Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Мобилизация микроэлементов в зерновке: механизмы и показатели, связанные с устойчивостью злаков к дефициту микроэлементов

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "Мобилизация микроэлементов в зерновке: механизмы и показатели, связанные с устойчивостью злаков к дефициту микроэлементов"

На правах рукописи

Давидовскан Елена Николаевна

МОБИЛИЗАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕРНОВКЕ: МЕХАНИЗМЫ И ПОКАЗАТЕЛИ, СВЯЗАННЫЕ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ ЗЛАКОВ К ДЕФИЦИТУ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 06.01.04 - агрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 ЯНВ 2012

Москва-2012

005007216

Работа выполнена на кафедре агрохимии биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель: доктор биологических наук

Битгоцкий 11нколай Петрович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

Новиков Николай Николаевич

кандидат биологических наук Арзамазова Анна Вадимовна

Ведущая организация: Институт физико-химических и

биологических проблем почвоведения РАН

Защита диссертации состоится « 14 » февраля 2011 г. в 15.30 часов в аудитории М-2; на заседании диссертационного совета Д 501.002.13 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ

Автореферат разослан «<23 »^¿¿¿"¿¿/М, 2011 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет Почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь

диссертационного совета:

доктор биологических наук, профессор

Г.М. Зенова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Потребность растений в микроэлементах в количественном отношении значительно ниже, чем в макроэлементах. Тем не менее, микроэлементы участвуют в ключевых физиологических процессах растений: построении клеточных структур, работе ферментов и электронтранспортных цепей, функционировании генетического аппарата (Wyman, Yocum, 2005; Sharma, 2006; Briat, 2007; Mendel, 2007; Wimmer, Golbach, 2007). Низкая концентрация микроэлементов в растительных тканях чрезвычайно вредна растениям. Бледная окраска листьев, нарушения в формировании вегетативных и генеративных органов, высокая чувствительность к инфекционным заболеваниям — типичные симптомы, сопровождающие дефицит микроэлементов у растений (Reddy, 2006; Broadley et al., 2007; Micronutrient deficiency..., 2008).

На ранних этапах развития высшие наземные растения могут снабжаться микроэлементами из двух источников: почвы (через корень) и семян. Ресурсы микроэлементов, сосредоточенные в семенах, имеют значение не только для проростков, т. е. ранних этапов онтогенеза растений, но и последующих его стадий. Культурные растения, выращенные из семян с большими запасами микроэлементов, обычно лучше адаптированы к условиям недостатка микроэлементов и формируют более высокий урожай по сравнению с растениями, выращенными из семян с небольшими запасами микроэлементов (McCay-Buis et al., 1995; Rengel, Graham, 1995; Longnecker et al., 1996; Yilmazetal., 1997).

В зерновке злаков наибольшее количество доступных растущему проростку питательных веществ, включая микроэлементы, приурочено к эндосперму (Moussavi-Nik et al., 1998; Битюцкий и др., 2000). Ключевая роль в мобилизации этих веществ принадлежит щитку - части зародыша (семядоле) злаков, непосредственно контактирующей с эндоспермом. Роль щитка в мобилизации органических веществ эндосперма хорошо изучена (Bewley, Black, 1994; Щипарев, 1997; Николаева и др., 1999), тогда как роль щитка в мобилизации микроэлементов, содержащихся в эндосперме, практически не исследована. Соответственно, не охарактеризованы связи между процессами, вовлеченными в мобилизацию микроэлементов в зерновках, и показателями роста и устойчивости растений к условиям дефицита микроэлементов.

Раскрытие физиологических и биохимических механизмов мобилизации микроэлементов в семенах имеет, прежде всего, фундаментальное значение. Такая информация расширяет наши представления в области агрохимии и физиологии растений о механизмах минерального питания растений, в частности на ранних стадиях их развития. Кроме того, эти сведения могут быть полезны при проведении генетико-селекционной работы, связанной с выявлением признаков устойчивых к недостатку микроэлементов образцов (видов и сортов) злаков.

Цель и задачи исследования

Цель настоящей работы - изучить механизмы мобилизации микроэлементов в зерновках на ранних стадиях развития злаков и охарактеризовать параметры этой мобилизации, связанные с устойчивостью злаков к условиям дефицита микроэлементов.

Основные задачи исследования:

1) охарактеризовать ацидофицирующуто способность щитка и ее роль в мобилизации микроэлементов в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

2) исследовать роль хелатирующих соединений в мобилизации железа в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

3) изучить Ре(ГН)-редуктазную активность щитка зародыша в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

4) охарактеризовать устойчивость злаков различных образцов к условиям дефицита доступных форм микроэлементов при высоком содержании в среде карбоната кальция или алюминия;

5) исследовать связи между ацидофициругощей способностью щитков и параметрами устойчивости злаков различных образцов к высокому содержанию в среде карбоната кальция или алюминия.

Научная новизна

Впервые раскрыты механизмы мобилизации микроэлементов (Ре, Мп, Zn) в зерновке на ранних стадиях развития злаков. Экспериментально доказано, что ключевую роль в этом процессе играет ацидофицирующая способность щитка зародыша. Охарактеризован вклад в подкисление щитком среды отдельных ферментов, локализованных в плазмалемме эпителия щитка: Н+-АТФаз и алкогольдегодрогеназ. Доказано, что скорость подкисления эндосперма щитками и скорость мобилизации микроэлементов из эндосперма зависит от интенсивности роста осевых органов зерновки, обусловленной генетическими особенностями растений. Показано, что транспорт железа в растущие осевые органы зерновки усиливается, если железо содержится в форме растворимых комплексов, в частности Ре-цитрата. Предположили, что один из механизмов мобилизации железа в эндосперме связан с выделением щитками органических кислот, способных связывать железо в подвижные комплексы. Впервые охарактеризована Ре(Ш)-редуктазная активность щитков злаков, . обеспечивающая восстановление трехвалентного железа до двухвалентного железа, биологически более доступного растениям. Выявлены связи между ацидофицирующей способностью щитков зародышей и устойчивостью злаков различных образцов к условиям дефицита микроэлементов, возникающим при высоком содержании в среде карбоната кальция или алюминия.

Практическая ценность работы

Разработаны новые методы изучения процессов мобилизации микроэлементов в зерновках злаков: питательные среды, устройства, способы регистрации.

Выявлены перспективные для растениеводства образцы хлебных злаков, устойчивых к высокому содержанию в среде карбоната кальция или алюминия.

Предложен новый диагностический показатель (ацидофицирующая активность щитка зародыша, индуцируемая недостатком железа), отражающий устойчивость злаков к недостатку микроэлементов, обусловленному высоким содержанием в среде карбоната кальция или алюминия. Этот показатель можно использовать в генетико-селекционной работе для отбора образцов злаков, устойчивых к указанным разновидностям минерального стресса.

Апробация работы

Результаты исследований опубликованы в трех статьях, а также представлены на Всероссийских научных конференциях: «5-й съезд общества физиологов растений России», Пенза, 2003; «6-й съезд общества физиологов растений России», Сыктывкар, 2007.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 5 работ, из них три статьи в рецензируемых журналах (Доклады Академии наук, Агрохимия, Journal of Plant Nutrition).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 145 страницах, содержит 20 рисунков и 26 таблиц. Список литературы включает 232 наименования, из них 159 зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Материал и методы

Материал

Объекты исследования - кукуруза {Zea mays L.) одиннадцати образцов, ячмень (Hordeum vidgare L.) сорта Dvoran (К-19913), овес (Avena sativa L.) сорта Гунтер (К-14957), озимая рожь (Seeale cereale L.) сорта Саратовская 6 (К-11444), озимая пшеница (Tñíicum aestivum L.) сорта Мироновская 808 (К-43920) и яровая пшеница (Triticiim aestivum L.) сорта Ленинградская 97 (К-62935). В некоторых экспериментах устойчивость злаков к дефициту микроэлементов сравнивалась с таковой двудольных растений: огурца Джерелло Cucumis salivus L., подсолнечника Белогорский Heliantus annus L. (K-3525).

При изучении генотипических особенностей мобилизации микроэлементов в зерновках кукурузы, использовали образцы семян, полученные с растений, выращенных в однотипных агроклиматических и технологических условиях.

Все образцы семян растений - из коллекции Всероссийского института растениеводства им. Н.И. Вавилова (Санкт-Петербург, Россия).

Методы

Выращивание растений. Растения выращивали в условиях водной или почвенной культуры. Процессы, связанные с мобилизацией микроэлементов в зерновках, изучали в условиях водной культуры. Среды для выращивания проростков - дистиллированная вода, водный раствор Са304 (1мМ) и Н3В03 (5мкМ) или питательный раствор Гельригеля ('А состава). Микроэлементы добавляли в форме Ре-ЭДТА или Бе-цитрата (10, 20 мкМ), 7п804 (1 мкМ), Мп804-5 Н20 (1 мкМ), Си804-5Н20 (0,5 мкМ), Ыа2Мо042Н20 (0,1 мкМ) Условия дефицита микроэлементов (Ре, Мп, Хп) создавали путем исключения их солей из состава питательных растворов.

Методика выращивания растений при изучении ацидофицирующей способности щитков следующая. Отделенные от эндосперма и семенных покровов зародыши (щиток + осевые органы) двухсуточных проростков погружали дорсальной стороной щитка в 1,5%-ную агаровую среду, имитировавшую эндосперм. Ее предварительно разливали по 40 мл в пластиковые емкости прямоугольной формы (12 х 8 х 0,5 см). Погружение щитков в агаровую среду проводили при температуре 30-32С. Для подавления роста грибов и бактерий в среду добавляли пенициллин (50 мг/л) и нистатин (на кончике шпателя). Чтобы исключить контакт корешков с агаровой средой, половину ее поверхности прикрывали пластиковыми пластинками, на которых размещалась фильтровальная бумага в два слоя. Корни проростков находились между слоями фильтровальной бумаги. Емкости с застывшей агаровой средой помещали в наклонном положении (угол наклона около 20-25°) в пластиковые контейнеры, содержавшие по 90 мл дистиллированной воды или питательного раствора.

С целью элиминирования ацидофицирующей функции щитков в состав агаровой среды вводили буферный раствор, содержавший триэтаноламин (К(СН2СН2ОН)3) и соляную кислоту (НС1). Конечная концентрация в агаровой среде триэтаноламина - 25 мМ, НС1 - 40 мМ. Для подавления Н+-АТФазной активности щитков в состав агаровой среды добавляли ортованадат (№3\Ю4, 1 мМ). Предварительно исходный раствор Ыа3\Ю4 доводили до рН 6,2 с помощью 10% раствора серной кислоты (Н2804). Для подавления НАД-зависимой алкогольдегидрогеназы (АДГ) в агаровые среды добавляли пиразол (С3Н41\12, 1мМ).

При изучении поглощения щитками микроэлементов (Бе, в

агаровые среды добавляли водные растворы железа (Ре804-7 Н20, Ре2(504)3 Ре-ЭДТА или Ре-цитрат) и цинка (2пБ04), при этом сульфат железа привносили в форме суспензии, рН 6,2. Аналогичными были значения рН у

комплексов железа: Ре-цитрата или Ре-ЭДТА. Конечная концентрация микроэлементов в агаровой среде (мкг/г): Ре-40, гп-20. Такие же концентрации железа и цинка были в эндосперме кукурузы № 247 МВ, используемой в качестве модельной культуры.

Инкубацию проростков в агаровых средах осуществляли в темноте при 28 С в течение 3-5 суток (опыты по изучению ацидофицирующей функции щитков) или 4 суток (опыты по изучению поглощения щитками микроэлементов).

В опытах с почвенной культурой использовали гумусовый горизонт дерново-подзолистой супесчаной почвы. Почва характеризовалась относительно низким уровнем плодородия: органический С - 1,37 %; общий N - 0,11%; Р (по Кирсанову) и К (по Масловой) соответственно 55 и 21 мг/кг воздушно-сухой почвы. Реакция среды почвы (водная вытяжка) - рН 5,8. Условия дефицита микроэлементов создавали добавлением в почву карбоната кальция (СаСОз) из расчета 100, а в одном эксперименте - 200 г/кг сухой почвы. Влажность почвы поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости путем ежедневного полива растений дистиллированной водой.

Влияние алюминия на питание растений микроэлементами исследовали в опытах с водными культурами: питательная смесь Гельригеля ('Л состава) с микроэлементами (мкМ): 1 Мп, 1 Ъп, 0,5 Си, 10 В, 0,1 Мо. Алюминий добавляли в форме А1С13 в концентрации 0,72 мМ на фоне наличия в растворе железа (Ре-цитрат, 20 мкМ) или его отсутствия. Все растворы доводили до значений рН 4,0 разбавленной серной кислотой. Продолжительность эксперимента - 7 суток.

Растения в водной или почвенной культуре выращивали при искусственном освещении: лампы ДРЛ-400, освещенность 30 клк, продолжительность освещения 16 ч.

Анализы и расчеты

Ацидофицирующая способность щитка. Определяли двумя способами: аппликационным с помощью кислотно-основного индикатора и потенциометрическим. В первом случае в имитирующую эндосперм агаровую среду, в которую погружали щитки злаков, вводили кислотно-основной индикатор бромкрезоловый пурпурный. При подкислении среды этот индикатор изменяет свой цвет с красного (при рН 5,2-6,8) на желтый (при рН <4,5). Исходный рН агаровой среды - 6,2 единицы. По окончании инкубации пятно желтого цвета, которое образовывалось вокруг щитка в результате подкисления агаровой среды, обрисовывали на бумагу и рассчитывали площадь вырезанного круга. Предварительно была установлена сильная прямолинейная связь (г = 0,99) между концентрацией в агаровой среде кислоты (лимонной) и площадью желтого пятна (ВкуЩэкп, 2007).

Во втором случае оценку ацидофицирующей активности щитков проводили путем непосредственного измерения реакции среды раствора с помощью рН-метра. Изолированные от эндосперма проростки помещали по 3

шт. дорсальной стороной щитков в крышки диаметром 25 мм от чашек Петри. В каждую крышку добавляли по 4 мл водного раствора КС1 (0,05 М). Контакт растущих осевых органов с раствором КС1 исключали с помощью пластиковых пластинок с прорезями, в которые были вставлены щитки проростков. Проростки инкубировали в темноте при 28 С в течение 3 ч. По окончании инкубации измеряли рН среды.

Fe (Ш)-редуктазная активность щитка. Изолированные от эндосперма щитки с осевыми органами закрепляли в пластиковых держателях по 2 шт. и погружали дорсальной стороной в крышки диаметром 25 мм от чашек Петри, наполненные 1 мМ водным раствором Fe2(S04)3 (рН 2,8) или 1 мМ раствором Fe-HTA (рН 3; 5,5 или 7,2). Затем чашки Петри с растениями помещали в кювету на влажную фильтровальную бумагу, на которой размещали корешки проростков. Сверху корешки покрывали смоченной в дистиллированной воде фильтровальной бумагой. В таком виде растения инкубировали в течение 2 ч в темноте при 28 С.

По окончании инкубации в растворах определяли концентрацию двухвалентного железа. Для этого аликвоту раствора объемом 2 мл отфильтровывали в пробирку. К отфильтрованному раствору добавляли 0,5 мл 0,5%-ного водного раствора ортофенантралина. Оптическую плотность образовавшегося комплекса Ре(П)-о-фенантралин измеряли при Х=540 нм на фотоколориметре КФК-2 (Загорский оптико-механический завод, производственное объединение ЗОМЗ, Россия).

Ре(Ш)-редуктазная активность выделений щитка. Выделения щитков аккумулировали в течение 2 ч по описанной выше методике путем помещения изолированных от эндосперма зародышей дорсальной стороной щитков в дистиллированную воду с рН 5,5 или дистиллированную воду, подкисленную 10%-ным раствором H2SO4 до рН 2,8. Затем к 2 мл раствора с выделениями добавляли 2 мл 0,2 мМ раствора Fe2(S04)3 (рН 2,8). Полученную смесь инкубировали в темноте при 28 С еще 2 ч. Концентрацию Fe(II) в растворе с выделениями определяли, как описано раньше.

Концентрация микроэлементов. Концентрацию подвижных форм микроэлементов в почве определяли в вытяжках с помощью атомно-абсорбционного спектрометра "МГА-915" с электротермическим способом атомизации пробы в графитовой кювете (фирма "Люмэкс", Россия).

Общую концентрацию микроэлементов в растениях определяли методом рентгенофлуоресцентного анализа с помощью кристаллдифракционного сканирующего спектрометра "Спектроскан" (НПО "Спектрон", Россия). В качестве образца сравнения использовали государственный стандартный образец РМ1 (ГСО 8242-2003), разработанный Сибирским отделением Международного института нелинейных исследований Российской Академии Наук (СО МИНИ РАН) (Россия). Концентрацию элементов рассчитывали на единицу сухой массы растительной ткани, содержание - на один сухой орган растения.

Расчет коэффициентов эффективности растений. Коэффициенты эффективности рассчитывали по методике (Gene et al., 2002): как отношение показателя (массы побегов, содержания микроэлемента в побеге) у растений, выращенных в условиях дефицита микроэлементов, к аналогичному показателю у растений, выращенных в условиях нормального снабжения микроэлементами. С помощью коэффициентов эффективности оценивали относительную устойчивость растений различных образцов (видов, сортов) к условиям дефицита микроэлементов.

Результаты и обсуждение

1. Механизмы мобилизации микроэлементов в зерновках на ранннх стадиях развития злаков

1.1. Ацидофициругащая способность щитка

В экспериментах с кукурузой установлено, что на ранних стадиях развития растений ключевую роль в подкислении эндосперма играет щиток зародыша. Элиминирование ацидофицирующей способности щитка с помощью буферного раствора на 80% сопровождалось блокированием поступления железа и сильным (в 2 раза) ограничением поступления цинка в растущие осевые органы кукурузы (рис. 1). Однако добавление в среду ингибитора Н+-АТФаз ортованадата (1 мМ) или ингибитора алкогольдегидрогеназы (1 мМ) существенно не нарушало транспорт железа через щиток в растущие осевые органы кукурузы. Следовательно, подавление работы отдельных ферментов, локализованных в плазмалемме щитка и задействованных в подкислении эндосперма, не является фактором, ограничивающим использование растущим проростком запасов железа в эндосперме. Параллельное функционирование нескольких механизмов ацидофикации эндосперма щитком, по-видимому, необходимо для обеспечения надежности использования содержащихся в эндосперме микроэлементов растущими осевыми органами зародыша злаков.

Выявлена сильная прямолинейная корреляция между ацидофицирующей способностью щитков и параметрами роста (длиной корня и массой растущих осевых органов) проростков у кукурузы различных образцов. Аналогичная зависимость установлена между скоростью роста проростков и оттоком железа, марганца или цинка из эндосперма у кукурузы различных образцов. Очевидно, рост осевых органов зерновки - основной процесс, определяющий интенсивность подкисления эндосперма щитками и соответственно мобилизацию микроэлементов из эндосперма на ранних стадиях развития злаков.

15

§ а

ш о- .

г 5)

Я Я

0)

сг X

Л- т

¿г1 л

^ л?

Рис. 1. Влияние буферного раствора (триэтаноламин/ НС1) на поступление из агаровой среды железа (А) и цинка (Б) в осевые органы семисуточных проростков кукурузы № 247 МВ.

1.2. Выделение щитками хелатирующих агентов

Наши исследования показали, что внесение в имитирующую эндосперм агаровую среду железа в форме Ре(П)-цитрата приводило к увеличению его содержания в осевых органах: по сравнению с контролем (+ агар) на 40%, а по сравнению с сульфатом железа (Ре804) - на 20% (рис. 2).

Рис. 2. Влияние Ре804 или Ре(И)-цитрата (СРе=40 мкг/г) на поступление железа, марганца и цинка из агаровой среды в осевые органы шестисуточных проростков кукурузы № 247 МВ.

Причем, добавление лимонной кислоты не повлияло на транспорт в осевые органы марганца и цинка, присутствовавших в агаровой среде в качестве сопутствующих элементов. Аналогичные результаты получены в случае привнесения в среду синтетического хелатирующего агента - ЭДТА.

Следовательно, хелатирующие агенты (лимонная кислота, ЭДТА) улучшали поглощение железа щитками и его транспорт в растущие осевые органы кукурузы, даже если этот микроэлемент содержался в относительно доступной двухвалентной форме. По-видимому, один из механизмов мобилизации железа, локализованного в эндосперме зерновки, связан с продуцированием щитками органических соединений, способных образовывать растворимые комплексы с катионами микроэлементов, по крайней мере, с катионами железа. Способность щитков выделять различные

органические кислоты: лимонную, яблочную, молочную, янтарную, глюконовую, доказана ранее (Мирякубова, 1964; Солдатенков и др., 1965; Щипарев и др., 1976).

3.1. Fe (Ш)-редуктазная активность щитка

Доступность растению железа зависит от его валентности. Соли трехвалентного железа хуже растворимы в воде и менее доступны растениям, особенно при высоких значениях pH и окислительно-восстановительного потенциала среды, в сравнении с солями двухвалентного железа (Brown, 1978; Clarkson, Hanson, 1980; Lindsay et al., 1982). Поэтому восстановление Fe(lII) до Fe(II) рассматривают как один из эффективных механизмов повышения растворимости и доступности железа растениям.

Как показали результаты наших исследований, погружение щитков в водный раствор трехвалентного железа приводило к появлению в растворе двухвалентной формы железа. Скорость этой окислительно-восстановительной реакции зависела от возраста проростков: у четырехсуточных проростков она была в 2,4 раза выше, чем у суточных (рис. 3). Особенно сильно Ре(Ш)-редуктазная активность щитков повышалась через двое суток после замачивания зерновок в воде.

Рис. 3. Динамика восстановления Fe(III) до Fe(ll) щитками проростков кукурузы № 247 MB в водных растворах Fe2(S04)3. CFe = 1 мМ; pH 2,8; t = 28°С.

Восстановление щитками Fe(III) до Fe(II) происходило и тогда, когда железо содержалось в форме комплекса с нитрилтриуксусной кислотой -

Fe(III)-HTA. Однако в этом случае Ре(Ш)-редуктазная активность была в 3,5 раза меньше в сравнении с восстановлением сульфата трехвалентного железа.

Результаты сравнения Ре(Ш)-редуктазной активности щитков кукурузы и их выделений показали, что значения этих показателей были практически одинаковые. Следовательно, восстановление Fe(III) до Fe(ll) осуществляется вследствие выделения щитками веществ-редуктантов, т. е. экстрацеллюлярно. В работе установлены факторы, влияющие на скорость восстановления щитками трехвалентного железа: возраст и генотипические особенности растений, форма присутствия железа в среде, температура инкубации, и факторы, не влияющие на этот процесс: pH инкубационной среды, содержания в ней металлов (Mn, Zn, Си).

2. Устойчивость злаков к дефициту микроэлементов при высоком содержании карбоната кальция в среде

Охарактеризована устойчивость злаков различных видов к условиям дефицита микроэлементов, возникающим при высоком содержании карбоната кальция в почве. На основе учета параметров, характеризующих рост и транспорт микроэлементов в побег, виды злаков подразделили на две группы: относительно неустойчивых (пшеница озимая, пшеница яровая и рожь) и относительно устойчивых (овес, ячмень) к избытку карбоната кальция растений. Первая группа (неустойчивые растения) реагировала на избыток карбоната кальция существенным ослаблением роста, особенно побега, и снижением содержания в биомассе микроэлементов, особенно железа и марганца. У представителей второй группы (устойчивые растения) эти показатели были стабильнее.

Выделенные группы злаков отличались и по реакции щитков зародышей на недостаток железа в среде. Отчетливое снижение значений pH инкубационных растворов в ответ на дефицит железа регистрировали у злаков относительно неустойчивых видов: озимой пшеницы, яровой пшеницы и ржи, и не регистрировали у злаков относительно устойчивых видов: овса и ячменя (табл. 1).

Обнаружена сильная обратная линейная связь (усредненный коэффициент г = — 0,88) между ацидофицирующей активностью щитков зародышей и показателями устойчивости (коэффициентами эффективности) злаков различных видов к высокому содержанию карбоната кальция. Наименее устойчивые растения (пшеница озимая, пшеница яровая, рожь), у которых транспорт железа в побеги страдал от высокого содержания карбоната кальция больше всего, характеризовались и наибольшим в условиях Fe-двфицита выделением кислых продуктов (Н+) щитками зародышей. Очевидно, устойчивые растения не увеличивали ацидофицирующей активности щитков, стимулирующей мобилизацию железа из эндосперма, так как характеризовались достаточно эффективными механизмами усваивания почвенного железа.

Таблица 1

Влияние щитков Ре-дефицитных и Ре-достаточных проростков злаков

на рН инкубационного раствора после 2 ч инкубации

Обработка 3-суточные проростки 5-суточные проростки

рН ДрН рН | АрН

Пшеница озимая Мироновская 808, К-43920

Раствор инкубационный Исходный 6,08 ±0,05 6,01 ±0,07

После инкубации щитков Ре-достаточных проростков 6,06 ± 0,07 0 5,85 ± 0,04 0,16

После инкубации щитков Ре-дефицитных проростков 5,69 ± 0,09 0,39 5,49 ± 0,07 0,52

Пшеница яровая Ленинградская 97, К-62935

Раствор инкубационный исходный 5,94±0,08 6,09±0,05

После инкубации щитков Ре-достаточных проростков 5,91±0,06 0 5,92±0,09 0,17

После инкубации щитков Ре-дефицитных проростков 5,71±0,08 0,23 5,67±0,07 0,42

Рожь озимая Саратовская 6, К-11444

Раствор инкубационный исходный 6,02 ± 0,02 6,06 ± 0,07

После инкубации щитков Ре-достаточных проростков 5,94 ± 0,02 0,08 5,98 ± 0,06 0

После инкубации щитков Ре-дефицитных проростков 5,70 ±0,08 0,32 5,56 ± 0,02 0,50

Овес Гунтер, К-14957

Раствор инкубационный исходный 6,01 ±0,15 6,06 ±0,13

После инкубации щитков Ре-достаточных проростков 5,95 ±0,13 0 6,07 ± 0,09 0

После инкубации щитков Ре-дефицитных проростков 6,00 ±0,13 0 6,03 ± 0,05 0

Ячмень Буогап, К-19913

Раствор инкубационный исходный 6,08 ± 0,07 6,01 ±0,04

После инкубации щитков Ре-достаточных проростков 6,04 ±0,11 0 ' 5,97 ±0,04 0

После инкубации щитков Ре-дефицитных проростков 6,01 ±0,11 0 5,90 ±0,09 0

Следовательно, на ранних стадиях развития злаков снабжение растущего побега железом контролируется путем изменения интенсивности ответственных за его поглощение физиологических реакций, локализованных в зерновке. Соответственно, активность ацидофицирующей способности щитка, возникающую в условиях дефицита железа, можно рекомендовать в качестве индикатора устойчивости злаков различных видов к недостатку микроэлементов при высоком содержании карбоната кальция в почве.

3. Устойчивость злаков к дефициту микроэлементов при высоком содержании алюмнння в среде

Охарактеризовано влияние ионов трехвалентного алюминия на рост и питание микроэлементами проростков злаков различных образцов. Выделены две группы растений, различавшиеся по устойчивости к высокому содержанию алюминия: группа относительно устойчивых (овес, ячмень) и группа относительно чувствительных (пшеница озимая, пшеница яровая, рожь) растений. Группа А1-устойчивых растений характеризовалась более высокой по сравнению с группой А1-чувствительных растений способностью формировать биомассу (рис. 4) и большей эффективностью в поглощении и транспорте в побег экзогенного железа (табл. 2).

Сопоставление растений по устойчивости к высокому содержанию в среде карбоната кальция и алюминия выявило сходство в реакциях злаков различных образцов на действие этих неблагоприятных условий, особенно когда идентификацию А1-толерантности проводили с учетом реакции массы побегов при одновременном содержании в среде железа и алюминия. В обоих случаях в группу относительно устойчивых растений входили растения овса и ячменя, тогда как в группу чувствительных - пшеницы озимой, пшеницы яровой и ржи. Мы предположили, что такое сходство в реакциях растений на разные экстремальные условия не случайно, так как в каждом из этих случаев устойчивость растений была связана с эффективностью питания растений железом.

По результатам корреляционного анализа ацидофицирующая способность щитков зародышей, индуцируемая недостатком железа, тесно коррелировала (г = - 0,83) с показателями устойчивости (коэффициентами эффективности) злаков к высокому содержанию в среде не только карбоната кальция, но и алюминия. Следовательно, интенсивность процессов, происходящих в зерновке на ранних стадиях развития растений, в частности, способность щитков подкислять среду в ответ на дефицит железа, может служить критерием устойчивости злаков к условиям карбонатного хлороза и избытка в среде ионов трехвалентного алюминия.

I !-Fe+AI КЖЯ +Fe+AI

160 5 (0 fe 120 ю о с го о 0 1 80 40 0 X i _L 11 1 X S г4 /Жх X 1 1

ро*» К** ОвеС

Рис. 4. Сырая масса побегов злаков различных образцов в зависимости от содержания в среде алюминия и железа.

Таблица 2

Содержание железа в проростках (побег + корень) злаков различных образцов в зависимости от содержания алюминия и железа в среде,

мкг/растение

Образец злака Без AI В присутствии Al

-Fe +Fe -Fe +Fe

Побег + корень, мкг/растение

Пшеница Ленинградская 97 5,36 ± 0,65 8,34 ±0,59 5,51 ±0,68 5,58 ± 0,23

Пшеница Мироновская 808 5,20 ±0,08 8,14 ±0,44 3,57 ±0,29 4,37 ± 0,15

Рожь Саратовская 6 5,50 ±0,60 8,80 ± 0,29 5,10 ±0,37 6,01 ±0,84

Ячмень Дворан 5,85 ±0,89 10,46 ± 1,01 3,79 ± 0,04 6,67 ± 0,75

Овес Гунтер 5,20 ± 0,28 9,63 ±0,19 3,93 ±0,14 8,22 ± 0,63

ВЫВОДЫ

1. Мобилизация микроэлементов в эндосперме зерновки на ранних стадиях развития злаков может осуществляться вследствие выделения щитком зародыша кислых продуктов, а также веществ, участвующих в связывании железа в комплексные соединения и восстановлении трехвалентного железа до его двухвалентной формы.

2. Подкисление эндосперма в прорастающей зерновке кукурузы в основном осуществляется вследствие функционирования щитка зародыша. Вклад в подкисление среды локализованных в плазмалемме щитков Н+-АТФаз примерно в два раза больше, чем алкогольдегидрогеназ.

3. Добавление в имитирующую эндосперм агаровую среду буферного раствора, элиминировавшего выделение щитками кислых продуктов на 80%, сопровождалось блокированием транспорта железа и частичным подавление (на 50%) транспорта цинка через щиток в растущие осевые органы зародыша кукурузы.

4. Содержание в имитирующей эндосперм агаровой среде ингибитора Н+-АТФаз ортованадата (1 мМ) или ингибитора алкогольдегидрогеназы (1 мМ) не отражалось на транспорте железа через щиток в растущие осевые органы кукурузы. Следовательно, подавление работы отдельных ферментов, локализованных в плазмалемме щитка и задействованных в подкислении эндосперма, не ограничивает использование растущим проростком запасов железа в эндосперме.

5. Содержание в имитирующей эндосперм агаровой среде " железа в форме комплекса с лимонной кислотой или ЭДТА стимулировало поступление железа через щиток в растущие осевые органы кукурузы на 2027% в сравнении с железом, не связанным в комплекс. По-видимому, один из механизмов мобилизации железа в эндосперме зерновки связан с выделением щитками хелатирующих соединений, в частности, органических кислот, образующих растворимые комплексы с железом.

6. Восстановление Ре(Ш) до Ре(П) с участием щитка кукурузы осуществляется экстарцеллюлярно вследствие выделения его дорсальной стороной веществ-редуктантов. Скорость восстановления щитком трехвалентного железа зависела от возраста и генотипических особенностей растений, формы присутствия железа в среде и температуры инкубации.

7. Выявлена сильная прямолинейная корреляция между ацидофицирующей способностью щитков и параметрами роста (длиной корня и массой растущих осевых органов) проростков у кукурузы различных образцов. Аналогичная зависимость установлена между скоростью роста проростков и оттоком железа, марганца или цинка из эндосперма у кукурузы различных образцов. Следовательно, рост осевых органов зерновки -основной процесс, определяющий скорость подкисления эндосперма щитками и мобилизации Микроэлементов из эндосперма на ранних стадиях развития злаков.

8. Обнаружена сильная обратная линейная связь между ацидофицирующей активностью щитков зародышей, индуцируемой Fe-дефицитом, и показателями устойчивости (коэффициентами эффективности) злаков различных видов к высокому содержанию в среде карбоната кальция или алюминия. Наибольшим в условиях Fe-дефицита выделением кислых продуктов (Н+) щитками растущих зародышей характеризовались наименее устойчивые растения: пшеница озимая, пшеница яровая, рожь. Сходство в реакциях злаков на столь разные экстремальные условия можно объяснить общностью в реакциях, обеспечивающих эффективность питания растений железом.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Bityutskii N.P., Davydovskaya E.N., Malyuga Е.А., Yakkonen K.L. Mechanisms underlying iron and zinc transport to axis organs in grain during early seedling development of maize // J. Plant Nutrition. 2004. Vol. 27(9). P. 15251541.

2. Битюцкий Н.П., Давидовская E.H. Ацидофицирующая способность щитка зародыша - показатель устойчивости злаков к условиям карбонатного хлороза // Доклады Академии Наук. 2008. Т. 420. №5. С.711-714.

3. Битюцкий Н.П., Якконен К.Л., Орлова Е.В., Злотина М.М, Давидовская Е.Н., Соловьева А.Н. Устойчивость злаков и двудольных растений к высокому содержанию карбоната кальция в почве // Агрохимия. 2008. №2. С. 70-76.

Список работ, опубликованных в других изданиях:

1. Битюцкий Н.П., Давидовская Е.Н., Малюга Е.А., Якконен К.Л. Механизмы мобилизации микроэлементов (Fe, Zn) в зерновке на ранних стадиях развития кукурузы (Zea mays L.) // Тезисы докладов пятого съезда общества физиологов России. Пенза. 2003. С. 121-122.

2. Битюцкий Н.П., Давидовская Е.Н., Малюга Е.А. Характеристика Ре3+-редуктазной способности щитка на ранних стадиях развития кукурузы (Zea mays L.) // Тезисы докладов пятого съезда общества физиологов России. Пенза. 2003. С. 249-250.

3. Битюцкий Н.П., Давидовская Е.Н. Ответные реакции проростков злаков на дефицит железа // Тезисы докладов шестого съезда общества физиологов России. Сыктывкар. 2007. С. 36-38.

Подписано в печать 19.12.2011 Формат 60x90/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1 Тираж 100 экз. Заказ 618

Отпечатано в типографии «Адмирал» 199048, Санкт-Петербург, В.О., 6-я линия, д. 59 корпус 1, оф. 40

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Давидовская, Елена Николаевна, Москва

61 12-3/475

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

Давидовская Елена Николаевна

МОБИЛИЗАЦИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ЗЕРНОВКЕ: МЕХАНИЗМЫ И ПОКАЗАТЕЛИ, СВЯЗАННЫЕ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ ЗЛАКОВ К ДЕФИЦИТУ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

06.01.04 - агрохимия

Научный руководитель:

д. б. н., профессор Битюцкий Н.П.

Санкт-Петербург - 2012

Оглавление

ст{

Введение 6

Глава 1. Роль семян в минеральном питании растений. 8

Устойчивость растений к условиям дефицита

микроэлементов.

1.1. Поступление минеральных элементов в семена 8

1.2. Содержание и распределение минеральных элементов в 10

семенах

1.3. Формы запасания минеральных элементов в семенах 13

1.4. Мобилизация питательных элементов в семенах 15

1.4.1. Роль мобилизации 15

1.4.2. Механизмы мобилизации 16

1.4.2.1. Строение и функции щитка злаков 16

1.4.2.2. Роль щитка в подкислении эндосперма злаков 19

1.5. Эффективность использования питательных элементов 25

семян

1.6. Устойчивость растений к условиям дефицита 28

микроэлементов

Глава 2. Материал и методы 35

2.1. Материал 35

2.2. Методы 37

2.2.1. Выращивание растений 37

2.2.2. Измерение массы растений и длины корней 39

2.2.3. Определение ацидофицирующей способности щитков 39

2.2.4. Определение рН эндосперма 40

2.2.5. Определение Ге(Ш) - редуктазной активности щитков и 41

их выделений

2.2.5.1. Ге(Ш) - редуктазная активность щитков 41

2.2.5.2. Ре(Ш) - редуктазная активность выделений щитков 41

2.2.6. Анализ элементов 42

2.2.7. Расчет коэффициентов эффективности растений 43

2.2.8. Статистический анализ 43 Глава 3. Механизмы мобилизации микроэлементов в зерновке на 44

ранних стадиях развития злаков

3.1. Ацидофицирующая способность щитка 44

3.1.1. Роль в подкислении эндосперма 44

3.1.2. Влияние буферного раствора на ацидофицирующую 46 способность щитка и транспорт микроэлементов (Бе,

Хп) через щиток в осевые органы зародыша

3.1.3. Влияние ортованадата и пиразола на 52 ацидофицирующую способность щитка и транспорт железа через щиток в осевые органы зародыша

3.1.4. Связь ацидофицирующей способности щитка с ростом 57 растений и мобилизацией микроэлементов (Бе, Мп, Хп)

из эндосперма

3.2. Роль хелатирующих агентов в снабжении железом 65 осевых органов зародыша через щиток

3.3. Ге(Ш)-редуктазная активность щитков 68

3.3.1. Общая характеристика 69

3.3.2. Локализация в зерновке 74

3.3.3. Влияние марганца, цинка и меди 77

3.3.4. Связь со скоростью роста проростков 79 Глава 4. Устойчивость злаков к дефициту микроэлементов при 82

высоком содержании карбоната кальция в среде

4.1. Характеристика устойчивости злаков 82

4.1.1. Рост растений 8 2

4.1.2. Питание растений микроэлементами 84

4.2.

Глава 5.

5.1.

5.1.1.

5.1.2.

5.2.

5.2.1.

5.2.2.

Заключение

Выводы

Литература

Ацидофицирующая способность щитков как показатель устойчивости злаков к высокому содержанию карбоната кальция

Устойчивость злаков к дефициту микроэлементов при высоком содержании алюминия в среде Характеристика устойчивости злаков Рост растений

Питание растений микроэлементами Сравнение злаков по устойчивости к высокому содержанию в среде алюминия и карбоната кальция Показатели, характеризующие рост и эффективность питания растений микроэлементами Ацидофицирующая способность щитков как показатель устойчивости злаков к высокому содержанию алюминия

86

100

100 100 106 111

111

111

115 119 121

Список сокращений

АДГ - алкогольдегидрогеназа

АТФаза - аденозинтрифосфатаза

ДЦКД - дициклогесилкарбодиимид

ДЭС - диэтилстильбестрол

НАД - никотинаминдинуклеотид

HTA - нитрилтриуксусная кислота

ЭДТА - этилендиаминтетрауксусная кислота

Введение

Потребность растений в микроэлементах в количественном отношении значительно ниже, чем в макроэлементах. Тем не менее, микроэлементы участвуют в ключевых физиологических процессах растений: построении клеточных структур, работе ферментов и электронтранспортных цепей, функционировании генетического аппарата (Wyman, Yocum, 2005; Sharma, 2006; Briat, 2007; Mendel, 2007; Wimmer, Golbach, 2007). Низкая концентрация микроэлементов в растительных тканях чрезвычайно вредна растениям. Бледная окраска листьев, нарушения в формировании вегетативных и генеративных органов, высокая чувствительность к инфекционным заболеваниям - типичные симптомы, сопровождающие дефицит микроэлементов у растений (Reddy, 2006; Broadley et al., 2007; Micronutrient deficiency..., 2008).

На ранних этапах развития высшие наземные растения могут снабжаться микроэлементами из двух источников: почвы (через корень) и семян. Ресурсы микроэлементов, сосредоточенные в семенах, имеют значение не только для проростков, т. е. ранних этапов онтогенеза растений, но и последующих его стадий. Культурные растения, выращенные из семян с большими запасами микроэлементов, обычно лучше адаптированы к условиям недостатка микроэлементов в почве и формируют более высокий урожай по сравнению с растениями, выращенными из семян с небольшими запасами микроэлементов.

В зерновке злаков наибольшее количество доступных растущему проростку питательных веществ, включая микроэлементы, приурочено к эндосперму. Ключевая роль в мобилизации этих веществ принадлежит щитку - части зародыша (семядоле) злаков, непосредственно контактирующей с эндоспермом. Роль щитка в мобилизации органических веществ эндосперма хорошо изучена, тогда как роль щитка в мобилизации микроэлементов, содержащихся в эндосперме, практически не исследована. Соответственно,

не охарактеризованы связи между процессами, вовлеченными в мобилизацию микроэлементов в зерновках, и показателями роста и устойчивости растений к условиям дефицита микроэлементов.

Раскрытие физиологических и биохимических механизмов мобилизации микроэлементов в семенах имеет, прежде всего, фундаментальное значение. Такая информация расширяет наши представления в области агрохимии и физиологии растений о механизмах минерального питания растений, в частности на ранних стадиях их развития. Кроме того, эти сведения могут быть полезны при проведении генетико-селекционной работы, связанной с выявлением признаков устойчивых к недостатку микроэлементов образцов (видов и сортов) злаков.

Цель настоящей работы - изучить механизмы мобилизации микроэлементов в зерновках на ранних стадиях развития злаков и охарактеризовать параметры этой мобилизации, связанные с устойчивостью злаков к условиям дефицита микроэлементов.

Основные задачи исследования:

1) охарактеризовать ацидофицирующую способность щитка и ее роль в мобилизации микроэлементов в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

2) исследовать роль хелатирующих соединений в мобилизации железа в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

3) изучить Ре(111)-редуктазную активность щитка зародыша в зерновке на ранних стадиях развития злаков;

4) охарактеризовать устойчивость злаков различных образцов к условиям дефицита доступных форм микроэлементов при высоком содержании в среде карбоната кальция или алюминия;

5) исследовать связи между ацидофицирующей способностью щитков и параметрами устойчивости злаков различных образцов к высокому содержанию в среде карбоната кальция или алюминия.

Глава 1. Роль семян в минеральном питании растений. Устойчивость растений к условиям дефицита микроэлементов

1.1. Поступление питательных элементов в семена

Эффективность минерального питания растений на ранних стадиях развития во многом зависит от содержания питательных элементов в прорастающих семенах, которое в свою очередь определяется интенсивностью транспорта питательных элементов в семя в ходе его формирования на материнском растении. На стадии репродуктивного развития снижается активность корней, следовательно, уменьшается общее поглощение питательных элементов из почвы. Поэтому на стадии формирования семян важную роль играет вторичное использование (ремобилизация) минеральных веществ из вегетативных органов материнского растения.

Ремобилизация питательных элементов в растении включает в себя несколько процессов: мобилизацию питательных элементов в индивидуальных клетках, ближний транспорт питательных элементов по симпласту, загрузку флоэмы питательными элементами и их транспорт по флоэме. Интенсивность ремобилизации зависит от специфической потребности семян в конкретном элементе, минерального статуса вегетативных частей, а также мобильности элементов при движении по флоэме (Marschner, 1997). Подвижность во флоэме многих микроэлементов существенно варьирует не только у растений различных видов, но и у растений разных генотипов (сортов, гибридов) в пределах одного вида. Кроме того, подвижность элементов зависит от фазы роста растений и условий окружающей среды (Welch, 1986).

Накопление меди (Си) в различных органах семени определяется запасами меди и азота (N) в материнском растении. С увеличением этих запасов возрастает количество меди, поступающей из вегетативных органов в формирующиеся семена (Welch, 1986). Подвижность цинка (Zn), как и меди,

зависит от концентрации цинка в тканях растения. При избытке цинка этот элемент достаточно легко транспортируется из вегетативных тканей в ткани репродуктивные (Welch et al., 1974). Однако приток цинка в семена полностью не прекращается, даже если растение испытывает острый дефицит этого микроэлемента. Правда, в этом случае цинк попадает в семена в небольших количествах, возможно, вследствие сильного связывания соединений цинка вегетативными частями растений (Welch, 1995).

Загрузка железа (Fe) в развивающиеся семяпочки осуществляется через флоэму в форме комплекса трехвалентного железа с транспортными белками (Kruger et al., 2002) или в форме комплекса двухвалентного железа с аминокислотами (Stephan, Scholz., 1993). Некоторые аминокислоты, например, никотианамины, не входящие в состав белков и относящиеся к группе фитометаллофоров, могут связывать железо при его перемещении к репродуктивным органам по флоэме (Welch, 1995). Контроль биосинтеза таких хелатов - важное звено в регуляции флоэмного транспорта железа к семенам (Grusak, 1994).

Запасы питательных элементов в семени зависят также от флоэмной мобильности элементов. Различают элементы с относительно высокой (К, Mg, N, S, Р), средней (Fe, Си, Zn) и низкой (Mn, Ca) мобильностью во флоэме (Welch, 1995).

После проведения экспериментов с изотопами 54Мп и 65Zn удалось выяснить, что скорость поступления этих микроэлементов в зерновку выше на ранних стадиях генеративного развития пшеницы, чем на завершающих (Pearson et al., 1996; Pearson et al., 1998). Причем максимальное количество микроэлементов аккумулируется в наиболее интенсивно растущих в этот период тканях перикарпа. Аккумуляция марганца и цинка в зародыше происходит на более поздних этапах развития зерновки. На заключительном этапе созревания зерновки пшеницы происходит усиленная ретранслокация цинка и марганца в зародыш (Pearson et al., 1998). При этом цинк из перикарпа оттекает по флоэме проводящего пучка плодоножки.

1.2. Содержание и распределение питательных элементов в семенах

Общее содержание элементов в семенах варьирует в широких пределах, что обусловлено в основном сортовыми и возрастными особенностями культур, а также экологическими факторами. Содержание микроэлементов в семенах бобовых в среднем выше, чем в зерновках злаков. Самые высокие концентрации кобальта (Со) и марганца (Мп) обнаружены в семенах фасоли: 12 и 90 мг/кг сухой массы соответственно. В семенах сои концентрации железа, меди, цинка и бора (В) обычно выше, чем в семенах других зернобобовых. Содержание молибдена (Мо) в семенах сои и гороха приблизительно одинаковое (Ягодин и др., 1990).

У злаков самые высокие концентрации железа обнаружены в зерновках ячменя, марганца - в зерновках овса, молибдена - в зерновках пшеницы. Концентрации меди и цинка у различных видов злаков сопоставимы между собой. Зерновки кукурузы характеризуются относительно небольшими концентрациями железа, меди и марганца, но большими концентрациями кобальта и бора по сравнению с другими видами зерновых (Ягодин и др., 1990). В зерновках кукурузы концентрации микроэлементов сильно варьируют в зависимости от образца (Битюцкий и др., 1999). Относительно сильные различия в концентрациях железа в зерновках обнаружены у представителей дикой и примитивной пшеницы (Triticum boeticum, Triticum топососсит, Triticum diccoides, Triticum turgidum), тогда как у современной тетра- и гексаплоидной пшеницы (Triticum durum, Triticum aestivum) различия в концентрациях железа в зерновках относительно малы и обусловлены в основном условиями выращивания, а не особенностями растений (Cakmak et al., 2002; Peleg et al., 2008).

Проанализировали концентрации селена (Se), железа и цинка в зерновках 150 образцов Triticum aestivum и 25 образцов Triticum durum, Т. spelta, Т. топососсит и Т. Dicoccum (Zhao et al., 2009). Наиболее высокие концентрации селена отмечены у диких и примитивных разновидностей (Т.

spelta, Т. monococcum, Т. dicoccum). По концентрации селена образцы Т. aestivum и Т. durum различались в отличие от железа и цинка незначительно. Концентрация железа и цинка в зерновках культурных видов пшеницы положительно коррелировала с содержанием в зерне белка и фосфора (Zhao et al., 2009).

Самые высокие концентрации элементов в зрелых семенах растений, как правило, обнаруживают в тканях зародыша и семенных покровов, а самые низкие - в тканях эндосперма (Власюк, 1968; Школьник, 1974; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). В семенах тыквы отмечена высокая концентрация кальция (Са), фосфора (Р), магния (Mg) и калия (К), при этом в зародышевой оси эти элементы сконцентрированы в большей степени, чем в семядолях (Ockenden, Lott, 1988). Высокие концентрации фосфора, серы, калия и железа обнаружены во всех частях зародыша пшеницы: корешке, щитке, колеоризе, примордии листа, а марганца - в зародышевом корешке (Mazzolini et al., 1985). Однако наиболее высокая концентрация меди в зерновке пшеницы отмечена в щитке и листовом примордии, а наименее высокая - в зародышевом корешке. В щитке и зародышевом корешке найдены высокие концентрации цинка, а в колеоризе и листовом примордии этот показатель был меньше. Концентрация железа, марганца, цинка, калия, кальция и фосфора в алейроновом слое и щитке высокая, а в эндосперме зерновки низкая (Mazzolini et al., 1985).

Содержание в зародыше цинка, марганца и бора может достигать соответственно 20, 27 и 13% от общего содержания этих элементов в зерновке пшеницы (Moussavi-Nik et al., 1998). Высокие концентрации меди и цинка обнаружены в зародышах многих видов злаков (Школьник, 1974; Рудакова и др., 1987; Longnecker, Robson, 1993). Наибольшая концентрация микроэлементов и кальция отмечена в зародыше и семенных покровах, а наименьшая - в эндосперме растений кукурузы различных образцов. Зародыш кукурузы отличается наибольшей концентрацией цинка, а семенные покровы - кальция (Битюцкий и др., 1999; Магницкий, 2000).

В ходе формирования зерновки ячменя железо сначала распределяется равномерно между семенными оболочками перикарпия и эндоспермом. Однако в перикарпе зрелых зерновок сохраняется примерно 15-20% железа от его общего содержания в зерновке, тогда как в эндосперме и алейроновом слое этот показатель достигает 70%, а в зародыше 7-8%) (Duffus et al., 1976).

Плодовые и семенные оболочки обычно обогащены питательными элементами. В семенной кожуре пшеницы может накапливаться до 60% микроэлементов (Fe, Mn, Zn, Си) от их общего содержания в зерновке (Moussavi-Nik et al., 1998). Здесь же обнаружены высокие концентрации хлора (CI) (Mazzolini et al., 1985), а также магния, кальция и серы (Moussavi-Nik et al., 1998). Наибольшей зольностью отличаются внутренние слои семенной оболочки, непосредственно примыкающие к зародышу (Кретович, Козьмина, 1950). У кукурузы запасы микроэлементов (Fe, Mn, Zn) и кальция в семенных покровах зерновки не превышают 12% от общего содержания этих элементов в зерновке, хотя концентрация перечисленных элементов в семенных покровах довольно высока (Bityutskii et al., 2002).

Эндосперм - самый крупный запасающий орган зерновок злаков. В зрелом эндосперме пшеницы сосредоточено от 20 до 40%> запасов элементов зерновки: Р, К, S, Са, Mg, Fe, Mn, Zn, Си, В (Moussavi-Nik et al., 1998). У кукурузы этот показатель для кальция, железа и марганца варьирует от 60 до 70%. Однако запасы цинка в зерновке кукурузы могут быть значительными не только в эндосперме, но и в зародыше (30-40%), что обусловлено высокой концентрацией этого микроэлемента в тканях последнего (Битюцкий и др., 1999). Следовательно, в зерновке кукурузы зародыш, а также эндосперм, -наиболее важные источники цинка для растущих осевых органов.

Распределение элементов питания в семенах неоднородно не только в их разных частях, но и отдельных органах. Например, в алейроновом слое концентрация микроэлементов гораздо выше, чем в крахмалистой части эндосперма (Mazzolini et al., 1985).

1.3. Формы запасания питательных элементов в семенах

В семенах питательные элементы, включая микроэлементы, могут запасаться в следующих формах: фитатах, ферритине, комплексах с пектиновыми веществами и белками.

Фитаты - одна из основных форм запасания многих макро- и микроэлемент