Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ПИТАНИЕ БОБОВЫХ РАСТЕНИИ АЗОТОМ В РАННИЕ ФАЗЫ РАЗВИТИЯ

ВАК РФ 03.00.04, Биохимия

Автореферат диссертации по теме "ПИТАНИЕ БОБОВЫХ РАСТЕНИИ АЗОТОМ В РАННИЕ ФАЗЫ РАЗВИТИЯ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

^ ' МрЬКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА

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

На правах рукописи Таиса Стефановна БРАЖНИКОВА , V

ПИТАНИЕ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ АЗОТОМ В РАННИЕ ФАЗЫ РАЗВИТИЯ

>

(Специальность 03.00.04 — биохимия растений)

I

\

^ Автореферат

х диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук * .

\

^ / МОСКВА — 1973 _ '

/ , /

/ . ч

\

Диссертационная работа выполнена на кафедре агрономической "и биологической химии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — кандидат биологических наук/ доцент М. М. Гукова. /

Официальные оппоненты: доктор биологических наук 3, [".'Евстигнеева, кандидат биологических наук*О. Л. Тавров-ская. . •

Ведущее предприятие — Всесоюзный научно-исследовательский институт удобрений и агропочвоведения им. Д. Н. Прянишникова.

Автореферат разослан'« »..........1973 г.

Защита диссертации состоится на заседании.Совета факультета почвоведения' и агрохимии ТСХА в ... час.

« » ... Г ..... . 1973 г.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ (корпус 10).'

Просим Вас принять участие в работе указанного Совета или прислать письменный отзыв по данному реферату по адресу:,Москва 125008, ул. Тимирязевская, 47, корпус 8, Ученый совет ТСХА.

Отзывы, заверенные печатью, просьба направлять-в двух экземплярах. 4 « -

Ученый секретарь Совета '

' , Ф. А. Девочкин

Начальный период роста растения характеризуется высокой напряженностью физиологических процессов и повышенной чувствительностью к условиям произрастания и снабжения питательными элементами. Недостаток или избыток какого-либо из питательных элементов в этот период, как известно, оказывает решающее влияние на все последующее развитие растения.

Азотное питание растений в начальный период жизни носит двойственный характер. Наряду с преимущественным использованием азота запасных веществ семени довольно рано начинается усвоение и минеральных соединений его из внешней среды. В связи со своеобразием и сложностью процессов обмена веществ на ранних этапах онтогенеза их детальное изучение имеет важное теоретическое и практическое значение.

Большой вклад в развитие этого вопроса был сделан Д. Н. Прянишниковым, впервые широко и всесторонне изучавшим превращение азотистых веществ в прорастающих семенах. Его исследования послужили основой для создания схемы азотного обмена в растениях, которая нашла полное подтверждение в работах многих авторов (Кретович, 1972).

Интерес к процессу прорастания не уменьшился и в настоящее время. Применение новых методов исследования дало возможность изучить подробнее превращение запасных белков при прорастании (Danielson, 1956; Faludi-Daniel, 1957; Lawrence, 1959; Родионова, 1960; Skorko, Chmielewska, 1966; Boulter, 1963; Сокольская, 1970; Белозерский, 1972; Клименко, 1972; Шутов, Вайнтрауб, 1972). Большинство этих исследований касается превращений, происходящих в запасающих органах (семядоли или эндосперм). Менее изучен обмен азотистых веществ в корешках и побегах проростков. Что касается потребления азота из внешней среды, взаимосвязи «внешнего» и «внутреннего» источников азота, а также особенностей превращения азотистых веществ в проростках бобовых культур, то в этом направлении сделано совсем мало.

Наша работа была направлена на изучение азотного обмена бобовых растений в начальные фазы их жизни, до вступления в симбиоз с клубеньковыми бактериями. В задачу исследований входило изучение следующих основных вопросов:

Ь:«:;г:м"»"'г:гч-.1 ,яа'1 1

I Г. . .. :

1. Состав азотистых соединении в покоящихся семенах и характер их превращения в процессе прорастания.

2. Размер и динамика усвоения проростками азота из внешней среды.

3. Взаимосвязь и значение двух источников азота в питании молодого растения; включение поступающего азота в синтетические процессы и распределение по органам.

4. Изменение фракционного состава белковых и небелковых соединении азота в отдельных органах проростков в связи с возрастом и условиями питания.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 1. Объект и методика исследований

Изучение питания бобовых растении азотом в ранние фазы развития проводилось на проростках гороха и вики. Для сравнения аналогичные исследования были проведены также на одном из небобовых растений — кукурузе. В опытах использовались семена гороха Немчиновский-861, вики Льгов-ская-60, кукурузы Стерлинг. Отобранные по размеру и весу семена промывали проточной водой и замачивали в течение суток. Набухшие семена раскладывали на влажную фильтровальную бимагу и проращивали до появления корешков, позволявших помещать проростки на парафинированные марлевые сетки. При высадке проводился вторичный отбор материала и выбраковка отстающих в росте или поврежденных проростков.

В дальнейшем проращивание велось на водопроводной воде или разбавленных' растворах питательных солей. За основу брали питательную смесь Кнопа, в которой изменялась доза и форма азотистых солей, согласно схемам опытов. В одних случаях давалась полная доза азота с внесением его в виде нитратных или аммиачных соединений, в других азот исключался совсем с добавлением соответствующего количества катионов и анионов в виде других солей. Питательные растворы в сосудах меняли через 5 дней. В варианте с нитратным азотом поддерживали рН питательного раствора 5,0, с аммиачным— 6,5. Проверку заданного значения рН проводили ежедневно и при необходимости доводили до нужного значения слабыми растворами ^ОН и НС1.

Проращивание велось до 15—20-дневного возраста растений. Возраст проростков отсчитывали с момента помещения набухших семян на фильтровальную бумагу («0» дней прорастания). Для анализов брали сухие и набухшие семена, проростки 5-, 10-, 15 и 20-дневного возраста. Проростки расчленяли на семядоли, побеги и корни. В каждой пробе опреде-2

»

Лялось содержание сухого вещества, общего азота, белковых и небелковых соединений, а также фракционный состав их. и активность нитратред'уктазы. Анализы проводили в свежем или фиксированном жидким азотом материале.

При выполнении анализов были использованы следующие методы: нитраты в воде и питательных растворах определяли по методу Грандваля и Ляжу (Плешков, 1968). Формы небелковых соединений азота в растениях определяли диффузионным методом с последовательным вытеснением их в виде аммиака и определением последнего колориметрическим методом по Несслеру (Ястрембович, Калинин, 1962; Петербургский, 1968). Активность нитратредуктазы определяли по методу Мульд ера с некоторыми изменениями (Пейве, Жизневская, 1961). Общий, белковый и небелковый азот, а также фракционный состав белков определяли по общепринятой методике (Плешков, 1968). Чтобы учесть нитратный азот, пробы сжигали с фенолсерной кислотой.

II. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЗОТА ЗАПАСНЫХ БЕЛКОВ

СЕМЕНИ

1. Состав азотистых веществ в покоящихся семенах гороха

и вики

Семена гороха и вики, использованные в опытах, отличались высоким содержанием общего азота и большой долей в нем белковых соединений (табл. 1).

Таблица 1

Содержание азота в покоящихся семенах гороха и вики

(% на сухое вещество и мг на 100 штук)

Формы азота Горох Вика

% мг | % от общего (1—3) и нсбелко 1 вого (4—7) азота % мг % от общего (1—3) и небелко вого (4—7) азота

1. Общий.....'...... 3,52 1063 100 4,70 240 100

2. Белковый........ . 3,10 936 88,1 4,00 204 85,1

3. Небелковый........ 0,42 127 11,9 0,70 36 14,9

4. Аминный ......... 114,7 90,3 33,5 93,1

5. Амидный .... ..... 5,0 4,0 0,9 2,4

6. Аммиачный ........ 2,9 2,3 0,7 1,9

7. 4,4 3,4 0,9 2,6

і

Небелковые азотистые соединения составляли 12—15% общего азота. Наибольшее количество их азота приходится на аминокислоты.

В составе белков гороха преобладала фракция легкорастворимых глобулинов — 42,6%. Второй по величине была фракция альбуминов (24,6%). В белках вики преобладали солерастворимые глобулины (33,7%) и довольно высоким было содержание альбуминов (30,2%).

2. Динамика распада и ресинтеза белков в процессе прорастания. Прорастание семян гороха и вики сопровождалось сложными процессами превращения азотистых веществ, содержащихся как в их семядолях, так и в осевой части зародыша. Развивающиеся ростки интенсивно использовали запасной азот и другие питательные вещества семядолей: В результате этого сухой вес семядолей и количество азота в них быстро снижалось (табл. 2).

Таблица 2

Содержание общего, небелкового и белкового азота и-сухого вещества в семядолях гороха и вики

(с;о на сухое вещество в мг на 100 растений) (проращивание на водопроводной воде)

Сухой вес 200 семядолей, г Общий азот Небелковый азот Белковый азот

Возраст проростков, дни мг % мг % от общего мг .% от общего

Горох

0 18.58 3,73 808 0,22 48 6,0 3,51 760 94,0

5 16.92 3,98 782 0,72 141 17,4 3,26 641 82,6

10 7,12 8,45 602 2,36 168 20.8 5.09 433 79.2

15 4,50 5,93 238 3,40 -136 16,8 2,53 102 83,2

Вика •

0 3,78 4.87 184 0,77 29 15.8 4,10 155 84,2

5 3,45 5,00 171 1,34 45 24,5 3,65 126 75,5

10 2,12 5.56 118 1,65 35 19,1 3.91 83 80,9

15 1,45 / 6,70 97 3,12 45 24,4 3,58 52 75.6

Относительное содержание общего азота'в семядолях в отдельные периоды несколько повышалось в связи с более быстрыми темпами расходования в это время сухого вещества семян.

; Количество белкового азота в семядолях прорастающих семян быстро уменьшалось. В первые дни распад белков про-4

«

исходил преимущественно за счет фракции легкорастворимых глобулинов. Содержание альбуминов уменьшалось значительно медленнее и доля их в составе белка увеличивалась.

Гидролиз белков сопровождался накоплением в семядолях небелковых азотистых соединений. Количество небелкового азота к 5-му дню проращивания увеличивалось в 2—3 раза. В дальнейшем отток его в растущие органы возрастает и содержание в семядолях снижается.

В растущих частях проростков гороха и вики содержание азота повышалось по мере их развития. Причем в первые дни развития концентрация азота в тканях корня была более высокой, чем в побегах. К 15-му же дню проращивания процентное содержание азота в них несколько выравнивается, а абсолютное количество его в побегах становится в 2— 2,5 раза больше, чем в корнях (табл. 3).

Количество небелкового азота в побегах и корешках увеличивалось по мере развития. Однако, распределение его между органами с возрастом значительно изменяется. Внача-

Таблица 3

Содержание общего, небелкового и белкового азота в ростках гороха -и вики разного возраста

(в % на еухое вещество и мг на 100 растений) (проращивание на водопроводной воде)

Возраст проростков, дни Общий азот Небелковый азот Белковый азот

■ >0 мг % мг % от общего % мг % ОТ, общего

Горох

5 8,82 90 2,18 22 24,4 6,64 68

10 1,32 62 0.45 21 23.2 0.87 41

2,10 58 1,12 31 34,5 0,98 27

Вика

5 3,00 9 0,67 о 21,1 2,33 7 77,9

10 3.37 39 2,07 24 61.6 1.30 15 38.4

5.00 21 3,09 13 61,9 1,91 ■ 8 38,1

15 4,96 74 3.69 55 74.3 1.27 19 25.7

5,76 31 3,89 21 67,7 1,85 10 32,3

Примечание. В данной таблице и последующих, имеющих обозначение дробью, в числителе — побеги, в знаменателе — корни.

ле содержание небелковых соединений азота было более высоким в корешках, а затем происходит повышенное накопление их в побегах, хотя синтез белков в последних идет также в больших масштабах, чем в корнях. Доля белкового азота в общем была наиболее высокой в ростках 5-дневного возраста. По мере роста темп синтеза белковых веществ снижался, и в составе азотистых веществ побегов возрастал удельный вес небелковых соединений.

Определение фракционного состава вновь синтезируемых в ростках белков показало, что они значительно отличались от тех запасных белков, из которых молодые растения брали азот (рис. 1). По сравнению с белками семядолей они богаче труднорастворимыми фракциями. Преобладающей фракцией в их составе были, как правило, альбумины. Сравнение состава белков в побегах и корнях гороха и вики показало, что в первых содержание альбуминов и глютелинов было более высоким, чем в белках корней.

3. Состав и локализация в проростках небелковых соединений азота. В покоящихся семенах гороха и вики содержание небелковых соединений азота невелико. По мере прорастания суммарное их количество в проростках повышается. Определение фракционного состава небелковых.соединений азота в проростках разного возраста показало, что накопление небелкового азота сопровождалось изменением его состава. На рис. 2 представлена динамика накопления отдельных фракций небелкового азота в проростках гороха и вики.

Как и в исходных семенах, в семядолях и ростках разного возраста основная часть небелковых соединений азота представлена аминокислотами. В семядолях на их долю приходилось от 51,6 до 97,3% азота всех небелковых соединений, а в семядолях вики — от 66,3 до 90,4%. Другие фракции этой группы соединений представлены меньшими количествами, хотя в отдельные периоды роста их содержание значительно увеличивалось.

Количество аминокислот, образующихся в семядолях при гидролизе белка, в начале опыта значительно возрастало, затем, по мере истощения запасов белка в семядолях и усиления оттока азота в растущие органы начинало снижаться.

Заметное увеличение содержания аммиака в семядолях гороха и вики к 5-му дню прорастания происходит, очевидно, в результате усиления процесса дезаминирования аминокислот.

Важнейшей формой связывания и резервирования аммиака, как известно, является синтез амидов. В наших опытах содержание амидного азота в семядолях гороха значительно по-6

вышалось в первую пятидневку проращивания, у вики — в течение первой и второй пятидневок.-

В ростках абсолютное содержание азота аминокислот, аммиака и амидов возрастало до конца опыта.

III. Усвоение проростками азота из питательной среды

1. Размер, динамика усвоения и распределение по органам.

В начальный период жизш< проростки наряду с интенсивным использованием азота запасных веществ семени одновременно в какой-то мере начинают потреблять и неорганические соединения азота из внешней среды.

В наших опытах проростки вики и кукурузы при выращивании на питательной смеси, содержащей азот в нитратной или аммиачной форме, начинают довольно рано и интенсивно усваивать его.

.Как видно из табл. 4, при наличии азота в питательной среде накопление его в ростках вики к 20-му дню опыта в 2— 2,5 раза превышало количество азота в ростках, находившихся на питательных растворах без азота. В опыте с кукурузой разница была еще более значительной.

Высоким относительным содержанием азота отличались ткани 5-дневных ростков вики и кукурузы. С возрастом концентрация азота в ростках снижалась, хотя абсолютное его количество возрастало во всех вариантах. На полной питательной среде проростки всегда были богаче азотом, чем при усвоении его только за счет запасных веществ семядолей.

Поступающий в ростки азот неравномерно распределяется между.побегами и корнями: большая- чзсть его поступала в побеги. При отсутствии азота в питательной среде соотношение его в тканях побегов и корней сдвигалось в сторону последних. Так, если на долю корней в «азотных» вариантах приходилось 25—30% азота у вики и 15% У кукурузы, то в варианте без азота в корнях вики было сосредоточено 42—45%, в корнях кукурузы — 32%. Наблюдалась также усиленная ростовая реакция корня на отсутствие азота в питательной среде.

Концентрация азота в тканях корней кукурузы на протяжении всего опыта была значительно ниже, чем у вики при тех же условиях обеспеченности азотом. Кроме того, при сравнении процентного содержания азота в сухом веществе корней и побегов этих растений видно, что корни кукурузы содержат значительно меньше азота, чем побеги, тогда как в корнях вики его столько же или даже больше, чем в побегах.

2. Включение поступающего в ростки азота в синтетические процессы. Результаты опытов показали, что по мере того как

• Таблица 4

Накопление общего азота в проростках вики и кукурузы при наличии или отсутствии азота в питательной среде

■(в % на сухое вещество и мг на 100 растений)

Вика Кукуруза

Возраст проростков, дни — N ,\'Н N0,- ■ —N N11« + N0,

•V ¡0 мг % мг % мг % мг % мг 0' /0 мг

5 7,34 66 7,34 66 7,34 66 4,23 47 4,23 47 4,23 47

10 4,46 73 10.80 176 9,25 158 3.87 68 5,23 125 5,16 103

4,26- ъо 7.55 67 6,77 53 1,«У 16 3,82 34 3,51 35

15 3,03 95 7.01 219 '7,22 228 3,12 74 4.91 190 5,03 171

4,48 67 0,75 94 6,55 89 1,97 35 3,40 55 3,65 52

20 2,10 102 4.43 288 4,54 281 3.00 87 3.58 403 3.54 334

2,32' 71 5,61 136 5,70 131 1,57 41 3,41 70 2,92 60

в ростках накапливался азот, изменялся и состав его соединений. |

Содержание небелкового азота в ростках вики увеличивалось с возрастом проростков (табл. 5). Условия азотного питания оказывали заметное влияние на общее накопление низкомолекулярных соединений азота и их состав. Как относительное, так и абсолютное содержание небелкового азота было значительно выше при наличии в среде солей аммония или азотной кислоты. У растений на полной питательной смеси насыщенность тканей, особенно корней, * небелковым азотом была высокой. Обращает на себя внимание повышенный удельный вес небелковой фракции в корнях, вики этих вариантов (65—67% от общего азота).

Интересно отметить, что при всех условиях азотного питания относительное (% на сухое вещество)ч содержание небелкового азота в побегах вики было всегда ниже, чем в корнях.

Окисленная и восстановленная формы азота в питательной среде усваивались растениями примерно одинаково.

В составе небелковых соединений в побегах и корнях вики большая часть азота приходилась на аминокислоты (рис. 3).

На аммиачном фоне в ростках вики не происходило заметного по сравнению с другими вариантами накопления аммиака. Это говорит о том, что поступающий в растения минеральный азот энергично включался в синтетические процессы, сопровождающие рост и развитие проростка.

на&лиие ceJtadojtt. ,по$еги kCphl семсна.

□ э

ш г

Ш б

т 6

а.

'AajoiiL посеги KCPHIL •

15 — диесных проростков

Рас. L Фракционный, сстаб '5ej*o6 прсросткоб бака

при прорастании, на бодопрободной Sobe. . а - сиьдимины; 5 -jeixopaonóopuMbic ¿jс$ялины; 6 - ¿Филины, uiSicnaeJUbie NaC¿\ Z — ¿j/стеиины^ Ь-ни>сст6сршиый остаток.

г

Рис. S. Динамика, неїїемобьіх соединений, азота. 6проростках бики. I - амммах. ; Ц—амиды ; M — аминокислоты.' а.-селядош ' Ъ-ростки ; I - heb проросток.

M M

«a

,••3 • -І *

S

»40

Ci S

r 2

20 » «

го 0

to

IS

-N

Дн и, прор&ст&нья — NH^ »;-----MOÍ

Рас. Диналшна аммиака (I), амидов (i)t нитратЬ (й>) и йм юкислст 0}) Ь ростках пики, при, различной* обеспеченности, азгтоло.

-М, МНи мое -н ЫИи N^3

росшхи " •

Рис. 4' Фракционный.' состав белкоЬ 20-днебны* проросткоб Ьйш при различной ' обеспеченности азотолс.

а-альбумины; б-легкор&стборимые глобулины-, 6-глобулины, изблекаемыь Ы&С1у г-глютещны-, д-нерастборил/ый остаток.

Таблица 5

Содержание белкового и небелкового азота в отдельных органах проростков вики при различных условиях азотного питания

(в % на сухое вещество и мг на 100 растений)

Белковый азот Небелковый азот

Возраст пророст- 1 К08, ДНИ — N МН4 + КОз - —N МН4 + ХОз -

% мг % мг - % мг % мг 0' 70 мг % мг

5 4,80 43 4,80 43 4,80 43 2,54 23 2,54 23 2,54 23

10 2.34 38 , 7,02 114 5,05 86 2,12 35 3.78 62 4.20 72

2,16 30 1,44 13 3,00 23 2,10 30 6,11 54 3,77 30

13 1,58 49 4.51 141 3.88 123 1,49 46 2.50 78 3.34 105

2,30 34 2,49 35 2,72 37 2,18 33 4,26 59 3,83 52

20 1.25 6 Г 2,12 148 2.15 133 0,85 41 2.31 150 2.39 148

. 1,05 32 1,76 43 1 1,96 45 1,27 39 3,85 93 3,74 86

На фоне соли азотной кислоты количество нитратов в тканях проростков вики значительно повышалось только после 15-дневного возраста.

Поступающий в ростки азот активно включался в . синтез белков, причем накопление последних зависело от общей обеспеченности проростков азотом (табл. 5). При наличии азота в питательном растворе ростки вики содержали больше белков, чем в варианте без азота. Эта разница была значительной уже через 5 дней после помещения проростков на питательную смесь. Аммонийный азот быстрее включался в синтез белков, вследствие чего в ростках данного варианта накапливалось больше белков, чем при питании нитратами. Относительное содержание белкового азота с возрастом снижалось во всех вариантах.

При отсутствии внешнего источника азота соотношение между количеством белков в побегах и корнях сдвигалось в сторону последних. Если принять за 100% суммарное содержание белкового азота в побегах и корешка'х, то на долю корней в «азотных» вариантах приходилось 16,2—22,0% его, а при отсутствии внешнего источника азота — 34,7%.

С возрастом изменялся состав белков проростков вики (рис. 4). Если в белках 5-дневных ростков преобладали легкорастворимые глобулины, то к концу опыта большая часть белков была представлена нерастворимой фракцией. Независимо от обеспеченности азотом белки тканей корней были бо-

гаче легкорастворимыми фракциями по сравнению с белками побегов.

К концу опыта в составе белков надземной части ростка при аммиачном питании было повышено содержание глюте-линов. Белки побегов нитратного варианта имели сравнительно большее количество легкорастворимых глобулинов, а белки корней этого же варианта отличались высоким содержанием альбуминов.

Несмотря на некоторые различия, состав белков в соответствующих органах проростков вики при всех вариантах питания был довольно близким. Очевидно, те изменения, которые наблюдались в процессе роста растений при различных условиях снабжения азотом, не вызывали значительных отклонений от нормального хода процессов обмена веществ в них.

3. Влияние азота внешней-среды на использование запасных белков семени. Проведенные опыты показали, что проростки вики активно потребляют азот семени независимо от состава питательной среды. Содержание, азота в семядолях быстро снижалось как при наличии, так и при отсутствии доступного азота в среде. Уже к 5-му дню проращивания его запасы сократились почти на 40с/о. а к концу опыта в семядолях оставалось неиспользованным только 5—8% общего азота (табл. 6).

Таблица 6

Использование проростками азота семени в зависимости от состава питательной смеси '

(М в % на сухое вещество и в мг на 100 растений)

Вика Кукуруза

Возраст проростков, дни —N N0,- — N N0

% мг % мг /0 мг % мг % мг % . мг

0 5 10 15 20 5.05 4,38 5,64 5,24 2,23 180 107 41 16 6 5,05 4,38 6,12 5,60 2,13 180 107 40 16 5 5,05 4.38 5,59 5,14 5,52 180 107 39 16 5 1,16 1,10 1,01 . 1,12 1,05 300 253 216 192 172 ч 1,16 1,10 1,19 1,16 0,91 300 253 246 213 143 1,16 1,10 1,08 1,04 0,86 300 253 215 183 119

Скорость расходования азота из семядолей было примерно одинаковой как на полной питательной среде, так и при исключении азота.

Потребление запасного азота проростками кукурузы происходило гораздо медленнее, чем у вики. Если в семядолях вики основное количество азота было использовано в первые

10-дней прорастания (70г/о), то проростки кукурузы за это время использовали 18—28% азота эндосперма.

Определение размеров потребления азота проростками вики и кукурузы из каждого источника (из семян и питательной среды) показало, что у вики использование запасного азота шло независимо от того, имеется ли доступный азот в питательной среде, у кукурузы же оно замедлялось на безазотных средах. По мере роста и развития корневой системы и истощения запасов семени проростки все больше и больше усваивали азот из питательного раствора и доля азота семени в общем усвоении его проростками уменьшалась.

Для выяснения роли семядолей в потреблении проростками «внешнего» азота у части опытных растений вики перед высадкой на питательную смесь проводилось удаление семядолей. Такая операция вызывала подавление роста проростков даже при наличии полной питательной смеси. Удаление семядолей снижало и потребление азота. Хотя со временем накопление азота в таких проростках и повышалось, все же его количество в несколько раз было ниже, чем в цельных проростках даже при отсутствии азота в питательной смеси.

Если предположить, что питание проростков азотом семени и питательной среды происходит независимо, то простая арифметическая сумма азота, усвоенного ростками из семян при отсутствии внешнего источника и из питательной среды ростками, лишенными семядолей, соответствовала бы количеству азота, накопленного проростками, с неудаленными семядолями в варианте с полной питательной смесью. Фактически же накопление азота проростками последнего варианта в 1,7 раза превышало расчетную величину.-

Таким образом, наиболее интенсивное накопление азота в проростках вики и кукурузы происходило при одновременном использовании ими азота запасных белков семени и питательной среды.

• IV. Накопление нитратов в тканях проростков разного возраста и активность нитратредуктазы

Известно, что особенностью растений является их способность усваивать нитраты, чего лишены животные и многие микроорганизмы. Поэтому изучение накопления нитратов в тканях растении, их дальнейшего превращения в обмене веществ и активности нитратредуктазы, фермента, катализирующего начальные э'гапы процесса биологического восстановления нитратов, представляет большой интерес.

В настоящее время считается, что в растениях могут содержаться нитраты только экзогенного происхождения, еще

не подвергшиеся превращениям в обмене веществ. Если нитраты не поступают извне, то они и не содержатся в растениях. При этом в тканях нет и активной нитратредуктазы, Однако есть единичные данные о том, что в растениях имеется энзима-тический цикл, включающий четыре редуктазы, участвующие в восстановлении нитратов до аммиака, и четыре дегидрогена-зы, окисляющие аммиак до нитратов (^ата^ь ОБа^та, 1963). При выращивании на аммонийном азоте в тканях растений была обнаружена активная нитратредуктаза (Евстигнеева, Томова, 1969) и накопление нитратного азота (Иои1-сЬепко, Ое1ша$, 1963; Гукова, 1971; Посыпанов, 1971).

В наших опытах имело место повышение содержания нитратов в проростках при выращивании их на средах, не содержащих нитратов.

Таблица 7

Накопление нитратов в проростках гороха и вики в разные дни прорастания ■

(М в мг иа 100 растений)

Возраст проростков дни

Органы горох вика .'

проростка г

0 5 10 15 0 5 10 15

Семядоли 7,1 4,1 2,3 5,6 1.0 0.8 0.8 2.8

Корни 2,7 1,8 6,1 1,0 0.5 1,8

Побеги 2,4 34,9 0,9 5,1

Всего 7,1 6,8 6,5 46,6 1,0 1.8 о о 9,7

Содержание нитратов в сухих семенах невелико: 4,4 мг азота на 100 семян в горохе и 0,9 мг в вике. При проращивании их на водопроводной воде количество нитратов в проростках к 15-му дню опыта увеличивалось в 10 и более раз (табл. 7). В воде нитраты не были обнаружены. Как в проростках гороха, так и в проростках вики нитраты имелись во всех органах, но накапливались в больших количествах преимуществен-" но в побегах.

В опытах с выращиванием проростков вики на питательной смеси с различными формами азота больше всего нитратов накапливалось, как и следовало ожидать, на фоне солей азотной кислоты (табл. 8) . Правда, в первые дни роста в этих растениях нитратов накапливалось мало. Вероятно, это объясняется тем, что'общие размеры потребления азота были еще небольшими, а редукционная способность тканей высокой.

• Нитраты в тканях растений были обнаружены также нз безазотном и аммонийном фонах, хотя анализы показывали,

что в питательном смеси под данными растениями нитраты отсутствовали.

По мере роста содержание нитратов повышалось и в корнях и в побегах обеих вариантов. В проростках, потреблявших аммонийный азот, содержалось почти в два раза больше нитратов, чем в «безазотном» варианте.

Аналогичные данные были получены, и в опытах с проростками кукурузы (табл. 8).

Таблица 8

Содержание нитратов в 20-дневных проростках вики и кукурузы при различных условиях азотного питания

(М в мг на 100 растений) -

Органы проростка Вика Кукуруза

КН4 + N03- —К ГШ, 4- К03-

Іабухшие семена . . . 0.6 0.6 0,6 1,6 1,6 1.6 •

^емядоли ...... 0,6 0,8

Эндосперм . . . . 3.2 9,7 8.9

<орни....... . 2,9 3,2 10.2 0.8 0,5 2,4

Іобеги....... 3,7 9,2 27,5 1,1 2,3 10,0

Всего- 6,9 13,0 38,5 5,1 12Д 21,3

Обращает на себя внимание высокое содержание нитратов в эндосперме кукурузы.

Наличие активной нитратредуктазы в тканях проростков, находившихся на безазотных средах или на смеси с аммонийными солями (табл. 9), также указывает на то, что в них имеются нитраты, являющиеся субстратом для деятельности данного фермента.

Активность нитратредуктазы в проростках кукурузы была значительно выше, чем в проростках вики и более четко про~-являлась зависимость ее действия от условий питания азотом.

Самая высокая активность фермента была в проростках «нитратного» варианта. На протяжении всего опыта в этих растениях активность нитратредуктазы в побегах была выше, чем в корнях. Следовательно, нитраты, поступающие в проростки, далеко не полностью восстанавливались в корнях, и значительная часть их подвергалась редукции в побегах.

Таким образом, количественное определение содержания нитратов в тканях растений, не получавших извне азота в окисленной форме, а также определение активности нитратредуктазы, . фермента, имеющего индуцируемый характер, подтверждает имеющиеся в литературе, хотя и малочислен-

Таблица 9

Активность нитратредуктазы в проростках вики и кукурузы (мкГ"МаМС>2 на 1 г сырого веса за 30 мин.)

Возраст проростков, дни —N N0,-

побеги корни побеги корни побеги корни

Вика

7 1,1 1,5 1,6 1,3 4,9 2,9

11 0,5' 1,0 0,6 1,1 5.4 2,1

16 1,4 . 1,5 1,0 1,2 8,5 2.5

20 0,8 0,6 0,7 0,6 4,2 2,9

Кукуруза

6 7,7 7,7 7,7

11 18,1 11,7 13,9 12,1 15,4 11,7

16 5,7 11,3' 12,4 7,9 23,4 11.7

20 4,8 7,0 8,1 11,0 12,1 8,2

ные, сообщения о том, что какая-то часть аммиачного азота а растениях может окисляться в определенных условиях до нитратов.

ВЫВОДЫ

1. В составе запасных азотистых веществ семян вики и го-' роха преобладают белковые вещества, состоящие на 65—75% из глобулинов. На долю небелковых соединений приходится 12—15% всего азота. Основное количество небелковых соединений представлено аминокислотами (90—93%). Содержание аммиака, амидов и нитратов невелико.

2. При прорастании семян вики и гороха отток азотистых веществ из семядолей в растущие органы происходит в основном за счет распада глобулиновой фракции белков. Содержание глобулинов, особенно легкорастворимых, быстро снижается, доля альбуминов в общем белковом комплексе по мере прорастания увеличивается. Относительное содержание глюте-линов и нерастворимого остатка изменяется мало.

3. Общее количество небелковых соединений азота в семядолях повышается в первые дни прорастания, затем начинает снижаться в связи с быстрым оттоком их в растущие органы. В составе небелковых .соединений преобладают аминокислоты, содержание которых увеличивалось с начала прорастания '14 '

и уменьшалось к концу опыта. Таким же образом изменяется содержание амидов и аммиака.

4. Развивающиеся ростки в начале отличаются высоким содержанием азота. Количество его в процентах на сухое вещество иногда было выше, чем в исходных семенах. С возрастом относительное содержание азота уменьшается.

5. Белки растущих частей проростков гороха и вики значительно отличаются по составу от запасных белков семядолей: в них преобладают альбумины, сравнительно много труднорастворимых фракций и мало глобулинов. Белки побегов содержат больше альбуминов и глютелинов, чем белки корней.

С. Количество небелкового азота в ростках гороха и вики с возрастом увеличивается. Относительное содержание небелкового азота в корнях всегда было выше, чем в побегах, хотя в абсолютных величинах его больше накапливается в побегах.

7. При проращивании семян вики на питательной смеси, содержащей азот в аммиачной или нитратной форме, найдено, что проростки активно усваивают его наряду с использованием запасного азота семядолей. Скорость оттока азота из семядолей в развивающиеся ростки не зависела от наличия азота в питательной среде (в отличие от кукурузы, у которой наличие азота в питательной среде усиливает использование азота из эндосперма).

Удаление семядолей отрицательно сказывалось на потреблении азота из внешней среды и на общем развитии проростков. Наиболее интенсивное накопление азота в проростках происходит при одновременном использовании ими азота обоих источников (запасных белков семени и внешней среды).

8. Исключение азота из питательной среды вызывает усиление роста корня. Интенсификация роста корня сопровождалась первоочередным снабжением корней азотом и пластическими веществами, за счет перераспределения их в.проро- . стке между побегами и корнями. Однако в проростках кукурузы эта тенденция была выражена более резко, чем в проростках вики.

9. Фракционный состав белковых веществ в проростках вики мало зависел от наличия азота в питательной среде. Разница в количественном содержании отдельных фракций была небольшой. Белки побегов «нитратного» варианта содержали несколько больше легкорастворимых глобулинов, а белки корней — альбуминов. При аммонийном питании в побегах возрастала доля глютелинов.

10. В проростках гороха, вики и кукурузы, выращиваемых как на полной питательной смеси, так и без азота, в составе-небелковых азотистых соединений отмечено накопление нитратов. Наибольшее их количество содержалось при питании

нитратным азотом. Однако и при отсутствии внешнего источника азота или при наличии в среде только аммиачных солей в проростках накапливались нитраты в количествах, превышающих в несколько раз их содержание в исходных семенах: Наличие активной нитратредуктазы в проростках,, не получавших азот извне или получавших его только в аммонийной форме, также указывает на то, что в тканях этих растений имеются нитраты.

По материалам диссертации опубликованы следующие

работы:

1. Превращение белковых веществ при прорастании семян вики и гороха. Известия ТСХЛ, вып. 4, 1971.

2. Использование азота викой в ранние фазы развития. Известия ТСХА, вып. 5, 1972.

Объем 1 п. л. Заказ 446. Тираж 150

Типография Москозской с.-х. академии им. К. А. Тимирязева Москва 125008, Тимирязевская ул., 44