. Результаты двух опытов были одинаковыми (рис. 2). В корнях «световых» растений максимальная активность НР была при отношении ионов аммония и нитрата 2 : 1, а в корнях «темновых^ растений максимальная, активность НР была при отсутствии ионов аммония в среде, минимальная— при равной концентрации двух форм азота. Различия активности фермента по вариантам азотного питания имели высокую достоверность.

Таким образом, эффект ионов аммония на активность НР в корнях подсолнечника был положительным нлнеотрицательным в зависимости от предшествующих световых условий. Такая же картина наблюдалась и во влиянии этого фактора на содержание Сахаров в корнях растений. Внесение в среду

ионов аммония повышало содержание суммы-Сахаров-в корнях «световых» растений по сравнению с контролем на 24% и 53% при концентрации этих ионов 4,25 и 8,5 мМ 'соответственно, тогда как это же воздействие снижало содержание суммы Сахаров в корнях «темновых» растений на 20% и 11.% (рис. 3). Наиболее сильные изменения были в содержании сахарозы. Оно повышалось в 2,5 и 3,4 раза в корнях опытных «световых» растений и снижалось на 33% и 56% в корнях опытных «темновых» растений по сравнению с контрольными растениями (табл.5).

Таблица 5

Содержание Сахаров в корнях подсолнечника (%-к контролю)

Сахара Отношение N1-1.1+/N0$- в среде

Л : 1 2 : 1

«световые* «темновне» «световые» «темповые» растения

Сахароза. 250 67 ' 338 44

Глюкоза 102 82 128 95

Фруктоза' 121 82 132 100

Сумма . 124 80 153 89

Математическая обработка показала наличие высокой положительной; корреляции между активностью НР и содержанием Сахаров в корнях подсолнечника ( + 0,94); Следовательно, в условиях наших опытов указанная ферментативная активность контролировалась не поглощением растениями нитрата, а обеспеченностью корней сахарами, являющимися субстратом для; дыхания, которое обеспечивает процесс восстановления нитрата энергией и углеродными акцепторами для усвоения аммония.

Полученные результаты косвенно подтверждают наше предположение о том, что дополнительное внесение ионов аммония в питательный раствор повышает активность НР в корнях подсолнечника вследствие усиления притока к ним фотоассимилятов; Это явление имеет место при достаточном содержании в; растениях транспортных форм продуктов фотосинтеза, но отсутствует у растений, выдержанных в темноте.

Суточные ритмы поглощения. нитрата- и активности нитратредуктазы в корнях у растений подсолнечника

В двух опытах, имеющих в основном методический характер, определялись суточные изменения интенсивности поглощения подсолнечником нитратного азота при трех концентрациях последнего в питательном растворе: 0,85; 4,25 и

И -

21,25 мМ: Было установлено, что при минимальной концентрации нитрата поглощение его растениями практически постоянно в течение суток. При средней и высокой концентрациях поглощение нитрата: подсолнечником имело хорошо выраженный суточный ритм" с максимумом в световой период и с минимумом в темновой период суточного никла освещения.

Концентрация нитрата оказывала влияние на положение и величину максимума в суточном ритме растений этих двух вариантов. При высокой концентрации нитрата максимум поглощения наступал на 4 часа раньше и имел большую величину. Тем не менее суммарное поглощение нитрата за всю экспозицию (32 ч) было сходным у растений обоих вариантов.

В следующих опытах мы использовали среднюю конценра-цию нитрата 1(4,25 мМ), которая достаточна для проявления суточного ритма поглощения его растениями подсолнечника и соответствует содержанию азота в 0,5 нормы смеси Кнопа.

Таблица 6

Поглощение нитрата подсолнечником в разные часы суток: (мМ иа 1 г сухой массы корней)

Время суток, часы С пето в ые условия Поглощено МО}- Время -суток . Световые условна Поглошено N0,-

6—10 свет 0,94±0,П 18-22 свет 1,49±0.10

10—14 свет 1,47±0,10 22_2 темнота 1,10*0,08

14—18 . свет 1,64^0,13 2-6 темнота 0,9&±0,12

Определение активности НР в корнях подсолнечника в разные часы суток показало наличие больших ее изменений, превышающих амплитуду колебаний в суточном ритме поглощения нитрата. Активность НР через 8—12 ч после включения света была, в 3—4 раза выше, чем. в конце темнового и начале светового периодов суток, тогда как поглощение нитрата увеличивалось всего в 1,5—1,7 раза (таб. 6, рис. 4).

Как видно из рисунка 4, активность НР в корнях подсолнечника имеет два максимума в течение суток: первый — в световой период, второй (меньший по величине) —в темновой период суток. В этом заключается существенное отличие суточных колебаний активности НР от суточного ритма поглощения нитрата, имеющего только один максимум (в световой период).

Следовательно, результаты опытов показали, что нет временной координации между поглощением нитрата растениями подсолнечника и активностью НР в их корнях.

В сходных с нашими опытами условиях было найдено у растений подсолнечника два максимума: интенсивности дыха-.12

шш корней и содержания Сахаров в этих органах — один ri световой период, другой — в темновой период суток (Влади-мирцева, 1970). Зто позволяет нам предположить, что активность,HP в корнях подсолнечника имеет координацию во времени с изменениями содержания Сахаров и интенсивности дыхания.

К сказанному следует добавить, что сам факт наличия у растений суточного ритма активности HP с 2—3 максимумами отмечался в литературе; такие данные получены при использовании в качестве объектов листьев растений, в том числе кукурузы (Kohl et al., 1974), перца (Steer, 1974, 1976) и сон (Duke et al., 1978). В корнях растений подобного рода ритм активности HP ранее не отмечался.

Выводы

С целью установления наличия или отсутствия у растений подсолнечника координации между поглощением ионов, нитрата и "активностью нитратредуктазы (HP) сравнивали их изменения в течение суточного свего-темнового цикла .и под влиянием кратковременного (4 часа) воздействия ионов аммония, внесенных в питательный раствор. На основе полученных результатов сделаны следующие выподы:

1. Ионы аммония вызывают противоположные изменения ' интенсивности поглощения нитрата 30-дневными растениями

и активности HP в их корнях—ингибнрование и стимуляцию соответственно.

2. В присутствии ионов аммония резко подавляется поглощение растениями сопутствующих катионов, особенно калия, что может быть одной из причин ингибнроиання поглощения нитрата в этих условиях.

3. Предварительное выдерживание растении 21 часа в темноте не изменяет отрицательного действия ионов аммония на поглощение подсолнечником ионов нитрата н калия, но снимает стимуляцию активности HP в корнях; у таких растений активность HP в корнях уменьшается под влиянием ионов аммония.

4. Ионы аммония оказывают противоположное действие на содержание Сахаров в корнях растений, находящихся постоянно при фотопериоде 16 часов и выдержанных 24 часа в темноте; у первых повышается содержание сахарозы, глюкозы и фруктозы в корнях, у вторых — снижается.

5. Имеется высокая положительная корреляция между содержанием Сахаров н активностью HP в корнях подсолнечника; она отражает взаимосвязь между углеродным и азотным питанием растения.

6. Предполагается, что стимуляция активности HP в кор-

кях подсолнечника через 4 часа.пйсле" дополнительного внесения в раствор ионов аммония была связана с усилением флоэмного транспорта фотоасснмилятов из побегов в корни; •обеднение растений фотоасснмилятами после их пребывания в темноте исключало возможность усиления флоэмного трап-спорта и стимуляции НР в корнях.

7. Суточные ритмы поглощения ионов нитрата и активности НР в корнях имеют у растений подсолнечника разную характеристику: в первом — один максимум, во втором — два максимума;, амплитуда колебаний меньше в первом, чем во втором. .

8. Оба использованных метода исследований (внесение в среду ионов аммония и определение синхронизации суточных ритмов) показали отсутствие координации между интенсивностью поглощения ионов нитрата и активностью НР в корнях у растений подсолнечника, выращенных при достаточном уровне азотного питания.

9. Изменение активности НР в корнях в течение суток и под влиянием внешних условий является одним из элементов системы саморегуляции растений.

По материалам диссертации опубликована работа; Б. П. Редди, М. Н. Кондратьев, Е. Е. Крастина «Изменения поглощения нитрата и активности нитратредуктазы у подсолнечника при внесении хлористого аммония в питательный раствор». «Известия ТСХА», 1982, выпуск 2, с. 12—18,

Объем 1 п, л( Заказ 2931. Тираж 100

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