Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

НИТРАТРЕДУКТАЗНАЯ И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛИСТЬЕВ В ХОДЕ СТАРЕНИЯ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ И ПШЕНИЦЫ В РЕПРОДУКТИВНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "НИТРАТРЕДУКТАЗНАЯ И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛИСТЬЕВ В ХОДЕ СТАРЕНИЯ РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ И ПШЕНИЦЫ В РЕПРОДУКТИВНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

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

, На правах рукописи ТАНЦОВА Ольга Игоревна

УДК 581.133:633.15+633.11

НИТРАТРЕДУКТАЗНАЯ И ПРОТЕОЛИТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛИСТЬЕВ В ХОДЕ СТАРЕНИЯ

РАСТЕНИЙ КУКУРУЗЫ И ПШЕНИЦЫ В РЕПРОДУКТИВНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ

(Специальность 03.00.12 — физиология растений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —

1987

Диссертационная работа выполнена на кафедре физиологии растений Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. Н. Третьяков. -

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

Ведущее учреждение — Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР.

Защита диссертации состоится «Л*» .Ш&уШШ&я # Л

1987 г. в час. на заседании Специализированного сове-

та Д 120.35.07 при Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, И-550, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан \Л1» . Ф ^. . 1987 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат биологических наук

M. ^ Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В разработанной ЦК КПСС и Советским правительством Продовольственной программе" (1982) и Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года (1985) предусматривается резкое увеличение производства с.-х. продукции,.улучшение ее качества. В связи с этим увеличение производства, белка является" одной из основных проблем нашего времени, причем важнейшей задачей земледелия остается увеличение производства растительного белка (Павлов, Минеев, 1981). Отсюда, одной из главных задачЛ биологической науки является изучение физиологических процессов, обеспечивающих накопление белков в зерновках злаковых культур и механизмов их регулирования (Кретович, 1980; Измайлов, 1986). '

Известно, что формирование белкового комплекса зерновок происходит как за счет азотистых веществ, оттекающих из вегетативных органов, так и азота, поглощаемого корневой системой в период налива зерна (Павлов, 1967, 1969; Кондратьев, Костюкович, 1981). Соотношение интенсивности на* званных потоков азота на разных этапах формирования зерновок, их зависимость от внутренних и внешних факторов представляют большой научный и практический интерес. Одним из возможных подходов к определению источников формирования белков зерна является изучение ферментных систем азотного метаболизма, связанных, в частности, со старением вегетативных органов в репродуктивный период развития растений (Rao, Сгоу, 1972). В связи с этим представляется целесообразным исследовать процессы поступления и оттока азота вэтот период на основе определения активности ключевого фермента ассимиляции нитратного азота — нитрат-редуктазы и протеаз, ответственных за распад белков листьев в процессе их старения, «протеаз старения» (Кондратьев, Са-мойленко, 1985). • .

Взаимосвязь активности ферментов, обеспечивающих восстановление и ремобилизацию азота, с процессом поступления

ГЬа-с:.:ч-1 '.-.- • •- ; Гс;-гсс I

Лг «п-г <*-»*» « • , ""* I

азотистых веществ в зерновки остается слабовыясненнои: ' Тем не менее есть основания предположить существование причинно-следственной связи между уровнем активности HP и протеаз и содержанием азота в листьях, а также его реутилизацией в зерновки. В этом случае данные показатели можно будег использовать в качестве биохимических тестов, характеризующих уровни ассимиляции и ремобилизации азота в листьях и их физиологическое состояние в процессе старения. В определенной мере с их помощью можно будет прогнозировать белковость зерна злаковых культур в конкретных условиях выращивания. ...... - . •

Цель и задачи исследований. Основной целью работы явилось изучение динамики нитратредуктазной й протеолитиче-ской активности листьев кукурузы, и пшеницы в связи с динамикой содержания в них азота и общим ходом старения растений. Для достижения поставленной цели представлялось необходимым решить следующие задачи:

— охарактеризовать динамику активности HP и протеаз листьев на фоне физиолого-биохимических изменений в рас* тениях в репродуктивный период; • - • - • •

— выявить особенности проявления активности HP и про-теаз листьев у растений с различным местоположением репродуктивного органа; • .. • •

♦ — оценить специфику взаимосвязи активности ОТ и про-теаз с динамикой содержания азота в листьях кукурузы и пшеницы разного яруса; • •

. — изучить суточный ход активности HP и протеаз листьев припочатковой зоны кукурузы и верхних" ярусов пшеницы в связи с суточным ритмом содержания в них азота. _ . .

На втором этапе исследования изучалось влияние ряда внутренних и внешних факторов на динамику активности HP и протеаз листьев в процессе их старения в период налива зерна. Из внутренних факторов, влияющих как на общий ход старения растений, так и азотный метаболизм их органов, использовали: •

— нарушение донорно-акцепторных .отношений посредством удаления репродуктивного органа;

— экотипическне особенности сортов; из внешних

— различные способы обеспечения растений азотом.

Научная,новизна.. В работе использован принципиально

новый подход к изучению азотного метаболизма в репродуктивный период развития растении: реутилизация азота из вегетативных органов рассматривается в качестве составной части общего хода старения растений. Впервые азотный обмен в период налива зерна исследован на основе одновременного рассмотрения процессов ассимиляции нитратного азота и гидролиза белков в листьях. Оригинальным явилось также комп-

лексиоеуизучение регуляции этих процессов под влиянием внутренних и внешних факторов. Впервые проанализирована суточная ритмика содержания общего азота, активности HP и протеаз листьев в репродуктивный период развития растений.

♦ Установлено, что по мере старения растений кукурузы и пшеницы, активность HP снижается, а активность протеаз возрастает, причем первый показатель связан с общим содержанием в листьях азота, а второй —с количеством реути-лизированного" из них азота. Уровень процессов ассимиляции азота и гидролиза белков, а также степень реутилизации азо-та.из листьев зависят-от их положения по отношению крепро-дуктивному органу.

Показано, что уровень активности HP и протеаз листьев является генетически обусловленным признаком и- в значительной степени определяется возрастом листа и общим ходом старения растений. Процесс реутилизации азота в большей степени подвержен действию внешних, факторов; и аттраги-рующей способности зерновок* влияние которой зависит от положения листа по отношению к репродуктивному органу.

На исследованных сортах пшеницы различных экотипов установлено, что активность HP в листьях связана с продуктивностью колоса и содержанием азота в листьях и зерне, а активность «протеаз старения» — с концентрацией в зерновках азота.

Практическая ценность работы. Показатели активности HP и протеаз могут служить в качестве биохимических тестов, характеризующих уровни ассимиляции и ремобилизацни азота в тканях листа и его физиологическое. состояние в репродуктивный период.-Полученные в работе данные можно использовать при прогнозировании белковости: зерна злаковых культур. Выявленные особенности азотного метаболизма-у исследованных сортов пшеницы, могут быть полезными физиологам при определении лучших агроэкотипов сортов по зонам.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены "на научных конференциях ТСХАв 1984, 1985 гг., на Всесоюзных, рабочих совещаниях в 1985 г. (г. Алма-Ата) и в 1986 г.. (г. Саратов), на IV республиканской конференции в 1986 г. (г, Кишинев).

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав обзора литературы, шести глав экспериментальной части, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, Материалы: диссертации изложены на 224 страницах машинописного текста, включают 23 таблицы и 19 рисунков. Список.литературы содержит 273 наименования, из них 158 иностранных- ... * . . •

МЕТОДИКА- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ РАБОТЫ

В качестве основных объектов исследования-использова-ли; раннеспелый гибрид кукурузы интенсивного типа КВС 701 (селекции ФРГ) и среднепоздний сорт яровой пшеницы.Мо-сковская 35 (селекции НИИСХЦРНЗ и Рязанской гос. обл. с.-х. опытной станции). Выбор гибрида был сделан.на основании результатов полевых исследований (Кондратьев, Са- -мойленко, 1985), в которых установили, что у раннеспелого гибрида,.,по сравнению .с поздне- и среднеспелым, процесс старения листьев и отток из них.азота протекали более нн- . тенсивно. При изучении азотного метаболизма.у сортов яровой пшеницы различных экотипов были .использованы: Московская 35 (среднерусский экотип), Саратовская 29 (волжский экотип).и Ленинградка (северорусский экотип). Все -сорта являются среднепоздними,высокобелковыми и.высокоурожайными........~ - . - . . - . •'• •_

Изучение процессов ассимиляции азота и гидролиза белков проводили на листьях; следующих ярусов: у пшеницы— флаговом (ф-лист) и втором листе сверху (2-лнст); у кукурузы — • листе при початке (0-лист), втором листе выше початка (+2-лист), втором листсниже початка (—2-лист).

Растения кукурузы выращивали в вегетационном домике, растения пшеницы —в светлом отсеке теплицы лаборатории физиологии растений ТСХЛ при 16 ч светопериоде (свет с 6 до 22 ч) и температуре.20±1°С круглосуточно. Досвечнвание осуществляли с помощью ламп ДРЛФ-400-Ь На 6 кг песка вносили 1,5 н питательной смеси Арнона-Хогланда (Хьюитт, 1960). В каждом сосуде выращивали по одному растению кукурузы и но 10 растений пшеницы. Во всех опытах с пшеницей побеги кущения по мере их, отрастания срезали. В экспериментах по изучению влияния различных способов обеспечения растений азотом на нитратредуктазную (НРА) и про-теолитическую (ПА) активность листьев при общей дозе 1,5 н. смеси азот в количестве, равном 1 н. смеси, вносили до цветения. Оставшиеся 0,5 н, азота давали в виде корневой или некорневой подкормки №,N03 (4,5% раствор) на.. 15-й день после начала цветения. Раствор нитрата наносили на все листья опытных растений кукурузы кистью, пшеницы — распылителем (в три приема с интервалом в 2 часа). В опытах по изучению влияния нарушения донорно-акцепторных отношений на ход старения растений на 4—5-й день после начала цветения в опытных вариантах удаляли початки или колосья. Биологическая повторность опытов с кукурузой трехкратная, с пшеницей—двукратная.

Отбор проб производили, начиная с 4—5 дня после начала цветения с интервалом в 7 дней. В опыте по изучению суточ-

С.4

ной ритмики содержания азота, НРЛ и ПЛ листьев кукурузы и пшеницы пробы брали в фазу молочной спелости зерна в течение суток каждые 4 ч, Определение НРЛ. проводили в день взятия проб; материал для анализа ПЛ фиксировали жидким азотом и сохраняли в холодильном боксе при —50° С.

Для определения активности HP в листьях за основу был взят метод Мульдера (1953). Лктивность протеаз определяли методом Лнсона (1936) в модификации, предложенной для листьев кукурузы на кафедре физиологии растений ТСХЛ (Кондратьев, Самойленко, 1986). Определение концентрации растворимых белков проводили методом Лоури (1951). Содержание общего азота в листьях и зерне определяли фотоколориметрическим методом по методике ЦИНАО (1982), содржание растворимых углеводов —. методом .Дюбойса с сотр. (1956), содержание хлорофиллов' — экстракцией 96%-м этанолом и определением оптической плотности на спектрофотометре- СФ 26. Расчеты для выяснения хода перераспределения азота между органами растений были сделаны по Павлову (1969—1984). Данные обработаны методом дисперсионного анализа (Доспехов, 1985). •

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ ' '

Общая характеристика;НРА и ПА листьев кукурузы и пшеницы в репродуктивный периода

""Одним из показателей, характеризующих общий ход старения растений, является содержание в листьях зеленых пигментов (Thimann et al., 1974; Bray, 1983; Кулаева, Чайла-хяи, 1984). В; период репродуктивного развития содержание хлорофиллов в листьях кукурузы и пшеницы снижалось. Апикальное расположение колоса обусловило старение листьев у пшеницы строго в акропетальном направлении. Так, 2-лист сразу после цветения и в течение всего экспериментального периода содержал меньше хлорофиллов и отличался более интенсивным их распадом, чем ф-лист. В то же время у кукурузы срединное расположение початка на стебле задерживало старение припочаткового листа. ;

Другим важнейшим процессом, отражающим ход старения растений в репродуктивный период, служит перераспределение азотистых веществ из вегетативных органов (Мае, Ohira, 1981), причем роль отдельных листьев в снабжении зерновок азотистыми веществами неодинакова (Павлов, 1969; Кондратьев, Самойленко, 1986). По нашим данным, за период между фазами цветения и восковой спелости зерна степень реутилизации азота из вегетативных органов у пшеницы была больше, чем у кукурузы (табл. I), при этом у последней мак-.

б;

симальное количество азота оттекло из — 2-листа припочат-ковой зоны»,несколько меньше — из 0-листа, хотя он содержал наибольшее количество азота. В +2-листе содержание азота увеличивалось до начала молочной спелости зерна, а. количество реутилизированного азота было наименьшим. У пшеницы ф-лист, содержавший больше азотистых, веществ, реутнлизировал и больше их по сравнению с 2-листом.Отсю-да можно предположить, что количество азота, оттекающего из листьев растений, определяется не только содержанием азотистых.веществ и интенсивностью их оттока, но и уровнем активности процессов ассимиляции азота.

Таблица.1

• Динамика; содержания азота в органах кукурузы (гибрид КВС 701) и пшеницы (сорт Московская 35) в репродуктивный период.. (мг/орган)

- . Орган растения; ярус листа Дни после начала цветения Ю: е я 88

Вид растения 4- 10 17 24. 31 Количес рсутилиз азота Степень реутиза! азота, %

Кукуруза листья (со всего растения) стебель зерно 0.70 1,46 0.60 1,51 0,55 1,43 1,06 0,55 1,24 1,21 0.50 1,02 1,32 0.20 0,49 30 32

Пшеница. листья (со всего растения) стебель зерно 36,7 39.9 34.3 45,3 27,9 30,9 33.0 24,4 25,4 59.2 19,4 24.869,8 17,3 20,5 47 45-

В листьях разного яруса, (мг/лист)

+ 2 78,8 83,6 88,2 83,9 67,5 20,7

Кукуруза 0 101.8 99.0 86,6 86,9 74,4 27,4

ЫСРО8=5,1 -2 84,0 59,4 57,9 57,7 54,0 30.0

Пшеница Ф' 11,1 10.8 9.2 8,2 6,9 - 4.2

НСРо5 = 1,0 • 9,7 9,0 8,4 7,6 5,9 3,8

24 27 36-

• Примечание: содержание азота в листьях кукурузы X Ю3.

Так, НРА снижается по мере старения листьев у обоих видов растений (рис. 1). У кукурузы сразу после цветения НРА была максимальной в 0-листе и коррелировала с самым высоким содержанием в нем азота. На. последующихл этапах фор-

мирования зерновок активность НР была существенно больше в + 2-листе, чем в 0-листе, что, по-видимому, обеспечивало приблизительно одинаковое содержание азота в этих листьях, / несмотря на меньшую массу листа выше початка. НРЛ в —2-листе была значительно ниже, чем в других исследованных листьях прнпочатковой зоны, и, наряду с более интенсивным оттоком, обусловила самое низкое содержание в нем-азота. У пшеницы в ходе налива зерновок колоса НРЛ выше в ф-листе по сравнению с 2-листом. Это соответствовало и более высокому содержанию в ф-листе азота. Следует отметить, что удельная активность НР в листьях пшеницы в 3—4 раза выше таковой у кукурузы. Эффективность' же накопления азота (количество азота в расчете на ед. НРА) до начала его видимой реутилизации в листьях кукурузы вдвое больше, чем ' у пшеницы.

В период репродуктивного развития растений содержание азота в листьях во многом определяется интенсивностью его оттока, которая, в свою очередь, зависит от активности «про-теаз старения» (Кондратьев, Самойленко, 1986). Действительно, активность как кислых (ЛКП), так и нейтральных (ЛНП) протеаз в листьях кукурузы и пшеницы в период налива зерна возрастала (рис;. 1). У кукурузы более высокий уровень активности йпр°теаз старенияН в—2-листе коррелировал с большим количеством реутилизированного из него азота. ПА '• в +2-листе была значительно ниже, чем в других листьях прнпочатковой зоны, что свидетельствует о невысокой скорости мобилизации в-нем белков. У пшеницы ЛКП в ф-листе была существенно выше, чем в.„2-листе, что сопровождалось несколько большим количеством реутилизированного из него азота. В целом удельная ПА в листьях пшеницы в 1,5—2 раза выше таковой у кукурузы. Степень же реутилизации азота из листьев кукурузы приблизительно в 1,5 раза меньше, что связано с вдвое большей нагрузкой в них единицы активности «протеаз старения» (количество белка на ед. ПА).

Таким образом, по мере старения растений НРЛ снижается, а ПА возрастает, причем первый показатель связан с общим содержанием в листьях азота, а второй — с количеством реутилизированных из них азотистых веществ. '

Суточная динамика содержания азота, НРА и ПА в .листьях- кукурузы и пшеницы в репродуктивный период

Наличие суточной' периодичности в перераспределении соединений азота установлено давно (Сабинин, 1940). Тем не менее до сих пор имеются существенные расхождения во мнениях о времени наиболее интенсивного накопления азота.

и синтеза белка в листьях в течение суток (Бау1ёе8си й а1., 1961; Цыбулько, 1962; Размаев. 1967).

По нашим данным, содержание азота, НРА и ПА в листьях кукурузы и пшеницы в течение суток подвержены значительным колебаниям (рис. 2). В листьях припочатковой зоны кукурузы и в ф-листе пшеницы наблюдалось два дневных. максимума содержания азота (в< '2-листе пшеницы — один максимум в начале светопериода),-причем максимум в первые часы был выше максимума во вторую половину светопериода. Минимальное содержание азота в листьях обоих видов отмечалось в ночное время.

НРА также показала четко выраженный суточный ритм (рис..2). Наблюдалось два максимума активности: в дневной и в середине ночного периодов, причем дневной максимум НРА был в 1,5—2 раза выше ночного. Сопоставление суточного хода НРА и содержания азота в листьях кукурузы показало, что дневной пик активности совпадал с началом убыли азота после утреннего максимума, а ночной — с минимумом азота в листьях. У пшеницы,: наоборот, установлено определенное соответствие суточной динамики НРА и содержания азота. - , :._-..--

. Суточная ритмичность отмечена и для активности «протеаз старения» (рис. 2). В листьях кукурузы наблюдалось два максимума ЛКП: в начале и в конце светлого периода, тогда как в листьях пшеницы — один максимум в конце светлого периода суток. ЛНП в листьях кукурузы имела пики в начале дневного и в середине ночного периодов, в листьях же пшеницы — в начале и в конце светлого периода суток. Сравнение динамики ПА и содержания аз отав листьях кукурузы: позволяет отметить, что отток азота в дневной период является следствием возрастания активности как кислых, так и нейтральных протеаз, а.в ночной период он связан лишь с ростом ЛНП. Это обстоятельство дает основание предположить различную функциональную нагрузку у отдельных видов про-теаз в стареющих листьях. В отличие от кукурузы в листьях пшеницы не установлено совпадения роста ПА с оттоком из них азота.»

Исходя из изложенного выше, можно предположить, что в репродуктивный период суточная динамика общего азота в листьях кукурузы в большей мере обуславливается динамикой небелкового азота, а у пшеницы — белкового. Активизация азотного обмена в целом в дневной период связывается нами с усилением общей метаболической активности листа в светлое время суток. . . - .

9,0 7,0г

8,0" .3,01,0

НРА

. «УИУПТЗ«

100

■ 80 60 40

ЖП

рй 5,6

Û 4 10 1? 24

О 4

пшениц»

10 -1? рЯ 5,4

?А 31

"5 П W ИГ зТ о 5* и 3" S

Рис » 1,.КигггтреД?к?азн«\ЯдНактивНЛС)стьа свр; иассн.ч)?

активность кисчнх протеаэ ( vc.t. ед./-кг белм-ч ) в лщстьях гсукугун ( ги'Зрвд КьС 701) и пшвнкла ( сорт Московская 311 в ÉqwyKIMBHH? период

1 _ ( 0)_тест 3 - (ч-?)-писг 5 - Ш-лиот

Z - (-2)-лист 4 - ф -лист

куцуруеа

пшенидо

414

37

. 16

си

я

и

81

'8бо.

Е£И

6 10 1'4 13

часы суток

РЙО. <1. Суточкзч динамям содврхикия ow.eгo аэо-а, активности нитратре-дуктаан, хисчых и нейтральных протеаз в (О-чисте кукугуэв ( ги-брод &ЗС 7С1) и (1г-листи пшчьицы ( сорт Московская 35) в Сазу мо» ючноя спзяости верна

4 3

я

I

о

4

4

8 б

X

с

86 и

24

И-

ж.

г-

контроль

[стения____

или колоса)

—растения бее шочатка 1 и

пшенищ ф-лист

О ~Т 1Ь' • 17л 24~ 6 . 5' ГГ~ 18~* 2Ь 3'2

г дни.после начала цветения

гис, 3. Злиянш удачвния репродуктивного органа на динамику активности нктратредУктазн а чистьях кукурузы ( гибрид "КВС 701) и пменищ* ( сорт Московская 35 > •

4

2

г

цукуруеа (+2)-лист

тгаякщ» .'контроле

. растения о удаленным початком ( колосом)

ф-лист

0 4 10 17 >4 31 0 5 11 • В 26 32 дни после- нччэ.т! цветения Рис. 4. Влияние удаления репродуктивного органа на чктинность .кислых иротчаз в листьях кукуруан 1 ги'Зр'-к КВС 7Л1) 1Г.гс.ек;:ны ( сорт Московская 35 )

, .35,0 '

'& тж

ге ?

щ

£' .4,0-

12,04.0-О

12 19

33

Я,

35,0

25,0' 15,0

5,0-

(2)-лист

С 5 12 1Э '' 26 дни посчв нзчзяа цветения

33

0 5

12

19 26 33

5. ,".йт;у;п ч::тивности нитря треду ктазы, кисж1х и неетрачьнах протеза в листьях сортов пгсеЩа разлэтяах экоглюв в репродуктивный период' развития

О

м

КРА

АКП

36,и 3<i,C-10,U 6,0

2,0

I

93,0

60,у

7C.0 «1 45,0-

0 4 1

5

О

35,0-

<S,U-15,05,0-

I-KCP05

и

L

SO

50

30

10

0 4

пшеница

N

ф

5

^ ¿00

40

17

1" -5 32 0

днд после начала ".нетения

l'i

А д<:НЬ СирчбиГКИ

П 1,5 к aJOTa до пьетения |i ксрнзкая: подкормка нитратом

i 1,0 н д]'а-д да юетешя q brf::wpheaa-4 подкорисл нитратом

F..; ..С. Л.гдянмв поэдши -мотньи пОчксрио:; нэ чкг.г-Нис'л'ь нлр.дуредукгчля it кия1.ч« г.рм'щи в (0)-1»:сте jtyicypAjj ( rnop-U 50С 731) л . «.'—inert. п_'л:ипи ( acrT-:i0f':«vfKirt 35)

Влияние нарушения донорно-акцепторных связей посредством удаления репродуктивного органа на динамику ИРА и ПА листьев в процессе их старения:

Одним из основных внутренних механизмов, регулирующих формирование и налив зерновок, являются донорно-ак-цепторные отношения между вегетативными и репродуктивными органами (Коновалов, 1974, 1981; Мокроносов, 1982).

Используя-прием удаления .р епроду кт1шногр органа, удалось, установить, что в ответ на это воздействие в листьях кукурузы вначале.происходило увеличение.содержания хлоро-филлов, тогда как в листьях пшеницы лишь задерживалось его уменьшение. Данные эффекты у обоих видов были в большей степени выражены в более молодом листе. В дальнейшем темпы снижения содержания зеленых пигментов в листьях опытных растений кукурузы были значительно выше, чем в.контроле, а у пшеницы — практически не отличались.

- Для характеристики процесса старения мы использовали также два биохимических критерия — НРА'и.ПЛ листьев.

' У кукурузы нарушение донорно-акцепторных отношений приводило к ускорению темпов снижения НРЛ, тогда как у пшеницы — к их замедлению (рис. 3). Отмеченные эффекты у обоих видов растении в большей мере проявлялись в молодых листьях (в +2-листе — у кукурузы и ф-листё — у пшеницы). Удаление початка практически не отражалось на динамике НРЛ в —2-листе кукурузы. В целом реакция нитратре-дуцирующей системы листьев у кукурузы носила двухфазный характер, у пшеницы — однофазный.

Активность «протеаз старения» в листьях при • удалении репродуктивного органа у кукурузы увеличивалась, а у пшеницы — заметно уменьшалась (рис. 4). У кукурузы наиболее чувствительной к нарушению донорно-акцепторных отношений оказалась протеолйтическая система —2-листа, самого старого из исследованных листьев ириночатковой зоны, а у пшеницы — ф-листа, самого молодого. Примечательно, что реакция протеолитнческон системы двух верхних листьев пшеницы и —2-листа кукурузы носила однофазный, а 0- и + 2-листа — двухфазный характер. < , .

♦ Таким образом, отмеченные физиолою-биохимические изменения в листьях при отсутствии акцептора метаболитов в репродуктивный период говорят об ускорении старения растений кукурузы и замедлении этого процесса — у пшеницы.

Что касается действия нарушения донорно-акцепторных отношений на перераспределение азотистых веществ, то оно характеризовалось видовой и ярусной спецификой (табл. 2). В листьях растений происходило накопление азота, однако у кукурузы оно отмечалось сразу, после удаления початка,

а у пшеницы — спустя две недели после воздействия. Этот эффект в большей степени проявлялся в молодых листьях (в + 2-листе — у кукурузы и ф-листе — • у пшеницы). Количество реутилизированного азота из +2-листа опытных растений кукурузы было несколько большим, а из 0-листа.— в 1,5 раза больше, чем в контроле. На процессе реутилизации азота из —2-листа припочатковой зоны кукурузы отсутствие акцептора сказывалось незначительно. Накопление азота.в -+2-лис-те свидетельствует о перераспределении его из другихорга-нов в стебель и верхние листья. У пшеницы количество реутилизированного азота из 2-листа было в 2,5 раза меньше,- чем в контроле, а из ф-листа реутилизации азота вообще не происходило.

Таблица 2

Влияние удаления репродуктивного органа на.динамику содержания азота в листьях кукурузы (гибрид КВС 701) и. пшеницы; (сорт .Московская 35)

/м г/л ' ист/

Дни после начала цветения Количе-

Вид растения Ярус листьев 4 10 17 24 31 ство реутили-зир. азота

+2 78,8 83.6 83.2- 83.9 67.5 20.7

Кукуруза 0 101,7 107,7 99.0 80.7 86.6 «5,3 86.9 85,7 74.4 22.0 27,4

—2 84.0 111,8 59.4 92.6 57,9 96,1 57.7 66,8 54.0 45.0 30.0

84,7 71,3 53,7 55,3 29,4

Ф 2 11,9 9,9 9.8 9.6 9.1 7.8 4.1

10,5 9.4 13,4 9,1 13,2 8.5 13,2 6,2 0.2/ 3.7

9.2 11,7 10.6 10,1 1,6

Примечание: числитель — контроль; знаменатель — растения

с удаленным репродуктивным орг.

Таким образом, уровень НРА и ПЛ в листьях у кукурузы и пшеницы зависит не столько от развивающихся зерновок:, сколько от общего хода старения листьев. Зерновки же являются важным фактором регуляции процесса реутилизации азота, причем проявление этой регуляции зависит от положе-жения листа по отношению к репродуктивному органу.

Экотипические различия Н РА и ПА листьев пшеницы -в репродуктивный период развития

Известно, что накопление белка в зерне является функцией генетических факторов (Rao, Сгоу, 1972; Johnson, 1976). Боль--

т

шинство исследований в данном направлении было проведено на формах, различающихся по содержанию белка- в зерне. Нами изучены особенности азотного обмена у трех высокобелковых сортов яровой; пшеницы, но относящихся к различным экотипам.

•' Та<5лицаЗ

Динамика содержания общего азота в органах сортов пшеницы различных экотипов в репродуктивный период /мг/орган/

Орган: • растения < Сорт Дни после начала цветения Количество рсутил. азота' Степень реутилизации, % Количест о экзогси. азота

5 12 19 26 33

Листья М 36,7 34.3 27,9 24,4 19,4 17,3 48,2.

НСРо5=1,9 С 31,6 1 23.6 24,3 20,9 17.4 14,2 44.9

Л 29,6 26,7 25,2 23,8 17,3 12,3 41,6

ф-лист м 11,1 10.8 9.2 8.2 6.9 4.2 37,8

НСР=0,7 с 8.4 7.3 6.5 6,2 5,4 3.0 35,7

л 8.0 7,2 7.8 8,1 5,7 2,3 23,9

2-лист м 9,7 9.0: 8.4 7.6 5.9 3,8- 39,2

НСР=0,8 с 8.2 6.9 6.2 5.8 5,1 3.1 37,8 — '

• л 6.9 7,0 6.9 6,2 5,6 1.3 18,8

Стебель м 39.9 45,3 30.9 25,4 24,8 15,1 37,8

НСР=2,4 С 36,8 36,8 28,5" 25.9 24,9 11,9 32,3

л 29.8 23,2 21,7 24.6 20.9 8,9 29,9

Надземные м 76.6 79.7 58.9 49,8 44,2 32,4 42,3

вегетативг с 68,4' 65.3 52,8 46.8 42,3 26,1 38,2

органы- л: 59,4 50.0 47,0. 48.5 38,2 21,2 35,7 _

НСР = 3,7

Зерно м 33.0 59.4 69.8 37,4

НСР=3,8 с _ 26,8 44.0 67,9 _ 41,8

л 31,2 51,7 63,0 — 41,8

Примечание: Л — Ленинградка.

АГ—Московская 35; С — Саратовская 29;

. Исследованные сорта существенно различались как по содержанию азота в вегетативных органах, так и по интенсивности его реутилизации в репродуктивный период (табл. 3). Общее содержание азота в вегетативных органах было наибольшим у Московской 35;. наименьшим — у Ленинградки. Сорт Саратовская 29 занимал среднее положение. В условиях опыта реутилизация азота из вегетативных органов а наибольшей интенсивностью происходила у Московской 35, сорт Саратовская 29,. приуроченный • к возделыванию взоне недостаточного увлажнения, в. условиях нормальной влажности суб-

страта реутилизировал азот в несколько меньшей степени, чем Московская 35. Степень реутилизации азота у сорта.Ленин-градка, возделываемого в зоне избыточного увлажнения, была значительно ниже, чем у двух других сортов. Что касается накопления азота в зерне, то у Московской 35 оно происходило в равной мере за счет реутилизации азота из вегетативных органов и поступления экзогенного "азота. У Саратовской 29 в условиях опыта поступление азота из - среды (или из корневой системы) было больше, чем" реутилизировано из" надземных органов. Ленинградка формировала белковый комплекс зерновок преимущественно. за счет экзогенного азота. ......... . '

Как известно, основную функциональную нагрузку в обеспечении зерновок азотистыми веществами несут листья верхних ярусов (Павлов; 1976; Simpson, 1981; Котляр, 1983)\ По нашим данным, у исследованных сортов количество реутили-зированного азота и временной ход реутилизации из этих листьев были неодинаковыми: (табл. 3). Так, у. Саратовской 29 наибольшее количество азота оттекало в начале, у Ленинградки— в конце и у Московской 25 — равномерно в течение периода налива зерна. .Различный временной ход реутилизации азота из верхних листьев исследованных сортов свидетельствует о наличии особенностей ферментной регуляции: азотного обмена.

лНаши исследования показали, что самый высокий уровень НРЛ в листьях был,у Московской 35, самый низкий — у Саратовской 29 (рис. 5). Периоды интенсивного спада НРЛ соответствовали периодам-наибольшей убыли азота в листьях у всех сортов. Следует отметить, что средний показатель уровня НРЛ в листьях исследуемых сортов пшеницы различных экотипов связан прямой зависимостью с продуктивностью колоса,.а также общим содержанием азота в листьях и зерне.

Изученные сорта пшеницы имели и различный уровень ПЛ в листьях в период налива зерновок (рис. 5). Как ЛКП, так и ЛНП была наибольшей у Саратовской 29, наименьшей — у Ленинградки. Следует отметить, что ПЛ листьев связана прямой зависимостью с концентрацией азота взерне и обратной — с его концентрацией, в листьях. В условиях опыта между степенью реутилизации азота и ПЛ тесной связи не" обнаружено. • .

Таким образом, низкая НРЛ и высокая ПЛ у Саратовской 29 свидетельствуют о том, что в зоне недостаточного увлажнения основным источником азота зерновок является реути-лкзнрованный азот листьев. Низкая ПЛ в листьях у Ленинградки показывает, что в зоне избыточного увлажнения повышенное содержание белка в зерне обеспечиваетсял преимущественно поступлением экзогенного азота. Уровни HP А" и

ПЛ являются генетически обусловленными признаками, степень же реутилизации азота в большей мере подвержена действию внешних факторов.

Влияние различных способов обеспечения растении азотом на динамику НРЛ и ПЛ листьев кукурузы и пшеницы

Поздние подкормки нитратом были использованы с целью изменения темпов старения растений и выявления их эффекта на процессы ассимиляции и реутилизации азота в репродуктивный период развития.

Перенесение части азота в поздние подкормки приводило к существенному снижению содержания хлорофиллов, общего азота и НРЛ, а также значительному увеличению ПЛ в листьях (рис. О, табл. 4), что свидетельствовало об усилении темпов старения растений обоих видов.

Сразу после проведения поздних подкормок азотом в листьях кукурузы и пшеницы происходило значительное увеличение содержания хлорофиллов, активности и времени функционирования НР, а также ингибирование «протеаз старения» (рис. 6). Влияние подкормок на ПЛ зависело от вида иротеолитических ферментов. Более устойчивыми к «омолаживающему» воздействию подкормок азотом оказались нейтральные протеазы. В целом более сильная реакция хлоро-фнллсинтезирующей нитратассимилирующей и протеолитиче-ской систем листьев была на некорневую подкормку. Характер ответной реакции названных систем был двухфазным: период увеличения содержания хлорофиллов, НРЛ и инги« бирования «протеаз старения» сменялся периодом интенсивной деструкции хлорофиллов, уменьшения НРЛ и активизации протеолитических ферментов.

Поздние подкормки азотом существенным образом отразились и на перераспределении азотистых веществ между органами растений (табл. 4). После обработки содержание азота в вегетативных органах кукурузы и пшеницы значительно увеличивалось, причем действие некорневой подкормки в большей степени отразилось на содержании азота в листьях, а корневой — в стебле. Поздние подкормки азотом значительно снизили темпы реутилизации азотистых веществ из вегетативных органов растений. Несмотря на то, что количество азота, реутилизированного из надземных органов опытных растений, значительно уменьшилось, содержание его в зерне было выше, чем в контроле, что, по-видимому, связано с усилением поступления экзогенного азота.

Таким образом, эффект «омоложения», вызванный азотными подкормками, обусловлен: активизацией синтеза хло-рофиллов, увеличением содержания азота в вегетативных органах за счет индукции НРЛ, замедлением оттока из них

азотистых веществ за счетингибирования«протеаз старения».; В то же время действие подкормок на процесс старения листьев было кратковременным, а на реутилизацию азота из вегетативных органов — более длительным.'

Таблица 4

Влияние поздних азотных подкормок на динамику содержания азота в • органах. кукурузы гибрида. К ВС 701 • и. пшеницы. сорта. Московская 35 ___ /мг/орган/__

Дни после начала цветения ,

Вид растения Орган растения Вариант опыта 4 10 17 24 31 . » 3 я ™ Г" ж О Л о X. о, я

листья НСРС5=0,02 К • О 0.70 0,52 0.60 0.5Г ХЛ 0.55 0.50 0.70 .0.55 0.62 0,59 0,50 0.43 0.47 0.20 0.21 0,24

Кукуруза стебель; НСРЯ = 0.07 . Ко . 1,46 0,71 1,51 . о 63 - хх 1,43. 1,00 0.84 -Ш. 1,19 0,99 1,02 0.98 0,83 0.520.24 0,14

зерно НСРС5=0.07 к -о X XX 1,06 0.96 1,07 1,20 1,10 1,20 1,32 1,44 1,32 0,72 0.45 0,33

листья НСРов=0.8- к о 39,2: 26.8- 35.1 Ь 8 - - XX 32.4: 28,3 29.8 30.5 25.7 24.8 24.8 25.6 21.5" 14,3 2,7 5.3

Пшсгиаа стебель НСРс,5=2,1 к о 43.0 31,7 44.7 24.8 Л 40.5 30.1 21,1 34.5 31.8 23.1 27,6 28.5 23,1 17,1 8.5 9.6

зерно НСРо5=1.4 к о X XX 36,4 31,9 36,4 40.7 38,1. 35,4 54,8 59.2 66.4 31,4 11,2 14,9

Примечание: К—контроль (1,5 н. азота до цветения растений); О — опыт (1,0 н. азота до цветения растений); X — корневая под-хормка; XX — некорневая подкормка. Содержание азота в органах кукурузы ХЮ3.

Выводы.

1. Ход старения растений кукурузы и пшеницы в репродуктивный период развития сопровождается снижением содержания хлорофилл ов и убылью азота в фотосинтезнрукшшх ор- „

ганах,. уменьшением-НРЛ" и увеличением активности «протеаЗ старения» в листьях.

2. В период от цветения до начала восковой-спелости зерна удельная НРЛ в листьях пшеницы, по сравнению с кукурузой, в 3—4 раза выше. Эффективность же накопления азо-

" та (количество азота в расчете на ед._ НР А) до начала его видимой реутилизации, наоборот, у кукурузы вдвое больше, чем у пшеницы. Удельная ПЛ верхних листьев пшеницы пре-. восходит в 1,5—2 раза таковую листьев припочатковой зоны , кукурузы. Степень реутилизации азота из листьев кукурузы приблизительно в 1,5 раза меньше, что можно объяснить вдвое большей нагрузкой в них единицы ПЛ (количества белка в расчете на ед. ПЛ),

3. Ход процессов ассимиляции нитратного азота и гидролиза белков, а.также степень реутилизации азота из листьев зависят от их положения по отношению к репродуктивному органу» Наибольшей НРЛ" и наименьшей ПЛ у кукурузы обладал +2-лист, наибольшей ПЛ и наименьшей НРЛ-2-

лист. У растений пшеницы ф-лист характеризовался как большей НРЛ, так и ПЛ. НРЛ в листьях обоих видов связана с общим содержанием в них азота, а активность «протеаз старения» — с количеством реутнлизированного азота, '

4. В листьях кукурузы и пшеницы максимумы содержания общего азота приходятся на дневной, НРЛ — на дневной и ночной периоды, ПА — на светлые часы суток. Совпадение профилей кинетических кривых содержания общего азота и НРЛ наблюдалось в листьях пшеницы, а суточной ритмики ПА и оттока азота — в листьях кукурузы. Можно предположить, что в репродуктивный период суточная динамика общего азота у кукурузы в большей мере определяется пулом небелковой фракции азота, а у пшеницы — белковой.

5. Уровень активности НР и протеаз в листьях кукурузы и пшеницы в значительной степени определяется возрастом

. листа, а также общим ходом старения растения и зависит от уровня обеспеченности растений азотом. Развивающиеся зерновки являются важным фактором регулирования процесса реутилизации азота, причем проявление этой регуляции зависит от положения листа по отношению к репродуктивному органу.

О..Высокобелковые сорта яровой пшеницы различных эко-типов имели различный уровень НРЛ и ПЛ листьев, а также источники азота для формирования белкового комплекса зерновок. Низкая НРЛ и высокая ПЛ у сорта волжского эко-типа показывает, что в зоне недостаточного увлажнения основной источник азота в зерне — реутилизированный азот листьев. Низкая ПЛ у сорта северорусского экотипа свидетельствует о том, что Б зоне избыточного увлажнения белки

зерна формируются преимущественно за счет экзогенного азота. -

7. НРА в листьях исследованных сортов пшеницы различных экотипов связана с продуктивностью колоса, а также с содержанием азота в листьях и зерне. ПЛ в листьях в репродуктивный период коррелирует с концентрацией азота в зерне. Не" выявлено тесной связи ПЛ'со степенью реутилизации из листьев азотаГМожно полагать, что уровни НРА и ПА являются генетически обусловленными признаками, степень же реутилизации азота в большей степени зависит от действия внешних факторов.

'. 8.'Усиление процесса старения растений при перенесении части азота в поздние подкормки выразилось в уменьшении содержания хлорофиллов, общего азота, активности НР и увеличении активности «протеаз старения» в листьях. Эффект «омоложения», вызванный азотными подкормками, обусловлен усилением синтеза хлорофиллов, увеличением содержания азота в листьях за счет индукции НРА, замедлением оттока из них азотистых веществ за" счет иигнбирования «протеаз старения». Действие'поздних подкормок азотом на процесс старения было кратковременным, тогда как на реутилизацию азота — более длительным.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы: -

1. Третьяков Н. Н., Кои др атьев'М. Н., Танцов а О. И; Реутилизация азота в процессе формирования белкового комплекса злаковых культур. — Тезисы V республиканской конференции. Физиологические основы повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур. Целиноград, 1934, с. 85—86.

2. Т а и ц о в а О. И. Реакция растений кукурузы на поздние корневую и некорневую подкормки азотом. — Тезисы докладов на'IV республиканской конференции. Физиолого-биохимические основы повышения продуктивности и устойчивости растений. Кишинев, 19*0, с. 99.

3. Кондратьев М. Н., Танцов а О. И., Третьяков Н. Н. Реакция растений кукурузы на некорневую подкормку азотом в репродуктивный период.— С.-х. биология, 1966, ,\е 5, с. С6—71.

4. Кондратьев М. Н., Т а н ц о в а О. И. Нитратредуиирующая и протеолитическая активность листьев пшеницы в репродуктивный период. — Изв-я ТСХЛ, 1986, № 6, с. 104—110.

5. Кондратьев М. Н., Танцова О. И., Третьяков' Н. Н. Нитратредуктазиая' и протеолитическая активность листьев кукурузы в репродуктивный период. — Физиология растений, 1967, т. 37, Лз 1„с. 105— ИЗ. ... ....

Л 57710 13/11—87 г.

Тираж 100

Объем 1 п. л. Заказ 530.

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

Бесплатно