Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Развитие и формирование продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азотного питания

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Развитие и формирование продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азотного питания"

рГ Б оа

2 7 ОКТ 1°.«•

На правах рукописи

ЕГОРОВА Надежда Владимировна

РАЗВИТИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

03.00.12 - физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт - Петербург -1998

Работа выполнена на кафедре физиологии растений и микробиологии Санкт-Петербургского агроуниверситета.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор В. М. Бурень.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Н.Ф. Батыгин.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Г. А. Воробейков.

Ведущая организация: Самарский государственный университет.

Защита состоится « » ибмЙАЛ _ 1998 г. в часов на заседании Диссертационного совета Д 020. 18. 02. во Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н.И. Вавилова по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского института растениеводства.

Автореферат разослан « » 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

Э. А. Гончарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Природа механизмов, контролирующих морфо- и органогенез, является предметом широких исследований многих отраслей биологии. Поиск причин образования органов сводится к смене генетических программ развития (Боннер, 1968; Нейфах, Лозовская, 1984), выявлению специфических морфо-генов, способных инициировать их заложение (Вольперт, 1982), установлению критических значений размеров клеточных популяций и количественного направления градиента морфогена (Wilson, 1984), формированию определенного градиента акжватора и ингибитора как сигнала для дифференцировки клеток и закладки органов (Gierer, 1974, 1977; Meinhardt, 1974, 1976, 1978).

Механизмы формообразования в ходе органогенеза рассматриваются в концепции, согласно которой главная роль в процессах образования тканей и органов отводится формированию популяции с генетически детерминированным критическим числом тесно взаимодействующих клеток, в которой градиенты факторов и локальная дифференцировка приводят к специализации тканей и образованию органов (Бурень, 1981, 1995).

В свете последней концепции особый интерес представляет исследование сравнительно малоизученных вопросов закладки и формирования вегетативных и генеративных органов злаков под влиянием внешних факторов, в частности, при различных условиях азотного питания.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы было изучение роли количественных показателей меристемы апикального купола и примордиев апекса для процесса органогенеза и формирования продуктивности в онтогенезе растений ячменя и влияния на эти процессы условий азотного питания.

В связи с этим перед исследованием были поставлены следующие задачи: 1. Изучить онтогенетические изменения параметров апикального купола в ходе вегетативного и генеративного периодов развития ячменя.

2. Выяснить значение параметров апикального купола для процесса закладки примордиев апекса, их дальнейшей дифференцировки и формирования органов зачаточного колоса.

Изучить влияние азота на следующие процессы:

3. закладку и развитие примордиев апекса и формирование продуктивности;

4. физиолого-биохимические особенности прорастания зерновок ячменя;

5. формирование листьев и образование в них проводящей системы;

6. динамику активности протеолитических ферментов и содержание белка во флаг-листе и зерновках ячменя при созревании.

Научная новизна.

1. Впервые изучены онтогенетические изменения параметров апикального купола ячменя в ходе вегетативного и генеративного периодов развития.

2. Установлена взаимосвязь между размерами апикального купола, примор-диями апекса в ходе их закладки и дифференцировки и потенциальной продуктивностью ячменя.

3. Изучена роль азота как фактора, определяющего образование и дальнейшее развитие примордиев зачаточного колоса и формирование продуктивности.

Теоретическая и практическая значимость работы. Изученные в работе особенности органогенеза ярового и озимого ячменя представляют научный и практический интерес в связи с необходимостью познания механизмов органогенеза и поиска путей управления формированием продуктивности растений.

Полученные в результате работы сведения о взаимосвязи параметров вегетативных и генеративных органов апекса с условиями азотного питания, определяющей образование листовых и колосковых бугорков, могут быть использованы для теоретического и практического исследования органогенеза сельскохозяйственных культур.

Установленные сортовые особенности реакции ячменя на азот можно использовать в селекционной работе для ранней диагностики отзывчивости сортов на азотные удобрения.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на конференции молодых ученых и специалистов в НПО "Среднеуральское" (Оренбург, 1988), на конференции преподавателей и сотрудников Санкт-Петербургского агроуниверситета (Пушкин, 1989), Самарской сельскохозяйственной академии (Кинель, 1996, 1997).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано б работ. Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 108 страницах машинописного текста и состоит из введения, 6 глав, выводов и приложения. Список цитированной литературы включает 192 источника, из них 102 - иностранных авторов. Работа содержит 27 таблиц, 36 рисунков и 49 приложений.

Содержание работы I. Условия проведения опытов, объекты и методика исследований Исследования проводились в 1986-88 годах в условиях вегетационного опыта. Объектами исследований служили растения ярового ячменя сортов Пиркка, Бе-логорский, Гатчинский (разновидность "pallidum") и озимого ячменя сорта Радикал (разновидность "parallelum") из коллекции ВИР. Растения выращивались в вегетационных сосудах при естественных условиях освещения и температуры и искусственном поливе.

В 1986 году опыты проводились по схеме: 1 вариант - контроль (фосфорно-калийный фон); 2...6 варианты содержали на фоне РК соответственно одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмикратные нормы азота., где однократной норме азота соответствовало 1.4 г аммиачной селитры на сосуд, вмещающий 6 кг воздушно-сухой почвы. Фосфорно-калийный фон создавали внесением 0.12 г хлорида калия и 0.24 г фосфорнокислого кальция двузамещенного на сосуд. В сосуд высевали 30...35 зерновок, к созреванию оставляли 15 растений. Повторность опытов 6-кратная. В 1987 году в опыт был включен контрольный вариант без удобрений.

В 1988 году опыт с яровым ячменем с. Гатчинский проводился по схеме 1987 года, а опыт с озимым ячменем сорта Радикал был заложен по следующей схеме: 1 вариант - контроль (без удобрений), 2 вариант - фосфорно-калийный фон и 3 варианта с одно-, четырех- и восьмикратной дозами азота. Повторность опыта

6-кратная. Однократной дозе азота соответствовало 1.19 г д.в. азота на 6 кг воздушно-сухой почвы.

Модельные опыты с ячменем сорта Гатчинский проводились в чашках Петри в 6-кратной повторности по схеме: 1 вариант - контроль, 2 вариант - фосфорно-калийный фон и 3 варианта с одно-, четырех- и восьмикратной дозами азота по Прянишникову.

Проведены следующие наблюдения, измерения и биохимические анализы: 1. Контроль за ростом и развитием апекса по шкале стадий репродуктивного развития (Nichols, May, 1963), в модификации. 2. Измерение длины апекса, диаметра и высоты апикального купола, колосковых и цветковых примордиев на разных стадиях развития апекса. 3. Определение площади листовой поверхности в динамике (Ничипорович, 1961). 4. Подсчет числа проводящих пучков в листьях (Бурень, 1983). 5. Определение активности протеолитических ферментов в листьях и зерновках в динамике по фазам созревания (Anson, 1938, в модификации В.М. Бурень, А.И. Ивановой, 1982). 6. Определение содержания белка в листьях и зерновках по фазам созревания по методу Лоури (Плеппсов, 1985). 7. Определение активности а- и р-амилаз в прорастающих зерновках в динамике (Плешков, 1985). 8. Определение содержания крахмала (Плешков, 1985). 9. Определение интенсивности дыхания зерновок по выделению углекислого газа и убыли сухого вещества (Еникеев, Борисова, 1972). 10. Определение содержания воды в зерновках (Еникеев, Борисова, 1972). 11.Определение структуры урожая (Методика гос. сортоиспытания с.-х. культур, 1985).

Контроль за ростом и развитием апекса проводился с использованием модифицированной шкалы стадий репродуктивного развития (Nichols, May, 1963).

Модификация заключалась в том, что в основу периодизации развития апекса был положен принцип, согласно которому началом очередной стадии считался переход апикальной меристемы в иное качественное состояние (переход от закладки листьев к формированию структур зачаточного колосаХ а также появление на апексе меристем следующего порядка (новых центров инициации: примордиев колосков, цветков, тычинок и пестиков).

В работе учитывались следующие стадии развития апекса: 1 стадия - ранне-вегетативная. 2 стадия - поздневегетативная. 3 стадия - образование двойной складки. 4 стадия - расширение верхней складки. 5 стадия - образование трех колосковых бугорков. 6 стадия - образование нижней цветковой чешуи. 7 стадия -образование тычиночных и пестичных бугорков. 8 стадия - образование примор-диев остей.

Все измерения параметров апекса и его частей проводились как на свежих образцах, так и на фиксированном материале. Фиксация апексов проводилась по Чемберлену (Паушева, 1988). Измерения проводились с учетом пластохронных изменений с использованием окуляр-микрометра. Измерение параметров апекса проводилось в соответствии с методикой, приводимой в исследованиях на пшенице и ячмене (КМ>у, 1974, 1977). Статистическая обработка результатов велась по Б.А. Доспехову (1985).

Результаты исследований

II. Физнолого-биохимические особенности прорастання зерновок ячменя в зависимости от условий азотного питания

Выращивание семян ячменя на растворах нитрата аммония возрастающей

концентрации показало, что азот в высокой дозе - 0.05М и 0.1М (варианты с 4- и 8-кратной дозами азота) - сильно замедляет процесс водопоглощения, что отражается на содержании воды в семенах (табл. 1). На вторые сутки прорастания наибольшая скорость водопоглощения отмечается в контроле, РК-фоне и варианте Ш+РК. В вариантах с четырех- и восьмикратной дозами азота содержание воды в зерновках было на 7.0 - 10.6% меньше по сравнению с контролем и на 7.7 - 11.6% - по сравнению с РК-фоном.

Как показали результаты исследований, количество поглощенной семенами воды коррелирует с интенсивностью дыхания и затратами сухого вещества на дыхание. На вторые сутки прорастания наибольшее количество углекислого газа выделяли семена в контроле и варианте Ш (6.6 мл), а наименьшее - 4.4 мл - в варианте 8Ы. К этому времени в контроле, РК-фоне и варианте Ш на дыхание израсходовалось 2.8 - 2.7% сухого вещества семян, а в вариантах 4Ы и 8И - 2.4 и 2.1%. На 4-й день прорастания начинается усиленный распад запасных веществ эндосперма. В

первых трех вариантах интенсивность дыхания увеличивается в 2.2; 3.0 и 2.6 раза. В вариантах с повышенной и высокой дозами азота - в 2.0 и 1.9 раза.

Таблица 1

Влияние азота на физиологические особенности прорастания ячменя

Вариант опыта Конт-

Показатель роль РК-фон Ш+РК 4Ы+РК 8Ы+РК НСРо,

Количество погло-

щенной воды, г 3.55 3.59 3.50 3.21 2.95 0.16

Содержание воды, %

от возд.- сух. веса 68.5 69.2 66.9 61.5 57.6

Затраты сухого веще-

ства на дыхание, г 0.135 0.131 0.132 0.115 0.097 0.003

Интенсивность ды-

хания, мл СОг/ЮОг

ссмян/час

на 2-е сутки 6.6+0.6 5.0±0.6 6.6Ю.6 5.0±0.3 4.4±0.3

на 4-е сутки 14.3±0.6 14.9±0.4 17.1±0.6 9.9±0.3 8.3±0.3

на 6-е сутки 12.7±0.6 13.8±0.6 14.6±0.6 11.8±0.3 5.2±0.4

на 8-е сутки 12.9±0.3 12.4Ю.З 13.8±0 11.0+1.7 9.4±0

Размеры вегетатив-

ных органов проро-

стков, см

на 2-е сутки 0.62 0.51 0.67 0.33 0.23 0.08

на 9-е сутки 11.2

параметры* 1 листа 11.6 11.2 13.1 5.9 2.3

0.5 0.5 0.5 0.4 0.3 0.1

длина корней 7.8 10.7 5.7 1.3 0.3 0.1

* числитель - длина листа, знаменатель - ширина листа

Этому соответствует и рост колеошиле: в первых трех вариантах он имеет наибольшую длину. В вариантах 4Ы и 8И длина колеоптиле в 1.9 и 2.7 раза меньше, чем в контроле.

Одним из основных направлений мобилизации полисахаридов в прорастающем семени является гидролитический распад крахмала. В опытах с зерновками ячменя амилолитическая активность проявлялась через. 6 часов набухания. Наибольшие значения активности в этот период отмечаются в контроле. Причем, во всех вариантах с удобрениями снижается а-амилазная активность и значительно возрастает активность р-амилазы, особенно в варианте 8Ы (в 3.6 раза по сравнению с контролем).

Через 12 часов прорастания активность а-амилазы во всех вариантах снижается, вызывая уменьшение общей амилолитической активности. Наибольшее снижение суммарной активности наблюдается в контроле (в 2.7 раза) и в варианте 8Ы

(в 2.1 раза). В контроле возрастает активность ß-амилазы (в 2.9 раза), а в остальных вариантах практически не изменяется по сравнению с периодом б часов прорастания. Действие азота через 12 часов прорастания сказывается на уменьшении активности а-амилазы по сравнению с РК-фоном.

Через 60 часов (2.5 суток) прорастания суммарная амилолитическая активность в зерновках значительно увеличивается. Причем, если в контроле это увеличение достигается за счет а-амилазы, то в остальных вариантах - за счет как а-, так и ß-амилазы.

Содержание крахмала через 2.5 суток прорастания соответствует динамике активности амилаз в это время. Постепенное снижение суммарной амилолитиче-ской активности препятствует быстрому гидролизу крахмала. Его содержание в эндосперме находится в тесной зависимости от активности а-амилазы и концентрации азота в среде.

Именно низкая скорость распада крахмала может быть причиной снижения оттока из запасающих органов растворимых Сахаров и использования их клетками проростка. Вследствие этого в варианте с 8-кратной дозой азота на 9-е сутки прорастания отмечаются наименьшие длина и ширина 1-го листа (5.9 и 0.3 см) и длина корней (0.3 см). Азот в 1-кратной дозе оказал стимулирующее влияние на прорастание. В этом варианте у проростков отмечаются наибольшие длина и ширина 1-го листа (13.1 и 0.5 см).

III. Онтогенетические изменения апекса в ходе органогенеза и формирования продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азотного питания

3.1. Влияние азота на развитие апекса и формирование продуктивности ярового ячменя сортов Гатчинский и Белогорский.

Особенности органогенеза ярового ячменя в 1987 году изучались на 10-й и

18-й дни от всходов.

На 10-й день от всходов зачаточный колос ячменя с. Гатчинский находился на стадии б (стадии образования нижней цветковой чешуи). В этот период наибольший объем купола отмечался в вариантах с 2...8-кратной дозами азота (1163...1292 мм3 х Ю"6). У ячменя с. Белогорский наиболее дифференцированные зачаточные колоски с нижней цветковой чешуей наблюдались в контроле, РК-фоне

и в вариантах с 1- и 2-кратной дозами азота. Апексы проростков в вариантах с 4- и 6-кратной дозами азота находились на стадии 4 - расширения верхней складки, а в варианте 8Ы+РК - на стадии 3 - образования верхней складки. Подсчет значений объема апикального купола в этот период показал, что с увеличением дозы азота величина объема не изменяется по сравнению с РК-фоном, за исключением варианта с 2-кратной дозой азота, где объем купола увеличился за счет увеличения его диаметра и составил 1570 мм3 х 10"6. 1- и 2-кратная дозы азота на фоне РК вызвали увеличение объема купола по сравнению с контролем без удобрений.

У ячменя с. Гатчинский число примордиев и длина апекса в вариантах с азотом оставались на уровне контроля и РК-фона. Примордии сегментов оси зачаточного колоса, а также примордии колоса на разных стадиях их развития в вариантах с внесением азота имели значительно большие размеры по сравнению с контролем и РК-фоном. Максимальные размеры зачаточных колосков, образовавших нижнюю цветковую чешую, у ячменя с. Гатчинский отмечались в вариантах с 2...8-кратными дозами азота (344...400 мм х 10"3).

У ячменя с. Белогорский в вариантах с 4-, 6- и 8- ратными дозами азота формирование структур колоса и развитие апекса происходило значительно медленнее. В этих вариантах растения отставали в развитии на 2...3 стадии. В вариантах с 2...8-кратными дозами азота число примордиев и длина апекса были меньше, чем в РК-фоне. Увеличение размеров примордиев на стадии образования двойной складки, расширения верхней складки и образования боковых колосков были в вариантах с 1-, 2- и 4-кратной дозами азота.

На 18-й день от всходов зачаточный колос ячменя с. Белогорский находился на стадии 6 (образования нижней цветковой чешуи), а у ячменя с. Гатчинский наблюдалась закладка тычиночных и пестичных бугорков (стадия 7). На этой стадии развития отмечалось значительное уменьшение размеров купола во всех вариантах опыта. Наибольшие значения объема под влиянием азота сохранялись в вариантах с 2...8-кратной дозами у ячменя с. Гатчинский (761...914 мм3 х 10"6) и в варианте 8И+РК у ячменя с. Белогорский (915 мм 3 х 10"6). Очередные примордии сегментов колоса, формируемые меристемой апикального купола, были слабо дифференцированы и имели сравнительно меньшие размеры. В результате под действием азота у

обоих сортов ячменя увеличиваются показатели структуры урожая: число зерен : колосе - у с. Белогорский - в 1.4...2.7 раза, у с. Гатчинский - в 2.7...4.4 раза; масс зерен 1 колоса - у с. Белогорский - в 1.4...2.4 раза, у с. Гатчинский - в 3.7...6.0; мае са 1000 зерен - у с. Белогорский - на 1.1...6.3%, у с. Гатчинский - на 10.6... 14.4 % П1 сравнению с контролем.

3.2. Влияние азота на развитие апекса и формирование продуктивност\ ярового ячменя сорта Гатчинский и озимого ячменя сорта Радикач.

Изменение диаметра, высоты и объема апикального купола. Параметрь

меристемы .апикального купола в ходе органогенеза ячменя последовательно ме няются, причем изменения соответствуют особенностям органогенеза на опреде ленной стадии развития апекса (рис. 1, 2).

Стадии развития апекса Контроль -п-РК-фон -а- Ш -*-4Ы -*-8Ы

Рис. 1. Влияние азота на изменение объема апикального купола ячменя с. Радикал на разных стадиях развития апекса

Результаты измерений показали, что образование "воротничкового" примор-

)

дня и начало формирования оси зачаточного колоса на поздневегетативной стадии у озимого ячменя сопровождается значительным увеличением объема купола. Если в вариантах без внесения азота объем увеличивается на 58% (контроль) и 39% (РК-фон), то в вариантах с 1-, 4- и 8-кратной дозами азота - на 80; 104 и 83% соответственно по сравнению с ранневегетативной стадией. У ярового ячменя увеличение объема апикального купола отмечается в вариантах с 2...8-кратной дозами азота (в

2.1...2.6 раза), а в контроле, РК-фоне и варианте Ш+РК объем купола не изменяется. Величина объема апикального купола на поздневегетативной стадии в значительной степени определяет размеры купола на последующих стадиях развития апекса (г = 0.80...0.99 для озимого ячменя; г = 0.70...0.95 для ярового ячменя), а также размеры сегментов зачаточного колоса и органов цветка у озимого ячменя (г = 0.87...0.98).

Стадии развития апекса -♦-Контроль -на-РК-фон —А— Ш+РК -*-2И+РК -ж- 4Ы+РК -о—6Ы+РК —8Ы+РК

Рис. 2. Влияние азота на изменение объема апикального купола ячменя с. Гатчинский на разных стадиях развития апекса.

Начало формирования двойной складки (стадия 3) у ярового и озимого ячменя во всех вариантах опыта сопровождается увеличением объема апикального купола, обусловленное ростом как его диаметра, так и высоты. Высокие значения объема купола сохраняются на протяжении ряда последовательных стадий, связанных с образованием и дифференцировкой примордиев - это стадии 3, 4 и 5 шкалы стадий развития апекса. Как показали результаты подсчетов, значения объема апикального купола при формировании примордиев на этих стадиях составили интервал 508...682 мм3 х 10"6, а азотные удобрения не оказали влияния на величину объема апикального купола в этот период. В ходе 3, 4 и 5 стадий развития апекса происходит образование 50...70% всех примордиев апекса у ярового ячменя и 20...37% примордиев у озимого ячменя. Эти примордии в дальнейшем формируют

фертильные цветки. Низкое содержание азота в почве в дальнейшем приведет к образованию зачаточных органов колоса с параметрами, не достаточными для развития полноценных колосков, в результате чего увеличится число редуцированных цветков. Поэтому стадии 3, 4 и 5, а также стадия 2 для озимого ячменя могут рассматриваться как критические для процесса формирования потенциальной продуктивности колоса ячменя.

На последующих стадиях развития апекса происходит уменьшение значений диаметра, высоты и объема апикального купола у обоих сортов ячменя. Так, на стадии закладки нижней цветковой чешуи (стадия 6) в вариантах с внесением азота у озимого ячменя объем купола снижается на 26...46%, а в контроле и РК-фоне - на 56...60%. У ярового ячменя наименьшее снижение объема отмечалось в вариантах с 4- и 8-кратной дозами азота. В этих вариантах меристема апикального купола сохранила более высокую инициирующую активность: в этот период отмечался рост скорости образования примордиев (рис.3).

В итоге на стадии образования остей (8 стадия) у озимого ячменя в вариантах с 4- и 8-кратной дозами азота, а у ярового ячменя - в вариантах с 2...8-кратной дозами продолжалась закладка примордиев, а объем апикального купола имел более высокие значения (на уровне ранневегетативной стадии или выше). В контроле, РК-фоне и варианте с 1-кратной дозой азота снизилась скорость образования примордиев и наблюдалось отмирание апикального купола.

Образование примордиев зачаточного колоса. Одним из факторов, определяющих число колосков в колосе, является скорость колосковой инициации. В ходе органогенеза озимого ячменя отмечается два периода увеличения скорости образования примордиев, С началом стадии двойной складки увеличение

скорости образования примордиев в 1.9...2.3 раза отмечалось в вариантах с внесением азота и достигало максимальных значений на 48-й день от всходов (0.7...0.8 шт./сут.). В вариантах без азотных удобрений скорость образования примордиев возрастала на 10 дней позже и составила 0.4...0.5 шт./сут. Наибольшее число примордиев в этот период было в варианте с 8-кратной дозой азота. На 4-5 стадиях скорость образования примордиев значительно снижалась (в 2.6...4.0 раза), что,

может быть, обусловлено использованием метаболитов в процессах образования колосковых бугорков.

Стадии развития апекса Контроль -а-РК-фон -а-Ш -*-4Ы

Рис.3. Влияние азота на скорость образования примордиев у ячменя с.

Гатчинский на разных стадиях развития апекса.

Второй максимум скорости образования примордиев отмечался на стадии образования нижней цветковой чешуи (стадия 6). В этот период скорость образования примордиев увеличилась в 2.0...2.5 раза. Дифференцировка колосковых бугорков и закладка органов цветка (стадия 7) сопровождались замедлением процесса образования примордиев, за исключением варианта 8Ы+РК. Наибольшее число примордиев на стадии закладки остей отмечалось в вариантах с 4- и 8-кратной дозами азота.

В ходе формирования примордиев у ярового ячменя с. Гатчинский, как и у озимого ячменя, наблюдалось два максимума скорости закладки примордиев - на стадии 3 (двойной складки) и стадии 6 (образования нижней цветковой чешуи)(рис. 3 Более высокие значения скорости образования примордиев в вариантах с азотными удобрениями в период, когда апикальный купол сохраняет высокие значения объема, обусловливают сохранность колосков и снижение % их. редукции. Так, анализ структуры урожая ячменя с. Гатчинский показал, что в вариантах с азотом число зерен 1 колоса увеличилось в 1.5... 1.9 раза, масса зерен 1 колоса - в 2.0...2.5 раза,

масса 1000 зерен - в 1.3...1.4 раза по сравнению с контролем; % редукции колосков в контроле и РК-фоне составил 51.5...53.6%, а в вариантах с азотом - 29.7...36.4%.

Изменение длины и скорости роста апекса. Подсчет скорости роста апекса по стадиям показал, что переход к репродуктивному периоду развития (стадия 3) сопровождается увеличением скорости роста апекса (рис.4). У ярового ячменя наибольшая скорость роста отмечается в вариантах с 1- и 2-кратной дозами азота (127 и 120 мм х 10"3 х сут.'1). В вариантах с 4...8-кратной дозами азота величина скорости роста апекса была меньше, чем в контроле и РК-фоне, что связано со снижением скорости образования примордиев и увеличением продолжительности стадий развития апекса. У озимого ячменя по сравнению с яровым скорость роста апекса в этот период имела более низкие значения, а максимальная скорость роста отмечалась в варианте с 4- и 8-кратной дозами азота (28 и 31 мм х 10'3 х сут."1). Увеличите скорости роста у обоих сортов ячменя обусловлено ростом скорости образования примордиев. В ходе расширения примордиев верхней складки и образования боковых колосков (4 и 5 стадии) скорость роста апекса у обоих сортов ячменя снизилась, что связано с дифференцировкой примордиев.

н

св Н

О (X

о &

к

о

250 т

1-2

2-3

6-7

3-4 4.5 5-6 Стадии развития апекса

-Контроль -о-РК-фон -a- IN -x-4N -*-8N

7-8

Рис.4. Влияние азота на скорость роста апекса ячменя с. Гатчинский на разных стадиях развития апекса.

Формирование листьев. Максимальная скорость листообразования у озимого ячменя отмечается на 28-й день от всходов, а наибольшее значение скорости -в варианте РК-фон. Переход к формированию генеративных структур апекса является критическим для процесса образования листьев. В это время в связи с формированием зачаточного колоса дифференцировка примордиев апекса в листовые зачатки замедляется. На стадии двойной складки в вариантах без внесения азотных удобрений (контроль и РК-фон) их число увеличивается в 2.4...2.5 раза. Под действием азотных удобрений число листьев и листовых зачатков увеличивается в 2.8...3.1 раза. В итоге в вариантах с азотными удобрениями было сформировано на 2.5; 5.7 и 4.3 листьев больше соответственно увеличению дозы азота.

У ярового ячменя внесение азота в 4-, 6- и 8-кратной дозах значительно удлиняло период листообразования: закладка "воротничкового" примордия отмечалась на 3...6 дней позже, чем в контроле, РК-фоне и вариантах с 1- и 2-кратной дозами азота. Следствием этого явилось значительное снижение скорости образования листьев ко времени наступления поздневегетативной стадии. Формирование зачаточных органов колоса и цветка озимого ячменя. Результаты измерений параметров примордиев зачаточного колоса показывают, что внесение азота способствует закладке и формированию сначала колосковых и цветковых бугорков, а затем примордиев тычинок и пестиков с большими параметрами (табл.2, 3). Действие азота проявляется в увеличении параметров примордиев уже в период закладки "воротничка" и узлов оси соцветия на 7...11% по ширине и на 7... 18% по высоте. При больших первоначальных размерах сегментов колоса их ширина и высота в ходе образования двойной складки в вариантах с 1- и 4-кратной дозами азота больше контрольных соответственно на 4...6 и 4... 14%.

Ширина сегментов апекса перед образованием боковых колосков (стадия 4) в вариантах с азотом соответственно на 34, 38 и 41 мкм больше, чем в РК-фоне. При закладке боковых колосков сегменты апекса в вариантах с азотом значительно больше увеличиваются по ширине: на 42, 66 и 59 мкм по сравнению с контролем и на 21, 45 и 32 мкм - по сравнению с РК-фоном. Максимальные размеры зачаточных колосков отмечены в варианте с 4-кратной дозой азота - 273 мкм по

ширине и 104 мкм по высоте. Наибольшие параметры зачаточных цветков - 216 и 121 мкм - отмечались под действием 8-кратной дозы азота.

Таблица 2

Влияние азотных удобрений на изменение параметров* примордиев зачаточного колоса озимого ячменя сорта Радикал в ходе органогенеза

Параметры примордиев, мм х 10 J

Вариант Стадии развития примордиев

опыта сегмент образование расширение закладка формирова-

оси двойной верхней боковых ние боковых

колоса складки складки колосков колосков

Контроль 131 148 199 207 240

60 73 81 93 83

РК-фон 130 148 197 228 244

62 71 80 81 83

1N+PK 140 154 231 249 259

64 76 95 93 91

4N+PK 145 183 235 273 285

68 78 91 104 105

8N+PK 140 183 238 266 274

71 83 97 97 95

HCPos 7 7 24 14 18

6 6 8 8 8

* Числитель - ширина примордия. Знаменатель - высота примордия.

Таблица 3

Влияние азотных удобрений на изменение параметров* примордиев зачаточных колосков и цветков озимого ячменя сорта Радикал в ходе органогенеза

---- -—:^- Параметры примордиев, мм х 10"

Стадии развития примордиев

Вариант закладка колосковый примордии колосковый примордий при-

опыта нижней до закладки тычиноч- в ходе закладки тычи- мор-

цветко- ных и пестичных при- ночных и пестичных дии

вой мордиев примордиев тычи

чешуи примордии централь- примордии централь- ноки

с нижней ная зона с нижней ная зона пести

цветковой инициа- цветковой инициа- ков

чешуей ции чешуей ции

Контроль 153 162 144 176 142 57

88 93 83 86 81

РК-фон 147 164 128 173 147 73

93 93 83 88 83

1N+PK 157 181 131 183 159 80

93 124 83 93 88

4N+PK 173 202 150 195 162 87

123 145 93 119 102

8N+PK 173 202 143 216 162 92

114 130 97 121 102

НСР05 12 12 13 14 11 14

10 10 9 11 5

* Числитель - ширина примордия. Знаменатель - высота примордия.

В результате в вариантах с азотом были сформированы тычиночные и пестичш бугорки с наибольшим диаметром - 87 и 92 мкм. Высокие значения коэффициент! корреляции (г = 0.80...0.87) показывают, что размеры примордиев зачаточных орг нов апекса на разных стадиях его развития определяются как величиной объе» апикального купола, так и размерами примордиев на предшествующих стадю развития апекса.

IV. Влияние азота на развитие листьев ячменя.

Измерение площади листовой поверхности у ячменя сортов Пиркка и Бел( горский проводилось на 16-й, 20-й, 24-й, 28-й и 32-й день от всходов. Уже на 16-день в вариантах с внесением азота отмечалось увеличение площади листьев I 13...43% по сравнению с контролем (табл. 4). В ходе дальнейшего развития на] большая суммарная площадь листьев и площадь 7-го листа была сформирована растений вариантов с 2- и 4-кратной дозами азота, причем у ячменя с. Пиркка пш щадь листьев в этих вариантах была на 30.9 и 22.3% больше, чем у с. Белогорски Действие азота проявилось в увеличении числа проводящих пучков в 5-7 листьях ячменя с. Пиркка и в 6-7 листьях у ячменя с. Белогорский. Общее количество пу ков увеличилось за счет мелких пучков, включающих 1-3 сосуда. Мелкие пуч! дифференцируются в ходе роста листовой пластинки в ширину. Поскольку в вар антах с дополнительным азотным питанием приток минеральных и пластичесю веществ происходит с большей скоростью, то это способствует увеличению шир ны листа. В опытах увеличение ширины 3-4 листьев у ячменя с. Пиркка и 3 -листьев у с. Белогорский в вариантах с азотом может быть обусловлено увеличен ем диаметра клеток. В остальных листьях (5-7 у с. Пиркка и 6-7 у с. Белогорски увеличение ширины листовой пластинки может объясняться дополнительным о разованием клеток под действием азотных удобрений (Бурень, 1974).

Результаты подсчетов числа проводящих пучков в 1 мм ширины листов» пластинки показали, что в листьях контрольного варианта от 1-го к 7-му лис прослеживается тенденция увеличения числа пучков, что обусловлено усиление ксероморфности вышерасположенных листьев (табл. 4). По мере увеличения до: азота число пучков в 1 мм ширины листа снижается. Особенно значительно чис, пучков уменьшается в 5-7 листьях у обоих сортов ячменя: в 1.5...1.7 раза у ячме

с. Пиркка и в 1.3... 1.7 раза - у с. Белогорский. Снижение этого показателя объясняется увеличением ширины пластинок 5-7 листьев.

Таблица 4

Влияние азотных удобрений на число проводящих пучков в 1 мм ширины листовой пластинки ячменя

Вариант Номер листа снизу

опыта 1 2 3 4 5 6 7

Сорт Пиркка

РК-фон 2.5 2.4 2.9 3.0 3.2 3.4 4.8

Ш+РК 2.1 2.8 2.3 2.8 2.0 2.6 3.3

2И+РК 2.3 2.7 2.2 2.2 2.3 2.6 3.0

4Ы+РК 2.3 2.5 2.2 2.1 2.3 2.5 3.0

6Ы+РК 2.7 3.0 2.3 2.0 2.2 2.3 2.7

8Ы+РК 2.5 2.9 2.9 2.3 2.1 2.4 2.9

НСРп, 0.5 0.8 0.9 1.0 0.8 0.5 1.0

Сорт Белогорский

РК-фон 2.3 2.6 2.5 2.7 3.0 3.4 3.7

1Ы+РК 2.7 2.2 2.4 2.3 2.8 2.9 3.9

2Ы+РК 2.2 2.5 2.1 2.7 2.7 2.9 3.7

4Ы+РК 2.4 3.1 2.2 2.2 2.4 2.8 3.4

6Ы+РК 2.3 3.1 2.4 2.4 2.4 2.7 2.8

8Ы+РК 2.6 3.3 2.5 2.2 2.3 2.6 2.8

НСР„5 0.4 1.2 0.8 0.8 0.6 0.4 0.8

V. Влияние азота на активность протеолитических ферментов, содержание белка в органах и продуктивность ячменя.

Анализ динамики активности протеолитических ферментов в онтогенезе ячменя при различных условиях азотного питания показывает, что по мере созревания ячменя активность протеаз в зерне постепенно снижалась. В день цветения максимальные значения суммарной протеолитической активности и содержания белка в листьях отмечались в варианте 8Ы+РК.

На 6-й день от начала цветения в вариантах с 4-, 6- и 8-кратной дозами азота у обоих сортов ячменя активность протеаз в листьях была значительно больше, чем в зерновках. У ячменя с. Пиркка увеличение протеолитической активности в вариантах с внесением азота по сравнению с контролем составило по вариантам: 4Ы+РК - 20.5 усл. ед.; 6И+РК - 24.5 усл. ед. и 8Ы - 35.5 усл. ед., а у ячменя с. Белогорский - на 4.0; 28.0 и 31.0 усл. ед. соответственно. В вариантах с 4- и 6-кратной дозами азота увеличилось также количество белка в листьях - на 5.0 и 4.81

у сорта Пиркка и на 8.3 и 14.5 г/100 г сырого веса у сорта Белогорский. В зерновках активность протеаз в вариантах с 4-, 6- и 8-кратной дозами азота увеличилась на 7.0; 14.3 и 10.3 усл. ед. (с. Пиркка) и на 4.8; 9.0 и 8.3 усл. ед. (с. Белогорский). Количество белка или оставалось постоянным, или незначительно увеличивалось. По мере созревания ячменя активность протеолитических ферментов в листьях и зерновках снижалась.

На 11-й день от начала цветения снижение активности протеаз в листьях ячменя с. Пиркка приводит к возрастанию в них содержания белка вследствие замедления его оттока в формирующиеся зерновки. Больше всего белка накапливается в вариантах с 4-, 6- и 8-кратной дозами азота (13.5; 14.0 и 16.5 г на 100 г сырой массы). Содержание белка в зерновках практически не меняется. У ячменя с. Белогорский активность протеаз в листьях также снижается, а в зерновках - возрастает. Увеличение активности протеолитических ферментов, отмечаемое во всех вариантах с азотом, обусловлено слабокислыми протеазами (рН 6.0), а максимальная активность (40.0 усл. ед.) была в варианте 8Ы+РК. Больше всего белка накапливается в листьях вариантов с 6- и 8-кратной дозами азота (18.0 и 17.8 г на 100 г сырой массы). Содержание белка в зерновках не увеличивается.

На 16-й день от начала цветения максимум суммарной протеолитической активности отмечается в формирующихся зерновках, причем в вариантах с 4-, 6- и 8-кратной дозами азота суммарная активность протеаз в зерновках остается наибольшей. На этом этапе созревания значения активности в целом значительно уменьшаются: у с. Пиркка - в листьях в 1.3...5.5 раз и в зерновках в 1.2...1.9 раза; у с. Белогорский - в листьях в 1.4...7.0 раз и в зерновках в 1.8...2.7 раз. Активность ферментов, гидролизующих белки при рН 8.0, снижается до нуля во всех вариантах опыта, за исключением варианта 8Ы+РК. В листьях растений этих вариантов скапливается значительное количество белка. Содержание белка в зерновках не увеличивается из-за более высокой протеолитической активности.

В фазу восковой спелости (23-й день от начала цветения у с. Пиркка и 28-й день у с. Белогорский) наблюдалось отмирание флаг-листьев у растений вариантов РК-фон, 1Ы+РК и 2№РК у обоих сортов. У растений этих вариантов наиболее значительно снижается активность протеаз в зерновках (рис.5, 6). В этот период актив-

ность ферментов в зерновках в вариантах с высоким содержанием азота составляет 44-50% от максимальной у сорта Пиркка и 14-26% - у сорта Белогорский, а в контроле и РК-фоне - 19 и 11% соответственно. Высокие остаточные значения про-

4! 1

о

1

2

5

6

3 4

Вариант опыта

| | Активность протеаз во флаг-листе Активность протеаз в зерновках —о— Содержание белка во флаг-листе -о- Содержание белка в зерновках

Рис. 5. Влияние азота на активность протеаз и содержание белка во флаг-листе и зерновках ячменя с. Пиркка на 23-й день после цветения

1

5

6

2 3 4

Вариант опыта

I 1 Активность протеаз во флаг-листе Г"! Активность протеаз в зерновках —Содержание белка во флаг-листе -о- Содержание белка в зерновках

Рис. 6. Влияние азота на активность протеаз и содержание белка во флаг-

листе и зерновках ячменя с. Белогорский на 28-й день после цветения

теолитической активности в зерне могут отразиться на его физиологических показателях и качестве клейковины (Варицев, Плешков, 1976).

Флаг-листья растений ячменя вариантов с 4-, 6- и 8-кратной дозами азота более длительное время функционируют и сохраняют способность к фотосинтезу. На фоне низкой протеолитической активности в листьях и высокой активности в зерновках происходит накопление значительных количеств белка в листьях растений этих вариантов (14.8...22.5 г на 100 г сырой массы у с. Пиркка и 14.5...20.3 г - у с. Белогорский). Сортовые особенности реакции на азот в период созревания заключались в том, что у ячменя с. Белогорский протеолитическая активность в зерне во все фазы созревания была в 1.1...3.7 раза выше. Фаза восковой спелости зерна наступала на 5 дней позже, а содержание белка в зерновках в этот период было меньше, чем у ячменя с. Пиркка.

Влияние азота на продуктивность ячменя. Результаты изучения структуры урожая показывают, что наибольшее число зерен в колосе у ячменя с. Пиркка образовалось в вариантах с 4...8-кратной дозами азота, а у с. Белогорский - в вариантах с 2...6-кратной дозами (табл. 5). Наибольшая масса 1000 зерен у ячменя с. Пиркка отмечена в варианте 4N+PK и составляет 39.2 г, а у с. Белогорский - в варианте 1N+PK (39.0 г). Восьмикратная доза азота вызвала снижение числа зерен у ячменя с. Белогорский.

Таблица 5

Влияние азотных удобрений на продуктивность ячменя

Элементы продуктивности

Вариант Сорт Пиркка Со рт Белогорский

опыта число зе- масса зе- масса число зе- масса зе- масса

рен в ко- рен 1 ко- 1000 зе- рен в ко- рен 1 ко- 1000 зе-

лосе, шт. лоса, г рен, г лосе, шт. лоса, г рен, г

Контроль 4.0 0.14 35.4 4.0 0.14 34.7

1N+PK 25.8 0.95 37.0 29.1 1.32 39.0

2N+PK 31.0 1.20 38.9 36.4 1.31 36.2

4N+PK 33.4 1.39 39.2 34.8 1.13 33.6

6N+PK 35.9 1.32 39.4 36.0 1.02 32.9

8N+PK • 36.7 1.39 37.2 32.2 0.78 31.3

НСР(15 2.2 0.10 1.6 3.7 0.10 0.3

Наибольшая масса зерна 1 колоса отмечалась в вариантах с 4...8-кратной дозами азота у с. Пиркка и в вариантах с 1- и 2-кратной дозами - у с. Белогорский.

Повышение содержания азота (4...8 доз) привело к снижению массы 1000 зерен и массы зерен 1 колоса у ячменя с. Белогорский.

ВЫВОДЫ

1. При прорастании семян ячменя высокие дозы азота (4- и 8-кратные) замедляют процесс водопоглощения, снижают интенсивность дыхания, активность а-амилазы и суммарную амилолитическую активность, замедляют гидролиз крахмала, что приводит к замедлению прорастания и развития проростков.

2. Переход от вегетативного к генеративному периоду развития у растений ячменя изученных сортов сопровождается увеличением объема апикального купола.

3. Параметры апикального купола определяют размеры примордиев колосков и частей цветка (тычинок и пестиков) в ходе их закладки и дифферен-цировки.

4. Под действием азота увеличивается период функционирования меристем ь: апикального купола с большими значениями объема, период заклада примордиев с большими параметрами, а также скорость образования примордиев, что обусловливает снижение числа редуцированных зачаточны? колосков и цветков и формирование высокой потенциальной и конечное продуктивности ячменя.

5. В ходе развития листьев азотные удобрения вызывают увеличение числг проводящих пучков в 5-7 листьях у ячменя с. Пиркка и 6-7 листьях у с Белогорский. В 5-7 листьях у обоих сортов ячменя под влиянием азотг уменьшается число пучков в 1 мм ширины листа за счет расширения лис' товых пластинок.

6. Условия азотного питания определяют характер созревания ячменя. Kai на ранних, так и на более поздних этапах созревания в зерновках увеличи вается активность протеолитических ферментов в вариантах с 4-, 6- и 8

кратной дозами азота, что приводит к замедлению оттока белка в зерновки.

7. Азотные удобрения оказывают влияние на элементы продуктивности ячменя: увеличивается число зерен в колосе, масса зерна 1 колоса и масса 1000 зерен. 8-кратная доза азота снижает массу 1000 зерен.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Бурень В.М., Егорова Н.В. Влияние азота на распределение проводящих пучков в листьях и продуктивность ячменя // Гумус и азот в земледелии Нечерноземной зоны РСФСР. - Ленинград, 1987. - С. 60-65.

2. Баранникова З.Д., Бурень В.М., Егорова Н.В. Действие азота на активность про-теолитических ферментов в органах ячменя при созревании // Эффективность азотных удобрений, азотный режим почв и урожайность сельскохозяйственных растений Нечернозёмной зоны РСФСР. - Ленинград, 1988. - С. 59-64.

3. Егорова Н.В., Бурень В.М. Влияние азота на развитие конуса нарастания ячменя // Тез. докл. научно-произв. конф. Роль молодых ученых и специалистов в развитии агропромышленного комплекса. - Свердловск, 1988. - С. 102..

4. Егорова Н.В. Онтогенетические изменения параметров апикального купола растений ярового и озимого ячменя при различных условиях азотного питания И Тез. докл. региональной научно-произв. конф. молодых ученых и специалистов. - Оренбург, 1996.-С. 141.

5. Егорова Н.В. Влияние азота на формирование зачаточных органов колоса и цветка озимого ячменя сорта Радикал // Тез. докл. региональной конф. молодых ученых и специалистов, часть 2. - Оренбург, 1997. - С.11.

6. Егорова Н.В. Азот как фактор регуляции органогенеза ячменя II Тез. докл. 44 научной конф. профессорско-преподавательского состава, сотрудников и аспирантов. - Самара, 1997. - С.151.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Егорова, Надежда Владимировна, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский агроуниверситет

На правах рукописи УДК 581.14 : 633.16: 631.811.1.

ЕГОРОВА НАДЕЖДА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗВИТИЕ И ФОРМИРОВАНИЕ ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТЕНИЙ ЯЧМЕНЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

03.00.12 - физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор В. М. Бурень.

Санкт-Петербург - 1998

Содержание

Введение.................................................................................................... 4

1. Обзор литературы................................................................................. 6

1.1. Изменение активности гидролаз и содержания гиббереллинов в прорастающих семенах......................................................................................... 6

1.2. Онтогенетические изменения апекса в ходе органогенеза и формирования продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азотного питания................................................................................................. 8

1.3. Влияние азотных удобрений на формирование листьев ячменя..... 19

1.4. Перераспределение протеолитической активности и содержания белка в вегетативных органах и колосе злаковых культур при созревании..... 21

2. Объекты и методика исследований...................................................... 26

2.1. Объекты исследований...................................................................... 26

2.2. Контроль за ростом и развитием апекса........................................... 27

2.3. Термины, используемые в работе, и их значение............................ 31

2.4. Измерение длины апекса, диаметра и высоты апикального купола, ширины и высоты примордиев апекса, подсчет числа и площади листьев, числа проводящих пучков................................................................................... 32

2.5. Техника микрофотографии................................................................ 35

2.6. Методика проведения биохимических анализов.............................. 35

Результаты исследований и их обсуждение

3. Физиолого - биохимические особенности прорастания зерновок ячменя в зависимости от условий азотного питания........................................ 38

3.1. Влияние азота на поглощение воды, интенсивность дыхания

и изменение затрат сухого вещества на дыхание зерновок ячменя.................. 38

3.2. Влияние азота на амилолитическую активность и гидролиз крахмала при прорастании зерновок ячменя..................................................... 40

4. Онтогенетические изменения апекса в ходе органогенеза и формирования продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азот-

ного питания........................................................................................................ 45

4.1. Влияние азота на развитие апекса и формирование продуктивности ярового ячменя сортов Гатчинский и Белогорский................................. 45

4.1.1. Особенности развития апекса и образования генеративных органов ячменя................................................................................................... 45

4.1.2. Влияние азота на продуктивность ячменя..................................... 52

4.2. Влияние азота на развитие апекса и формирование продуктивности ярового ячменя сорта Гатчинский и озимого ячменя сорта Радикал......54

4.2.1. Изменение диаметра, высоты и объема апикального купола

в ходе органогенеза ярового и озимого ячменя..................................................54

4.2.2. Образование примордиев зачаточного колоса............................... 61

4.2.3. Изменение длины и скорости роста апекса.................................... 64

4.2.4. Формирование листьев................................................................... 70

4.2.5. Формирование зачаточных органов колоса и цветка озимого ячменя.................................................................................................................. 74

4.2.6. Влияние азота на продуктивность ячменя..................................... 78

5. Влияние азота на развитие листьев ячменя......................................... 80

5.1.Влияние азота на изменение площади листовой поверхности в онтогенезе ячменя............................................................................................... 80

5.2. Влияние азота на продолжительность формирования листьев....... 83

5.3. Влияние азота на формирование проводящих пучков в листьях ячменя.................................................................................................................. 84

6. Влияние азота на активность протеолитических ферментов, содержание белка в органах при созревании и продуктивность ячменя................... 89

6.1. Действие азота на протеолитическую активность и содержание белка в зерновках и флаг-листе ячменя сортов Пиркка и Белогорский при созревании............................................................................................................ 89

6.2. Влияние азота на продуктивность ячменя...................................... 98

Выводы.................................................................................................... 100

Список литературы...................................................................................101

Приложения.............................................................................................. 117

Введение

Познание механизмов регуляции органообразования является ключевой проблемой биологии развития. В фитофизиологии интерес к этой проблеме обусловлен необходимостью поиска путей управления ростом, развитием и формировани-

У о

ем продуктивности сельскохозяйственных растении.

Известно, что смена программ развития и наступление генеративного периода в жизни растений происходит вследствие комплексного воздействия индуктивных условий (фотопериода, гормонального баланса, термоиндукции и др.), приводящего в итоге к изменению физиологического состояния и параметров апикальной меристемы.

При этом элементам минерального питания, в частности азоту, отводится роль трофического фактора, обеспечивающего полноценное развитие ранее образованных структур апекса. Главными факторами, определяющими жизнеспособность зачаточных структур, считаются обеспеченность метаболитами, в том числе азотом, и конкурентные взаимоотношения между зонами апекса, обусловленные местоположением зачаточных органов и строением сосудистой системы соцветия.

Несмотря на многочисленные исследования влияния азотных удобрений на формирование потенциальной и конечной продуктивности сельскохозяйственных растений, остается открытым вопрос о том, в какой период развития растения азот оказывает воздействие на механизмы, контролирующие наступление необратимых изменений в ходе органогенеза, и приводящих к росту числа жизнеспособных элементов продуктивности.

Однако имеющиеся в литературе сведения о роли количественных показателей зачаточных структур апекса для процесса органогенеза (Бурень, 1984,1987) и значении азота в увеличении параметров апикального купола (Dale, Wilson, 1978) и примордиев колосков (Бурень, 1981,1984,1995) позволяют предположить, что:

1. Включение механизмов, определяющих дальнейшую судьбу развития зачаточных органов соцветия, происходит в период подготовки меристемы к переходу в репродуктивное состояние;

2. Жизнеспособность зачаточных органов апекса определяется параметрами меристемы апикального купола и примордиев при инициации.

3. Азот при переходе к репродукции может выступать как фактор регуляции органообразовательной активности апикальной меристемы, увеличивая параметры и период функционирования меристемы апикального купола.

В связи с вышеизложенным цель данной работы состояла в изучении роли количественных показателей меристемы апикального купола и примордиев апекса для процесса органогенеза и формирования продуктивности в онтогенезе растений ячменя и влияния на эти процессы условий азотного питания.

В ходе работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучить онтогенетические изменения параметров апикального купола в ходе вегетативного и генеративного периодов развития ячменя.

2. Выяснить значение параметров апикального купола для процесса закладки примордиев апекса, их дальнейшей дифференцировки и формирования органов зачаточного колоса.

Изучить влияние азота на следующие процессы:

3. закладку и развитие примордиев апекса и формирование продуктивности;

4. физиолого-биохимические особенности прорастания зерновок ячменя;

5. формирование листьев и образование в них проводящей системы;

6. динамику активности протеолитических ферментов и содержание белка во флаг-листе и зерновках ячменя при созревании.

1. Обзор литературы

1.1. Изменение активности гидролаз и содержания гиббереллинов в прорастающих семенах.

В основе запуска первичных процессов прорастания семян лежат гормональные факторы, среди которых ведущая роль отводится ГК-3 (Дерфлинг, 1985). Показано, что гибберелловая кислота выступает как активатор гена, ответственного за синтез а-амилазы в набухающих семенах (Дерфлинг, 1985; Sakai-Wada et al., 1987; Garcia-Maya et al., 1990), осуществляет корегуляцию ГК-зависимого синтеза и-РНК (Baulcombe et al., 1986) и усиливает биосинтез белка (Morohaschi et al., 1989). При набухании семян количество ГК-3 в осевых органах после некоторого лаг-периода возрастает, вызывая индукцию синтеза а-амилазы и других гидролитических ферментов в запасающих тканях.

Первичный синтез а-амилазы осуществляется в зародыше (Saitoh et al., 1988) и частично в щитке (Варнер, 1968), а затем в алейроновом слое зерновок (Livesley, Bray, 1991), откуда фермент диффундирует в клетки эндосперма, где расщепляет крахмал. Амилазная активность в алейроновом слое достигает максимума в период между 12 и 20 часами после поступления ГК-3 (Nolan, Но Tuanhua, 1988).

Всхожесть семян и энергия их прорастания тесно связаны с амилазной активностью. Физиологическая роль а- и р-амилазы при прорастании семян состоит в мобилизации запасов полисахаридов в клетках эндосперма. Соотношение а- и (3-амилаз в общей амилолитической активности составляет 9:1 (Аказава, 1968; Sun et al., 1991). Активность а-амилазы при прорастании может достигать 95..'.99% общей амилазной активности (Кабачный и др., 1988).

Р-амилаза образуется исключительно в крахмалистых клетках эндосперма (Daussand, Lauriere, 1990) формирующихся семян пшеницы в течение 13...24 дней после цветения (Nishimura et al., 1987). При созревании семян фермент переходит в связанную дисульфидными связями с глютениновыми белками латентную, неактивную форму (Аказава, 1968).

При набухании и прорастании семян активность р-амилазы резко возрастает. В отличие от а-амилазы, это не связано с синтезом de novo, а вызывается активацией ее латентной формы (Varner, Но, 1977). Эффектором а- и р-амилаз, а также ряда других гидролитических ферментов в клетках алейронового слоя и эндосперма на этих стадиях является поступающая из осевых органов ГК-з (Дженн, Амен, 1982; Фурсов и др., 1990). При удалении осевых органов в процессе набухания гидролитические ферменты не активируются. Однако обработка таких беззародышевых семян ГК-з вызывает активацию как латентной [3-амилазы, так и синтеза а-амилазы (Уоринг, Филлипс, 1984). Таким образом, экспрессия этих ферментов запускает прорастание нативных семян в норме.

Конформация и физико-химические свойства ферментов меняются под влиянием как отдельных ионов, так и ионного баланса в тканях в целом. Показано, что активность препарата (3-амилазы снижается под влиянием нитратов магния, кальция и аммония в концентрации от 1 до 0.0001М. Концентрация солей от 0.1 до 0.01 М вызывает неглубокие конформационные изменения молекул фермента, которые мало отражаются на его активности (Иудина и др., 1977). Концентрации солей, превышающие физиологические, приводят к глубоким изменениям пространственной структуры фермента, затрагивающим, очевидно, область активного центра (Иудина и др., 1981).

Исследование механизмов оптимизации экспрессии гидролазного комплекса прорастающих семян представляет интерес в связи с поиском путей прерывания покоя и ускорения прорастания семян. Так, в опытах с семенами люпина и огурцов (Гордей и др., 1982; Ельцова, 1982) было показано участие солей азота в регуляции протеолитического распада белков. Под влиянием катиона аммония в прорастающих семенах пшеницы повышается общий уровень протеолитической активности и стимулируется переход семян к активному метаболизму (Ельцова, Гордей, 1988).

Участие солей азота в регуляции расщепления белков может быть связано с модификацией структуры ферментного белка и белков субстратов. Один из путей этого воздействия может заключаться в участии солей азота в регуляции уровня

гликозилированности белков, что было показано в опытах на семенах люпина (Гордей и др., 1982).

1.2.0нтогенетические изменения апекса в ходе органогенеза и формирование продуктивности растений ячменя в зависимости от условий азотного питания.

Природа механизмов, контролирующих морфо- и органогенез, в последние годы стала предметом широких исследований многих отраслей современной биологии. Поиск причин образования органов сводится к выявлению специфических морфогенов, способных инициировать их заложение (Вольперт, 1982; Михайлов, 1988).

Последние работы в области молекулярной и клеточной биологии посвящены исследованию меристематической активности разных зон эксплантов (Чурикова, Барыкина, 1995), поиску механизмов регуляции направления клеточных делений в культуре ткани (Lyndon, 19706; Palevitz, Hepler, 1974; Venverloo, Libbenga, 1987; Clayton, Lloyd, 1985), изучению ультраструктуры и биохимического состава клеток апекса при переходе к генеративной дифференцировке (Косова, 1965; Чельцова, Аветисова, 1978; Чельцова, 1980), изучению скорости клеточных делений, направления роста, изменения объема и числа клеток в разных зонах апекса в связи с инициацией примордиев (Lyndon, 1968, 1970а), изучению роли азота для процессов морфогенеза (Myodo, Kubo, 1952) и стимуляции скоростй клеточных делений в культуре ткани (Ржержабек, Горелова, 1986).

Сведения о структурных и биохимических изменениях, наблюдаемых как в меристеме апекса, так и в культуре ткани в ходе органогенеза, являются недостаточными для объяснения механизмов образования зачаточных структур апекса.

Согласно теории генетических факторов (Боннер, 1968; Нейфах, Лозовская, 1984), геном клетки содержит всю генетическую информацию, реализация которой в ходе смены программ развития приводит к образованию тканей и органов. Однако информация, закодированная в ДНК, может определять лишь структуру белков.

Формирование клеточных структур, дифференцировка клеток и образование органов контролируются негенными факторами развития (Уоринг, Филипс, 1984).

В настоящее время существует ряд гипотез, предлагающих негенные механизмы дифференцировки эмбриональных тканей и образования органов.

Концепция градиента морфогена и позиционной информации (Wolpert, 1971; Вольперт,1982) объясняет детерминацию образованием градиента "морфо-генетической" субстанции с молекулярной массой 300...500. Протяженность градиентов в эмбриональных тканях составляет менее 50 клеток, а в быстроразвиваю-щихся - значительно меньше.

Согласно гипотезе позиционной информации судьба каждой отдельной клетки определяется ее положением по отношению к остальным клеткам организма. Состояние клеток зависит как от их расположения, так и от различающейся реакции на один и тот же раздражитель. Информация о своем расположении усваивается клетками в трехмерном пространстве независимо и последовательно.

Теория позиционного контроля и индукционного градиента (W. Wilson, 1984) объясняет сосудистую дифференцировку в культуре ткани достижением тканевой массой определенного размера и образованием "физиологической дистанции" относительно поверхности каллюса. Дифференцировка клеток и формирование флоэмы и ксилемы определяется количественным направлением градиента.

Эти концепции, отводя большую роль ауксину в качестве одного из морфо-генетических градиентов, недостаточны для объяснения процессов морфогенеза.

Гирер (Gierer, 1974, 1977) и Мейнхардт (Meinhardt, 1974, 1976, 1978) разработали гипотезу образования пространственных структур в биологических системах, учитывающую формирование градиентов активатора и ингибитора и явление латерального торможения. Высокие локальные концентрации активатора служат сигналом для дифференцировки клеток и закладки зачатков листьев в побеге растения. Пространственная самоорганизация, основанная на автокаталитических процессах синтеза, диффузии и распада активатора и ингибитора, обеспечивает первичные процессы морфогенеза.

В современной биофизике, рассматривающей процессы самоорганизации в биологических системах, переход эмбриональных тканей к дифференцировке и об-

разованию структур объясняется неоднородным распределением морфогенов - регуляторов генетической активности.

В формировании пространственно неоднородных распределений морфогенов ключевая роль отводится неустойчивости, разрушающей исходное однородное состояние (Тьюринг, 1952). В итоге в системе формируется стационарное пространственно неоднородное распределение реагентов (диссипативная структура), которое обусловливает процесс позиционной дифференцировки тканей. Исследования Гирера и Мейнхардта (1972) показали, что неустойчивость может возникать при увеличении размеров системы (например, зародышевых тканей).

Механизмы формообразования в ходе органогенеза растений исследуются на уровне взаимодействия клеток в меристематических тканях (Бурень, 1987, 1991). Согласно этой концепции, главная роль в процессах образования тканей и органов отводится формированию популяции с генетически детерминированным критичес�