Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ПОГЛОЩЕНИЕ ИОНОВ НИТРАТА И АММОНИЯ РАСТЕНИЯМИ КУКУРУЗЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ КОРНЕЙ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ПОГЛОЩЕНИЕ ИОНОВ НИТРАТА И АММОНИЯ РАСТЕНИЯМИ КУКУРУЗЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ КОРНЕЙ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

На пРавах рукописи АЛАДИНА Ольга Николаевна

поглощение ионов нитрата и аммония растениями кукурузы в зависимости от температуры в зоне корней

- (03.00.12 — физиология растений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —1982

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

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

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник М. Г. Зайцева; кандидат биологических наук,доцент В. В. Горчаков.

Ведущее учреждение — Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, кафедра физиологии растений.

Зашита диссертации состоится « ¿.Т »

1982 г. в » часов на заседании Специализированного

совета Д 120,35.07 при Московской сельскохозяйственной ака-, демнн им. К- А. Тимирязева.

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

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «

. .-¿¿¿У. . , 1982 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, доцент

М. Н. Кондратьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Живой растительный органнзм является саморегулируемой системой, надежность которой определяет физиологическую активность и биологическую продуктивность растений.

Адаптационные возможности растения определяются богатством и разнообразием заложенной генетической информации, позволяющей в широком диапазоне варьирования условий внешней среды обеспечить его сохранность. Поэтому в настоящее время проблема саморегуляции живых систем на всех уровнях организации, как указано в постановлении Президиума АН СССР от 21 октября 1971 года, является одной из центральных проблем естествознания.

Явления саморегуляции в поглощении элементов минерального питания изучены недостаточно. Для растений, по-видимому, особенно необходима саморегуляция поглощения форм азота, т. к. избыточное накопление в растениях иона аммония токсично для растення. С другой стороны, избыточное поглощение и накопление нитратного азота в биомассе снижает качество растительной продукции и оказывает при этом отрицательное воздействие на организм человека и,животных. Проблема регуляции азотного питания стоит в наше время особенно остро в связи с расширением производства н высокой эффективности использования минеральных удобрений в сельском хозяйстве.

Можно предположить, что пределы саморегляцин в поглощении растениями двух форм азота в большой степени зависят от условий внешней среды. Но если обеспеченность растений формами азота можно регулировать, то температура среды, которая в значительной степени определяет избирательность поглощения ионов, в природных условиях является фактором практически нерегулируемым.

Накопленные сведения о влиянии низкой положительной температуры на поглощение ионов нитрата и аммония иосят противоречивый'характер {Коровин. Глянько. 1979. Цуск1аша, 1963; Оагквоп ¿1 а1,- иу^^рд^^^с^одцяоди 1 осокой по-

Иос:. (т.д. Яэн.."э

ложнтельной температуры на эти процессы практически отсутствуют. При этом большинство работ выполнено на проростках или отделенной корневой системе. Кроме того, в этих исследованиях не учитывался фактор времени при оценке реакции систем поглощения на перепад температур,

В связи с этим представляется важным изучить возможность регуляции растениями функционирования систем поглощения NH«+- и NO3 - при действии на них неблагоприятных факторов внешней среды, в т. ч. перепадов температуры.

Целью настоящего исследования явилось изучение явлений саморегуляции при поглощении растениями аммонийной и нитратной форм азота в нормальных условиях выращивания и при воздействии на корневую систему низких и высоких положительных температур, а также изучению приспособительных возможностей поглотительной системы растений в период температурного воздействия и последействия.

В задачу исследований входило изучение следующих вопросов:

1. Изучение влияния скорости перепада температуры в зоне корней и концентрации питательного раствора на изменение во времени интенсивности и избирательности поглощения ионов, а также на характер ответной реакшш систем поглощения аммония и нитрата.

2. Выявление особенностей адаптации систем поглощения NH<+ и N03- к действию перепада температуры в зоне корней.

3. Изучение эффекта последействия перепада температуры на поглощение форм азота.

4. Определение наличия связи суточного ритма активности иитратредуктазы в листьях и корнях растений с изменением скорости поглощения ионов нитрата при действии высокой и низкой положительных температур и разной концентрации азота в питательном растворе.

5. Исследование в растениях содержания форм азота в зависимости от температуры и концентрации, азота в питательном растворе.

Объект исследования. Исследования проводились на 36-дневных растениях кукурузы (Zea mais L.) гибрид Буковин-ский ЗТВ, которые к моменту проведения экспериментов имели 10—12 листьев. Выбор названного объекта обусловлен тем. что растения кукурузы хорошо растут в искусственных условиях, как правило имеют хорошо развитую корневую систему н эндогенные ритмы поглощения ионов питательных сшей, обладают нитратредуцирующей активностью в листьях и корнях и, будучи теплолюбивой культурой, :являются хорошим объектом для-изучения влияния низких и высоких положительных температур на поглощение нонов. • 2 :

Научная но виз на. Использованные методические подходы позволили изучить влияние резкого л постепенного перепадов температуры в зоне корней в сочетании с разными концентрациями форм азота в питательном растворе на изменение ритма, относительной скорости и избирательности поглощения интактнымн растениями форм азота, на характер ответной реакции двух систем поглощения. Выявлено, что в период действия перепада температур и увеличения концентрации азота в питательном растворе'у растений проявляется нсспеццфнче-ская ответная реакция систем поглощения Х'Н*4- и N03*% которая характеризуется усилением ритма поглощения ионов (изменением периода и амплитуды колебаний). Впервые, наряду с ритмом поглощения нитрата, был изучен суточный ритм поглощения попа аммонии, когда оба нона одновременно присутствовали в питательном растворе. Изучение особенностей ответной реакции и использование «площади регулирования» п качестве меры устойчивости 'систем поглощении ионов ЫН^ и N0^ к действию температурного перепада позволили выявить большую чувствительность процесса поглощения >Ю3- к действию низкой положительной температуры, а процесса поглощения ЫНч* — к действию высокой положительной температуры. Установлено, что при повышении концентрации азота в корнеобнтаемой среде резко ухудшается регулируемость процессов поглощения обоих попов. Исследование хода адаптационного процесса в период действия и последействия перепадов температуры в зоне корней дало возможность выявить значительные приспособительные возможности у системы поглощения нона нитрата по сравнению с системой поглощения иона аммония. Установлена связь суточного хода активности ннтратредуктазы в" листьях и корнях растений кукурузы с ритмом поглощения ионов нитрата при действии перепада температуры. Полученные сведения вносит новый вклад в изучение механизмов саморегуляции растения* мня поглощения элементов минерального ннтапия при.возникновении у них защитно-приспособительных реакций п ответ на воздействие изменяющихся температурных условий выращивания.

Практическая значимость. Установленные в работе закономерности являются вкладом в разработку теории механизмов адаптации и устойчивости растений'к,неблагоприятным факторам внешней среды, имеющей важное значение для практики сельского хозяйства. Они позволят прогнозировать напряженность процессов поглощения и ассимиляции форм азота в зависимости от складывающихся температурных условий внешней среды, а следовательно, и возможность избыточного накопления в растениях нитратов. Данные о том, что при чрезмерной концентрации азота ухудшается регулируемость проз

боссов поглощения и ассимнляшш форм азота могут быть полезны также при разработке более эффективных способов применения азотных удобрений.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных конференциях Московской сельскохозяйственной академии им. К. Л. Тимирязева в 1979 и 1980 гг., а также на теоретическом семинаре «Ионный обмен у растений», посвященном памяти Д, Л. Сабинина (ИФР АН СССР) в 1980 и 1981 гг. и изложены в трех печатных работах.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Материалы изложены на 122 страницах машинописного текста, включают 28 рисунков и 16 таблиц. Список использован ной литературы включает 289 наименований, из них 201 иностранное.

Условия проведения опытов и методика исследований. Вегетационные опыты проводились в Лаборатории искусственного климата ТСХА в 1979, 1980, 1981 гг. Семена кукурузы стерилизовались, намачивались, а затем проращивались на фильтровальной' бумаге в термостате при 20°С. При достижении длины корешка 2 см растения пересаживались на 0,25 н питательный раствор Прянишникова. Интенсивность освещения люминесцентными лампами ЛБМ-30—12 клк, длина фотоперн-ода— 16 часов (свет с 6 до 22 часов), температура воздуха — 20° круглосуточно. Наряду с обязательными микроэлементами вносился Мо. Объем опытного питательного раствора на момент проведения эксперимента составлял 2,5 л. Растения выравнивались на следующих этапах: отбор выравненных семян, отбор по длине корня и побега при проращивании, отбор по интенсивности развития в предопытный период, отбор строго идентичных растений непосредственно перед экспериментом. Для создания градиента температур в зоне корней использовали термостатную установку. Выбранные онытные температуры + 10° и ^-35°С характеризуют нижнюю и верхнюю адаптационные зоны для этой культуры (Коровин, 1981).

Перепад температуры в зоне корней от 20э (температура выращивания) к низкой и высокой положительным температурам был неодинаковым по длительности: резкий перепад осуществлялся в течение 10 минут (опыты 1, 4), постепенный перепад — в течение 2 часов (опыты 2, 5), В сериях опытов варьировали также концентрация азотнокислого аммония в питательном растворе (1,5; 3; 10 мМ/л МИ4Ы03) и длительность воздействия перепада температур (48 и 96 часов). Кроме того, изучался эффект последействия температурного перепада (опыты 3, 8) н действие более резкого градиента температуры при переходах 10°**35°, опыт 9 (табл. 1).

Скорость видимого поглощения МН4<- и N03" определялась

с интервалом в 4 паса по убыли их из опытных растворов. В опытах 6, 7 через 96 часов температурных воздействий определяли содержание нитратного и аммонийного азота в корнях и побегах растений.

Таблица I

Схема проведения экспериментов

Í3 и »4 > d ^ О Перепад температур в '-зоне корней Длительность перепада -мин Ко: шоп грация NHtN03, мЛШ Длительность опыта, часов

х 10'—20"-^^*)" 10 1,3 48

'» 10*—20*—35° 120 1.3 48

4 10*—20°-«-30э 30 10 48

5 20°-*35в 120 10 48

Г. 10*—20° 110 3,0 96

7 10'—20е НО 10 90

3 10°—20е—33° 30 1,3 4«

8 10°—20°—35* 30 3.0 48 -

9 10*SJ35* 30 3,0 48

Определение содержания N—N03 н N—NHt в опытном растворе и в растениях проводили колориметрическим» методами: нитратов — с дисульфофеноловой кислотой, аммония — с реактивом Иесслера. Колориметрированне проводили на спектрофотометре «Спекол»,

Активность нитратредуктазы определяли в верхних молодых листьях и корнях кукурузы методом in vivo по методике Пейве н Жнзневской (1961). Ловторность опытов (биологиче-скаяЦ-аналитическая) —восьмикратная. Достоверность различий между вариантами опыта при изучении кинетики поглощения ионов определяли на основании критерия Фишера, расчет прямых динамики поглощении ионов — по методу наименьших квадратов.

ИЗЛОЖЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Процесс поглощения растениями элементов минерального питания принадлежит к числу саморегулнруемых; Доказательством саморегуляции может служить наличие околосуточных ритмов поглощения с коротким периодом, что было убедительно показано в работах Í1. И. Гуиара, Е. Е. Крастнной и Л. Е. Петрова-Спиридонова (1957).

В наших исследованиях особое вннмонне уделялось* переходному состоянию временного хода поглощения ионов NH<+ н N03" в период воздействия перепадов температуры на корни растений. Рассмотрение переходного состояния физиологических процессов у растений в условиях воздействия повреждающих факторов имеет большое значение при оценке устой-

чнвости растений к неблагоприятным условиям внешней среды. Изучение ответной реакции систем поглощения ионов нитрата и аммония на ii3Menetyie температуры корней осложняется тем, что на »ременную саморегуляцию, контролируемую биологическими часами, накладываются процессы саморегуляции. относящиеся к защитным реакциям.

Известно, что нрн воздействии на растение любого повреждающего фактора оно начинает вести себя по типу возбудимых систем. При определенной скорости нарастания повреждающего действия фактора нненшей среды двухфазно меняется интенсивность физиологического процесса: первоначальная активация (возбуждение) вскоре сменяется угнетением процесса {торможение) (Беликов, 1975). Любой ритмический процесс можно описать двумя основными параметрами; периодом и амплитудой колебании. При этом трудно ожидать, чтобы суточный ход поглощения ионов полностью совпадал у всех растений серии. Поэтому, чтобы иметь достоверную картину поглощения ионон, били использованы кинетические кривые, построенные не по средним показателям, а отдельно дли каждой биологической новториости, Затем были рассчитаны следующие параметры: время появления, величина гпах и min, период, амплитуда, частота колебании. На основании этих данных были построены так называемые «идеальные» расчетные кривые интенсшшости поглощения ионов (Крастииа, 1971).

При пониженной концентрации NIUNO3 (1,5 мЛ1) система поглощения ионов нитрата оказалась более чувст&ителыюй к резкому действию низкой положительной температуры, чем система поглощения аммония. За 22-часовой период времени суммарное поглощение N03~ снизилось в 8 раз (табл. 2) по сравнению с контролем, причем не наблюдалось видимого поглощения ноной нитрата и связи с его выделением в питательный раствор. Ответная реакция на действие температурного перепада носила трехфазный характер: да немедленным выделением N03~ в раствор следовала активация его поглощения, а затем снижение скорости его поглощения. Необходимо отметить, что при этом в два раза возросли амплитуда и период колебаний.

* В ответ на резкий перепад к высокой положительной температуре скорость поглощения нитрата возросла в 1,5 раза (табл. 2). Рнт.чнчность видимого поглощения резко усилилась, а система иышла на более высокий уровень активности.

Резкий шерепад к низкой положительной температуре довольно слабо отражался на характере поглощения нона аммония (табл. 2). Гораздо более чувствительной система поглощения аммония оказалась к действию высокой положн-С

тельной температуры. Возросли скорость поглощения, амплитуда, частота колебаний, произошел сдвиг шах на более ранние часы суток.

Таким образом, действие перепада температур в зоне корней сопровождается неспецифическим усилением ритма поглощения н выделения ионов в питательный раствор.

Более постепенный перепад температуры (в течение двух часов) в меньшей степени сказался на характере поглощения иона аммония по сравнению с ионом нитрата (табл. 2).

Т а 6 л к ц а 2

Суммарное поглощение NN<N0» при варьировании температуры (*С) концентрации азота в питательном растворе и длительности . перепада температуры в зоне корней

Попы За первые сутки За вторые сутки За 48 часов

10 20 33 10 20 33 10 20 33

•а «й 2 5 к N0» 0,47 -0,05 0,50 0,34 0,80 0,00 0.83 0,31 0,33 0,33 0,4 С 0.20 0,85 '0,20 0,89 0.69 1,23 0,73

3 « г с ж Й У Л г &«г ¡¡г 2 — N11, МОэ 0,50 0,06 0,56 0.21 0,60 0,25 10,21 0,19 0,45 0,13 О.ЯЭ 0,23 10.71 0,23 :1,01-0,40 (КЗ 2 0.56

•5 Яг? й 5 ж ^ с N03 2,80 1,57 2,33 2,11 4,(3 1 ],!С З.С7 1,57 1,81 2^8 12,30 2.3С 4,20 3.14 4.1,7 4,69 <Ш е,и

3 3Я ~ ^ я «Й с ~ МН, 4,97 0,10 2,00 1,оа 2,07 :1,1Г> 2,53 1,50 1,06 ■1.76 /1,20 1,82 3,12 1,60 3,0С 3,44 3.30 4,40

Ответная реакция систем поглощении ионов существенно меняется при высокой концентрации азота в питательном растворе: в 7 раз возрастают скорость поглощения ионов к амплитуда колебания, учащается ритм поглощения. Одновременно с этим повышается чувствительность системы поглощения ионов нитрата к действию высокой положительной температуры, .а системы поглощения аммония — к действию низкой положительной температуры (рис. 1). При этом не наблюдалось немедленного выделения нона N0^- в окружающий раствор в отличие от условий, когда в питательном растворе поддерживалась низкая концентрация азота.

г

Избирательность поглощения NH«+ и NOa- растениями

кукурузы

Анализ графических кривых кинетики поглощения ионов аммонии и нитрата при разной концентрации форм азота в питательном растворе в контроле (20°) и в период воздействия низкой и высокой положительных температур позволяет сделать вывод о том, что в каждый отдельно взятый отрезок времени соотношение между этими нонами при поглощении было неодинаковым. При этом наблюдалось отсутствие четкой синхронности или репинрокности в положении фаз. Эти обстоятельства, а также разная чувствительность двух процессов поглощения к действию перепада температур предполагают существование независимых путей поглощения NH+* и NOj-, что согласуется с представлениями об относительной независимости идущих одновременно процессов поглощения растениями катионов и анионов (Jackson, Stief, 1965).

Однако, как показали исследования на томатах (Крастина и др., 1980), независимость поглощения попон аммония и нитрата может иметь место только до тех нор, пока не вступят п силу защитные реакции растений против повышения содержания в тканях ионов аммония. Так, при пониженном содержании NH4NO3 (1,5 мМ) и разных температурных эффектах в зоне корней ионы аммония поглощались в 1,5 раза интенсивнее. чем ноны нитрата (рис. 2Л). С увеличением концентрации NHiN03 до 10 мМ растения ограничивали поглоше-. нне аммония в пользу нитрата, в связи с чем оба названных .4. нона поглощались растениями с равной скоростью.

Поглощение NH<+ и<ЫОз~ при действии перепадов температуры

При действии низкой положительной температуры отмечается более заметное снижение скорости поглощения ионов нитрата по сравнению с ионом аммония. При действии перепада к высокой положительной температуре усиливалось поглощение обоих попов {табл. 2). Если взять во внимание солевой статус, который мог. сложиться у 36-дневных растений кукурузы на момент проведения эксперимента, то не исключена роль тока воды в определении интенсивности поглощения ионов (Ратнер, 1945;Можаева и др., 1972; Кларксон, 1978). Тем не менее более легкое поглощение аммония по сравнению с нитратом при низкой положительной температуре предполагает существование и других механизмов в регуляции поглощения этих ионов. Так, отмеченное явление объясняли разными энергетическими затратами на поглощение ионов аммонии и нитрата (Raven, 1976), изменением скорости мотаболизацни нитрата (Коровин, 1969; Глянько, 1972), свой-8

мМ • Ю-2

200 1

100 -

-1СО -I

8 10X4 ха . 22 , 2 . 6, 8 10 14' 18.. 22 2 6

Рис. Ответная реакция систем поглощения ионов . и на воздействие ■' 10® и 35°. резкий перепад • .

—о —

температур . концентрация" Ш^ЕО^'., -10 'Ш}'о-

■ 'Л'.' 'V- ■

.е 14 22 .6 И' гг 6 ,8 14 22 6 14 22 6 '

Рис. , Соотношение между поглощением НН4, и КО3 ^ при 10° , 20° и 35° ; А - 1,5 м(А , Б - 10 МЙ

:' , рис. ''3* Качество регулирования поглощения иона НО при, концентрации, Д.5 Ш' КН^Од ; А - резкий перепад . Б'- постепенный перепад температур. - ■

ствами липидов в мембранах клеток корня (Дроздов, 1981; Lenaz, 1977; Martin, 1976). .

При анализе кинетики, а также суммарного поглощения NO3- за I и II сутки воздействия перепада температур (табл. 2, рис. 4 В) обращает на себя внимание следующее обстоятельство: реакция на действие пониженной температуры, так же как и на действие повышенной температуры, наступает лишь в первые сутки воздействия. На вторые — наблюдается выравнивание скорости и совпадение профиля кинетических кривых поглощения (восстановление ритма, адаптация).

Продолжительность адаптационного периода систем поглощения нитрата и аммония зависит от концентрации форм азота в растворе и скорости перепадов температуры. Период адаптации системы поглощения нитрата сокращается при относительно постепенных перепадах температуры и увеличивается — с возрастанием концентрации азота и питательном растворе. Так, ири концентрации 10 мМ/л NH4NOj увеличивается скорость поглощения нона, возрастает амплитуда колебания и частота колебания, не наблюдается совмещения профиля кинетических кривых поглощения N03~ у растений опытных н контрольного вариантов.

Что касается системы поглощения нонов аммония, то при всех изученных условиях, и особенно при высокой концентрации азота в растворе, усиливается ритмичность поглотительно* выделительно и деятельности системы, которая вышла на новый уровень функционирования, вследствие чего не наблюдается временного совпадения профиля кинетических кривых (отсутствие адаптации).

Усиление ритма поглощения нонов в ответ на действие неблагоприятных температур при высокой концентрации азота в среде можно, вероятно, объяснить законом начальной величины (Wilder, 1962). С увеличением концентрации азота в питательном растворе наблюдается увеличение скорости поглощения (в 7 раз) и выделения нонов, а также амплитуды колебания и, таким образом, происходит выведение функции поглощения на более высокий уровень активности. Стрессовое действие неблагоприятного перепада температур еще более учащает и смещает ритм поглощения, в результате чего в целом ухудшается регулируемость процесса поглощения попов.

Качество регулирования поглощения нонов NH4+ и NOa-

Известпо, что любая регулируемая система тем устойчивее к действию неблагоприятного фактора, чем быстрее осуществляется ее переход к исходному или новому стационарному уровню (Дришель, 1960). Фаза возвращения интенсивности процесса к его исходному уровню отражает скорость протека.

t>

ния репарационных процессов. Продолжительность н высота регулировании — это те параметры, .которые характеризуют собой «площадь регулирования», .находящуюся в обратной зависимости с устойчивостью к неблагоприятному фактору (Беликов, 1975; Малофеев, 1975).- ■ ^

Поскольку интенсивность процесса 'поглощения аммония не возвращается к исходному уровню за; изучаемый период времени, то можно утверждать, что «площадь регулирования» его поглощения больше, чем «площадь регулирования» процесса поглощения нитрата,, а следовательно, система ногло-* щения КН4+ обладает меньшей устойчивостью. Большая площадь регулирования процесса поглощения нитрата при 10° по сравнению с 35° позволяет- еще раз подтвердить большую чувствительность системы поглощения иона нитрата к резкому действию низкой положительной температуры, чем к действию высокой положительной температуры (рис. 3). При более медленном перепаде температур .происходит снижение «площади регулирования». Напротив, при высоком содержании азота в среде «площадь регулирования» значительно воз-' растает за счет более длительного периода регулирования.

Таким образом, чем выше содержание форм азота в среде и резче действие неблагоприятных перепадов температуры,, темпродолжнтельнее период адаптации, больше «площадь регулировании» и ниже устойчивость.

Поглощение N1^+ и в период последействия

неблагоприятных температур и в период действия

резкого градиента перепадов температуры 10° ** 35°

' *

Исход обратимых повреждений и формирование защитно приспособительных-реакций! в значительной степени определяются условиями, которые создаются после-снятия воздействия. Эти условии создают возможность реверсии процессов (Соломоновский, 1969; Лльтергот^Шб!);1

В период последействия высокой положительной температуры происходила неспецпфнческая активация поглощения ионов как аммония, так и нитрата. Следует отметить, что процесс поглощения аммония быстрее выходил на стационарный уровень, близкий к контрольному, в отличие от процесса поглощения ионов нитрата. Наоборот, система поглощения нитрата легче перестраивалась к. прежним условиям после воздействия низкой положительной температуры.

Воздействие резкого градиента температуры 10й"35° также проявляется в неспеци фи ческой активации поглощения обоих ионов. При этом, как при первичном действии температурных перепадов, так и в период их последействия (возвращение к исходной температуре), к концу исследуемого периода наблюдалось совмещение профиля опытных н контрольных

кинетических кривых поглощения нона нитрата, что подтверждает тезис о большей приспособительной возможности системы. поглощения нитрата к воздействию перепада температур в зоне корней, который осуществляется в довольно широком диапазоне температур.

. Связь суточного ритма активности нитратредуктазы с кинетикой поглощения иона нитрата

Цнтопл аз магический фонд ионов аммонии и нитрата, а также внутриклеточный .метаболизм двух форм азота во многом определяют интенсивность поглощения и транспорта ионов аммония и нитрата (Benzioni, 1970, 1971; Rao et al, 1976). В связи с этим одной из причин преимущественного поглощения нона аммония по сравнению с нитратом при пониженной температуре ряд исследователей (Глянько, 1969, 1972; Williams et al, 1962) относят за счет снижения активности ннтрат-редунирующей системы, полагая, что колебания в интенсивности ассимиляции нитратного азота могут являться одной из основных причин колебании в его поглощении.

Активность нитратредуктазы имеет достаточно выраженный суточный ритм, (рис. 4 Б). Действие перепадов температуры прежде всего сказывается в нарушении ритма активно-стн нитратредуктазы. Однако снижение активности нитратредуктазы при действии на корни низкой положительной температуры наблюдается только в течение первых шести часов воздействия, после чего.проявляется большой пик активности. Первоначальное уменьшение активности HP, по нашему мнению, можно объяснить угнетением синтеза белка-фермента (Глянько, 1977), возможно, в связи с изменением баланса фн-тогормонов в пользу АБК (Сафаралнева, 1980; Daje, 1981). Не следует исключать возможность того, что в период возникновения защнтно-нриспособнтельиых реакций в ответ на действие перепада температуры в клетках происходит повышение уровня энергетических и синтетических процессов (Соло* моновскнй, 1969; Sarkissian et al, 1974), активируется транспортная система вследствие увеличения числа переносчиков (Clarkson, 1976), чем и можно объяснить появление большого компенсирующего инка, характеризующего активность нитратредуктазы.

Поскольку надежность механизмов биологических систем определяется способностью их функционировать в случайно варьирующих условиях среды и во времени, такое изменение активности фермента можно расценивать как одну из приспособительных реакций, регулирующих поступление и ассимиляцию нитратного азота при неблагоприятных температурных условиях.

С другой стороны, суточный ход активности ннтратредук-

н

тазы при изменении температуры в зоне, корней (рис. 4АБ) достаточно хорошо согласуется с кинетикой .поглощения ионов нитрата (рис. 4 В): снижение интенсивности поглощения N03- сопровождается низким уровнем, активности фермента. Последующая активация HP и выход на новый стационарный уровень сопровождаются соответствующими изменениями в

кинетике поглощения <NCh~, ■.....

Точно такая же зависимость наблюдается'в'процессе адаптации к высокой положительной температуре: первоначальная активация поглощения нитрата и деятельности фермента вскоре сменялись снижением активности н скорости поглощения NOj". ...

Известно, что скорость адаптивного синтеза ннтратре-дуктазы и уровень ее активности более тесно связаны с потоком понов NO3-, чем с общим содержанием-нитрата в тканях (Neyra, 1975; Palmer, 1979).

При пониженном содержании форм азота в питательном растворе активность интратредуктазы- в листьях была ниже, чем в корнях, и суточный ритм активности.фермента в листьях опытных растений мало отличался от ритма у контрольных растений (рис. 4А). Это можно объяснить тем, что при пониженной концентрации азота в среде (1,5 мМ) большая часть понов нитрата восстанавливается уже в корнях. • При высокой концентрации в среде форм азота, в связи с усилением потока ионов в растение, увеличилась доля участия листьев в восстановлении нитратного азота. При этом активность интратредуктазы в. листьях и корнях при 35° носила сходный характер и- соответствовала изменению скорости поглощения нитрата, но в целом была ниже, чем при более низкой концентрации форм азота в питательном растворе, что можно объяснить ингнбнрующим действием аммония, поток которого значительно усилился при-действии высокой положительной температуры (Minotti, 1969; Schräder, 1ЭТ2;. Munñ, 1978).

Содержание в растениях форм азота в зависимости от температуры и концентрации питательного раствора

Проблема накопления нитратов в сельскохозяйственных растениях стоит в настоящее время необычайно остро. Продукты превращения нитратов—нитриты и ннтрозоамнны—принадлежат к числу опасных канцерогенов. Высокое содержание нитратов в растениях может быть связано с тем, что при интенсивном их поглощении не происходит полного их восстановления до аммиака (Dressel,* 1976; Hansen, 1978).

При действии перепадов температуры и разной концентрации азота в питательном растворе растения кукурузы, как мы отмечали.выше, поглощади-ионы.аммония.и нитрата с.разной 12

Интенсивностью (та(>л. 2), что не могло не сказаться на содержали» этих форм в органах растений (табл. 3).

С увеличением потока попов аммония и нитрата, которое мы наблюла.™ при высокой концентрации и повышенной тем-

Таблика 3

Содержание N0^— и МН,+ в корнях и побегах растений кукурузы при разной обеспеченности растений формами азота и в зависимости от температуры в зоне корней (мМ/1:г сирой массы)

Концентрация "С N01-

корни побеги Корин побе г и

ч э Р) * не*. •10" 20" ' ,33е 0.016 0,015 0,043 0,031 0,103 0,102 0.100 0,1(3 0,019 0,023 0,0(7 0,022 ' 0,023 ' 0.018 0,02в 0,027

исх. 0.062 0,119 0,033 0,011

10° 0,039 0,076 0,019 0,0)4

20е 0,060 о.мо 0,033 0,009

о 33° 0,099 0,141 0,017 0,014

* Исходное содержание форм азога в рзегежн/ до начала воздействия неблагоприятных температур,

пературе, растения прежде всего ограничивали поглощение аммонийного азота, снижалась активность нитратредуктазы н, как следствие возрастало содержание нитратного азота в корнях и побегах растений кукурузы. Таким образом, как только создаются условия, неблагоприятные для усвоения аммония, происходит подавление активности ннтратредук-тазы и происходит накопление в растениях ионов нитрата.

Напротив, при действии низкой положительной температуры не наблюдалось увеличения содержания нитратов в органах растений, что можно объяснить общим высоким уровнем пнтратредуцирующей системы и быстрым восстановлением процесса поглощения N03" в этих температурных условиях.

Следует отметить, что у интактных растений четко налажена система саморегуляции, координирующая соотношение при поглощении и концентрацию форм азота в тканях (табл. 3). Подтверждением высказанному является то, что за четверо суток, независимо от концентрации азота в питательном растворе, в условиях постоянной температуры в органах рз-стений поддерживается определенное содержание и соотношение форм азота.

6 Ы ВО Д Ь('. / : л

1. Растения кукурузы имеют эндогенные ритмы поглощения ионов аммония и нитрата, одновременно, присутствующих в растворе, которые характеризуются в контрольных условиях (20°; 1,5 мМ ^Н4М03) соответственно 10- и 12-часовим периодом н небольшой амплитудой-колебания (7* 10~г; 14-Ю-2 мМ/4 р.). В этих условиях интенсивность поглощения аммония в 1,5 раза превышает интенсивность поглощения нитрата.

. 2, С увеличением концентрации азотнокислого аммония в среде до 10 мМ в 7 раз увеличивается скорость поглощения попов, усиливается ритм поглощения (на 2 часа сокращается период и в 5-—7 раз возрастает амплитуда колебания). В связи с этим растения в качестве защитной реакции ограничивают поглощение аммоння в пользу "нитрата и оба иона начинают поступать в растение с одинаковой скоростью.

3. Перепад к низкой и высокой положительной температуре в зоне корней вызывал ответную реакцию систем поглощения нонов, которая выражалась в снижении скорости поглощения ионов нитрата и аммоння при 10° и.в увеличении — при 35", а также в неспецнфическом изменении параметров ритма поглощения (увеличения'амплитуды и частоты колебаний). Отмеченные изменения были тем сильнее, чем выше была концентрация в питательном растворе форм азота и более резко осуществлялся перепад температуры,

4. При низкой концентрации азота в питательном растворе система поглощения ионов нитрата более'чувствительна к действию низкой положительной'температуры, а система поглощения аммоння — высокой. Высокая концентрация в растворе форм азота усиливала чувствительность системы поглощения к действию низкой, а МОзТ" — высокой положительной температуры. Осуществление постепенного перепада .температуры в зоие'корней снижает неблагоприятный эффект низких и высоких положительных температур на функционирование обеих систем поглощения.

5. Система поглощения по сравнению с МН^ обладает большей стабильностью и адаптационными возможностями в условиях действия переменных температур. Адаптация системы поглощения нитрата к изменившимся температурным условиям среды наступает тем быстрее, чем ниже концентрация азота в-питательном растворе и чем медленнее . осуществляется перепад температур в зоне корней.

6. Изменение соотношения между поглощением попов аммония и нитрата, наблюдаемое во времени, отсутствие четкой синхронности или реципрокности в наступлении фаз, а также разная чувствительность процессов поглощения ионов к температурным перепадам предполагают наличие относите,!ьноЙ ... н

независимости идущих одновременно процессов поглощения и N03".

7. Суточный ход активности нитратредуктазы хорошо согласуется с ритмом поглощения ионов нитрата. При действии низкой положительной температуры за снижением скорости поглощения М03- и активности фермента следовала активация и последующий выход на стационарный уровень; при возрастании температуры активация сменялась снижением интенсивности поглощения Ы03- н активности нитратредуктазы.

8. Эффект высокой положительной температуры при высокой концентрации азота в питательном растворе приводит к значительному накоплению нитратного азота в органах расте-ннй кукурузы.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы

1. Кондратьев М. Н., Лладина О. Н. — Избирательность поглощения аммония и нитрата кукурузой при адаптации к разным температурам. В сб.; Проблемы химизации и мелиорации почв. Москва, Издательство ТСХА, 1981, 59—63.

2. Лладина О, Н„ Кондратьев М. Н. — Особенности поглощения н ассимиляции нитрата кукурузой при воздействии высоких и низких положительных температур "в зоне корней. Тезисы докладов третьей Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых по проблемам кукурузы, 24—26 ноября, 1981, Днепропетровск, 1981,49—50.

3. Кондратьев М. Н., Лладина О. Н., Третьяков Н. Н.— Избирательность поглощения кукурузой ионов аммония и нитрата как ответная реакция па воздействие высоких и низких положительных температур. Всесоюзная конференция «Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции». Ч. II. Устойчивость растений к экстремальным условиям среды. Тезисы докладов. Ленинград, 1981, 84—85.

JI 10)481 17/V—82 г. Объем 1 п. л. Заказ. 1187, Тираж 100 •

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