Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

СОСТАВ БЕЛКОВ И АКТИВНОСТЬ АМИЛАЗ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕЙНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "СОСТАВ БЕЛКОВ И АКТИВНОСТЬ АМИЛАЗ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕЙНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ"

Министерство сельского хозяйства ссср

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

На правах рукописи ЗАСЛАВСКАЯ Наталья Васильевна

УДК 631.811.1: 633.112.9

г

СОСТАВ БЕЛКОВ И АКТИВНОСТЬ АМИЛАЗ В ЗЕРНЕ ПШЕНИЧНО-ПЫРЕИНЫХ ГИБРИДОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ

Специальность — 06.01.04 — Агрохимия

. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

москва— 1980

Работа выполнена на кафедре агрономической и биологической химнн Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор | Пдешков Б, П.|

Официальные оггаоненты — доктор биологических наук Павлов А. Н., кандидат биологических наук Кожемячко В. А.

Ведущее учреждение — НИИсельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны.

Защрха- состоится « . > —. . 1985 г.

в . час. на заседании Специализированного совета Д 120.35.02 в Московской сельскохозяйственной академии нм. К- А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, Тимирязевская ул., ,47, корп. 8, Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА'.

Автореферат разослан « . У^» . Ч^^Г7^^ 1985 г.

Ученый секретарь Специализированного совета -

дефект Дорожкина Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Длительные исследования зерновых культур показали, что путем применения оптимальной агротехники, высококачественного посевного материала, а также регулирования условий питания растений можно значительно повысить в зерновках содержание белковых веществ, но при этом не происходит улучшения биологической питательной ценности белков целого зерна, так как п нем увеличивается доля несбалансированных по аминокислотному составу бел-ков-глиадннов. Поэтому главный путь улучшения биологической ценности белков пшеницы — создание новых гибридов и сортов с повышенным содержанием в белках незаменимых аминокислот (Плешков Б. П., 1964; 1980; Павлов Л, Н„ 1967;

1974; Созннов Л. А., 1976; УШе^аа Е„ 1975; Ме!зоп Ь. X. с1 а!.,

В целях селекционного улучшения мягкой пшеннны проводится ее скрещивание с другими злаками, которые являются генетическими источниками высокого содержания в зерне белков и незаменимых аминокислот, к таким злакам относятся некоторые виды пырея. При гибридизации пшеннны и пырея получены ценные в практическом отношении гибриды, соответствующие по многим показателям сортам интенсивного типа. Среди ннх выделены генотипы, которые характеризуются не только высокой урожайностью, но и повышенной способностью к накоплению в зерне белков, хорошо сбалансированных по содержанию лнзнна, триптофана, треонина и других аминокислот (Цнннн П. В., и др., 1960; Лапченко Г. Д., 1971; Храброва М. А. и др., 1972; Плешков В. П. н др., 1978, 1982).

Для опенки химического состава и потенциальных возможностей новых пшеннчно-нырейных гибридов по накоплению в зерне белков необходимо изучение их биохимических особенностей и реакции на внесение удобрений. Кроме того, имеется мало сведений о влиянии условий питания на ферменты ами-лазного комплекса пшеннчно-пырейных гибридов, а также «последействии» минеральных удобрений на активность амилаз зерна. Выяснение этих вопросов имеет важное значение для

1978)

дальнейшего использования ишенично-пырейных гибридов в сельскохозяйственном производстве.

Цель исследований. Исследования были выполнены с целью изучения влияния условий азотного питания на состав белков и активность свободных амилаз в зерне пшеницы и пше-нично-пырейных гибридов разного геномного состава. Программой исследований предусматривалось:

1. Изучение влияния условий азотного питания на формирование урожая и качества зерна обычной мягкой пшеницы и ишенично-пырейных гибридов, различающихся по геномному составу.

2. Выяснение особенностей биосинтеза белков у пшенично-лырейных гибридов в процессе созревания зерна с использованием мочевины, меченной ,SN.

3. Определение количественных и качественных изменений в составе свободных амилаз в процессе созревания и прорастания зерна.

Научная новизна работы. Получены новые сведения о влиянии азотных удобрений на урожай и качество зерна пшеницы и ишенично-пырейных гибридов. Установлено, что гибрид ам-фиплоидного типа отличается заметной реакцией на внесение азотных удобрений и повышенной способностью к накоплению в зерне белков при дефиците азота. В опытах с использованием мочевины, меченной 15N, показано, что на ранних этапах созревания в зерновках пшенично-пырейных гибридов интенсивно синтезируются спирторастворимые глютенины, в дальнейшем усиливается биосинтез глиадинооых белков. Исследование амилазного комплекса зрелого зерна показало, что повышение в нем уровня ц-амилазной активности при внесении высокой нормы азота связано с амилазами созревания, которые полностью не переходят в связанную форму. Повышение активности амилаз при переувлажнении зерна происходит в результате действия изоферментоп, которые идентифицированы как в созревающем, так и прорастающем зерне.

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы при разработке рекомендаций по применению удобрений под пшеницу и пшеннчно-иырейные гибриды, направленных на увеличение урожая и повышение качества зерна, так как в программу исследований были включены возделываемые сорта мягкой пшеницы и новый шпенично-пырей-ный гибрид (ППГ 347), находящийся в сортоиспытании,

. Апробация работы. Результаты исследований были доложены на июньской и декабрьской конференциях молодых ученых ТСХА в 1982 г. и опубликованы в виде тезисов и статьи.

Объем работы. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 18 рисунков и 49 таблиц. Вспомогательный материал диссертации представлен в прило-

женнях. Список использованной литературы включает 343 наименования, в том числе 127 иностранных.

Объекты и методы'исследовании. В опыты были включены два типа пшенично-пырейных гибридов: гибрид амфнплоидно-го типа ПППГ 79 (2п-56), который наследует пырейный геном Да; ППГ 347 и ППГ 186 — пшенично-пырейные гибриды пшеничного типа. В качестве стандартного образца обычной мягкой пшеницы был взят сорт Мироновская 808,

На полевой опытной станции ТСХЛ проведения мелкоделя-ночные опыты по следующей схеме: 1-й вариант — 90Р90К;

2-й — 90М90Р90К; 3-й — 140\Т90Р90К; 4-й — 140М90Р90К + + 30Х поздняя некорневая подкормка. Почва на опытном участке дерново-подзолистая среднесуглниистая, рНка — 5,8; Б — 11,5 мг-экв на 100 г почвы; Пг — 5,0; содержание гумуса 2,1%; содержание Рг05 и КгО в вытяжке по Кирсанову — соответственно 5 и 8 мг на 100 г почвы. Фосфорные и калийные удобрения в виде двойного суперфосфата и хлористого калия вносили осенью из расчета 90 кг Р2О5 и КгО на 1 га, азотные удобрения в виде аммиачной селитры — дробно: осенью 40 кг/га и весной в подкормку во втором варианте 50 кг/га, а в третьем и четвертом — 100 кг/га. Площадь делянки 1 м2, учетная площадь 0,2 м2, повториость опытов—1-кратная.

В вегетационных опытах растения выращивали в сосудах Митчерлиха-Вагиера, в каждый сосуд помешали б кг дерново-подзолистой почвы, которая имела следующую характеристику: рИка —1,6; Нг — 6,4 и 5 — 8,6 мг-экв на 100 г почвы, содержание гумуса 2,7%; содержание Р2О5 и КгО в вытяжке по Кирсанову соответственно 6,6 н 7,4 мг на 100 г почвы.

Опыт 1982 г. проводился по схеме: 1-й вариант — О^РО, 8К; 2-й — 0,9М0, 8Р0, 8К; 3-й— 1,4М0, 8Р0, 8К; 4-й— 1,4М0, 8Р0, 8К+0.3М некорневая подкормка. Фосфор и калий в виде одно- и двузамещенного фосфата калия вносили в дозе 0,8 г Рг03 и КгО на сосуд, в качестве азотного удобрения использовали аммиачную селитру, которую вносили дробно: осенью 0,4 г на сосуд и весной в подкормку во 2-ом варианте 0,5 г азота, а в 3 и 4 вариантах 1 г N на сосуд, В 1981 г. опыт включал три варианта; 1-й —0,8 Р0, 8К; 2-й— 1,4Ж), 8Р0, 8К;

3-й — 1,4М0, 8Р0, 8К + 0,ЗМ поздняя некорневая подкормка. Для нейтрализации почвенной кислотности вносили углекислый кальций в дозе, рассчитанной по нолпой гидролитической кислотности, Повторность опытов 4-кратная. Некорневую подкормку азотом в полевых и вегетационных опытах проводили 3%-ным раствором мочевины в начале формирования зерна.

В зерне определяли содержание белкового и небелкового азота, фракционный состав белков, активность свободных ами-

* В г на сосуд,

лаз н их нзоферментный состав. Белковый и небелковый азот определяли мнкрометодом Къельдаля после осаждения белков по Барнштейну. Белковые фракции зерна выделяли но Ос-борну с некоторыми модификациями. Активность амнлодити-ческих ферментов определяли методом йод-крахмальной пробы, количество белка в ферментном растворе — по Лоури. Разделение изоферментов амилаз проводили методом электрофореза в лолиакриламидном геле в щелочной буферной системе (Плешков Б. П., 1976). Спнрторастворимые белки (глиадины) разделяли на сефадексе 0-100 с использованием хроматогра-фических колонок размером 4X100 см, состав хроматографи-ческих фракций изучали методом электрофореза. Изотопный анализ азота выполняли на масс-спектрометре МИ-1305. Статистическую обработку экспериментального материала проводили дисперсионным методом (Рокицкий П. Ф„ 1967),

Содержание работы

I. Урожай и качество зерна пшенично-пырейиых гибридов при различных условиях азотного питания.

Результаты полевых и вегетационных опытов показывают, что пшеннчно-пырейные гибриды характеризуются высокой отзывчивостью на внесение азотных удобрений. Вместе с тем, действие удобрений е значительной мере зависит от погодных условий. Сравнение урожаев, полученных в полевых опытах 1981 и 1982 г., свидетельствует о том, что эффективность азотных удобрений во влажный и засушливый год заметно разли-

1 Таблица!

Урожай пшенично-пырейных гибридов в полевых опытах

<г на делянку)

Варианты опытов

1981' г.

L,

С

ей

о

ЬК Я « ™

S

19S2 г.

Сет

О

^ ьа ^ ■< 3 во

Фон —МР90К.....

Фон+40М осенью+50Ы весной Фон -I- -ЮМ осенью + 100Ы вес

ко Я.......

Фон -4- 4№1 осенью + 100,М весной + ЗШ подкор. .

НСРо,« {по генотипу) , НСРо (по влиянию удобрений)

63,6 70,6

103,5

100,4

90,2 117,5

129,0

129,0

67,7

7U

№3,6

1М/5

7,5 7.2

26.6 64^6

78.9

77,9

58,3 120,1

№1,2

164,2

44,0

77,3

97,0

99,2

6,5 6,8

чается (табл. 1). В опыте 1981 г. формирование урожая пшеницы и пшенично-пыреййых гибридов происходило в засушливых условиях, поэтому внесение нормы азота 90 кг/га не вызывало значительного повышения урожая. У пшеницы к ам-фиплоида в этих условиях существенное увеличение сбора зерна (в 1,5—1,6 раза по сравнению с фоном) отмечено лишь при внесении азота в норме 140 кг/га. Пшенично-пырейный гибрид пшеничного типа ППГ 347 заметно превышал по урожайности как пшеницу, так и гибрид амфиплоидного типа. Во влажных условиях 1982 г. от применения удобрений был получен значительно больший эффект, В этом опыте общее повышение урожайности под влиянием азотных удобрений у ам-фиплонда достигало 300%, а у пшеницы и ППГ 347 — соответственно 220% и 280%..

Таблица 2

Урожай зерна пшеннчно-пырейкых гибридов в вегетационных опытах (в г на сосуд)

4981 г. 1982 г.

Варианты опытов и С ей с-, ей и ЕЗ (а о 5 С ёе □ й Сп 1 2.« 3 33 < Зои

Фон — 0,8Р0,8К . . Фон + осенью г + 0.5М весной . Фон + 0,4N ' осенью + + 1,0М весной Фон + 0,4 N осенью + + 1,0.\* весной + О.ЗМ подкормка . 5,3 25,9 25,1 9,3 2 Г,5 27,8 8,2 23,1 23,3 8,4 24.1 24 2 4,7 12,2 14.5 14,7 6,1 Ы,9 15,6 15,5 5,9 15,9 15.9 15^8

НСРо.о! (по генотипу) НС Ре. (по влиянию удобрений) ..... 3,0г 3,0 г 0,7г 0,8г

Действие азотных удобрении на формирование урожая сильнее проявлялось в вегетационных опытах. В опыте 1981 г. благодаря поливу поддерживалась оптимальная влажность, что создавало условия для эффективного использования азота удобрений. В этом опыте внесение азота в дозе 1,4 г на сосуд вызывало повышение урожайности пшеницы и гибрида пшеничного типа в 2,8—3 раза, а гибрида амфиплоидного типа в 4,9 раза по сравнению с вариантом без внесения азотного удобрения. В вегетационном опыте 1982 г. вследствие переувлажнения почвы и прохладной погоды были получены более низкие урожаи по сравнению с опытом 1981 г., однако, внесе-

ние азотного удобрения и в этих условиях обеспечивало повышение урожайности растений в 2,6—3,1 раза. Применение поздней некорневой подкормки в фазе начала формирования зерна как в полевых, так и вегетационных опытах не оказывало существенного влияния на урожайность шпеннчно-пырейных гибридов и пшеницы.

Под действием азотных удобрений заметно повышалось накопление в зерне белков. В засушливых условиях 1981 г.'содержание белков в зерне лшеншш и пшеннчно-пырейных гибридов при внесении нормы азога 140N возрастало на 1,6— 4,8% (табл. 3). Наиболее высокий уровень белковости зерна

- Таблица 3

Содержание белков в зерне пшеннчно-пырейных гибридов в полевых опытах (в % от сухой массы)

Варианты опытов 1981. г. 1982 г.

с- с о 2 2 23 С 00 П is и С «« л о те ^ 5 со

Фон— 90Р90К..... 13,0 8,8 9,4 и я 9,8 9,8

Фон-MON occitbfo+50N* весной 15,7 11.9 10,5 11,9 9,9 9,0

Фон + 40N осенью + 100N вес-

ной ........ 16,6 13,6 11,5 11,5 11,9 10.4

Фон + 40N осенью + IOON вес-

ной + 30N подкормка . 10,2 15,1 13,5 11,6 12,9 10,9

имеет в этом опыте амфнплонд, особенно при дефиците азота. В полевом опыте 1982 г., который отличался влажной и прохладной погодой при внесении тон же нормы азота концентрация белков в зерновках пшеницы и гибрида пшеничного типа повышалась на 0,6—2,1%, а в зерновках гибрида амфн-плондного типа почти не изменялась. Следует отметить, что амфнплонд, относящийся к высокобелковым генотипам, в опыте 1982 г. превосходил по белковости зерна пшеницу н ППГ 347 при недостатке азота.

По результатам этих опытов вндно, что потенциальные возможности разных генотипов по накоплению в зерне белков реалнзовывалнсь в контрастных погодных условиях неодинаково. В относительно засушливом 1981 г., когда создавались благоприятные условия для биосинтеза белков, разница между пшенично-пырейнымн гибридами по белковости зерна достигала 3,6—6,2%, а при »лажной и прохладной погоде в 1982 г. эти различия снижались до 0,4—2,2%.

Высокий уровень белковости зерна получен в вегетацион-

ных опытах (табл. 4), в 1981 г. внесение азота в дозе 1,4 г на сосуд повышало содержание белков в зерне различных генотипов на 1,6—4,0%, а в 1982 г. на 3,6—8,4%. Более заметное действие азотных удобрений на белковость зерна в опыте 1982 г. было вызвано тем, что в этом году меньше азота использовалось растениями в первой половине вегетации на формирование вегетативных органов, вследствие чего создавались лучшие условия азотного питания во время созревания зерна, и уровень белковости зерновок достигал 17—18%.

Таблица 4

Содержание белков в зерне пшеннчно-пырейных гибридов в вегетационных опытах (в <%! от сухой массы)

Варианты опытов '1981 г. 1982 г.

и. С и- сЗ и 8 я о с. В! Ч (1® 3 зз ПГ1ПГ 79 С« А о 1« доо

Фон — 0,8Р0,8К . . 13,0 11,3 П,з 10,5 12,7 1-3,6 9,5

Фок + 0,4М осенью +

+ fl.CN весной _ _ _ — 15,3 14.5 13,6

Фон + 0,4 N осенью +

-г весной 14,6 13,7 15,2 14,5 14.0 17,2 17,9

Фон + 0,4Х осенью +

+ 1,0.4 весной + О.ЗМ

подкормка . 15,9 15.8 18,9 17,5 19,7 18,1 19,0

Применение азотной подкормки в начале формирования зерна при благоприятных погодных условиях в полевом опыте

1981 г. повышало содержание в зерне белков на 1,5—2,6% и оказало слабое влияние на белковость зерна в полевом опыте

1982 г. Особенно высокий эффект от некорневой подкормки получен в вегетационном опыте 1981 г., когда накопление белков в зерне различных генотипов под ее влиянием повысилось на 1,3—3,7%. Результаты вегетационного опыта 1982 г. свидетельствуют о том, что поздняя некорневая подкормка мочевиной можег быть эффективной даже в таких условиях, когда получен высокий уровень белковости зерна в результате улучшения корневого питания азотом.

Определение содержания белкового и небелкового азота в процессе созревания зерна показывает, что биологические особенности генотипов по накоплению белков проявляются на ранних этапах формирования зерна. Погодные условия оказывают заметное влияние на динамику содержания белкового азота в созревающем зерне, в конечном итоге определяя уровень белковости зрелых зерновок. При влажной погоде, да-

же при внесении высокой дозы азотного удобрения, в фазах формирования зерна и молочной спелости снижается уровень белкового азота, что предопределяет формирование зерновок с ннзким содержанием белков (рис. 2). Улучшение азотного литании во время формирования и налива зерна в большинстве случаев обеспечивает такую динамику содержания белкового азота, при которой происходит постоянное нарастание концентрации белковых веществ от фазы формирования зерна до полной спелости (рис. 1). Применение поздней некорневой азотной подкормки вызывает повышение содержания белкового азота па ранних этапах созревания зерна, что предопределяет формирование зерновок с повышенным содержанием белков.

2,Использование азота поздней некорневой подкормки для биосинтеза белков в зерне пшеннчно-пырейных гибридов.

Поздняя некорневая подкормка азотом — эффективный прием для повышения содержания белков в зерне злаков. В вегетационном опыте 1981 г, нами были проведены исследования по изучению интенсивности биосинтеза,белков в зерне пшеннчно-пырейных гибридов с использованием стабильного изотопа Некорневую подкормку мочевиной, меченной |5М, в фазах формирования н молочной спелости зерна проводили за Г» дней до отбора проб. Кроме того, для определения эффективности некорневой азотной подкормки выясняли распределение меченого азота в зрелом зерне. В этом случае подкормка проводилась и начале формирования зерна.

Результаты опытов показали, что у пшеннчно-пырейных гибридов азот некорневой подкормки особенно интенсивно поступает и зерно в фазе молочной спелости, когда происходит быстрое увеличение массы зерна, тогда как у пшеницы Мироновская 808 интенсивность биосинтеза белков в фазах формирования зерна и молочной спелости была примерно одинаковой. Особенности генотипов проявились по биосинтезу глобу-лииовой фракции, удельный вес которой в процессе созревания зерна пшеницы и гибрида пшеничного типа понижался, а в зерне амфиплоида оставался на одинаковом уровне. Последнее свидетельствует о том, что возможно, у гибрида амфинло-лдпого типа значительная часть глобулинов является запасными белками, поэтому скорость их синтеза при созревании зерна не снижается.

Изучение включения азота подкормки в другие белковые фракции зерна показало, что в фазах молочной спелости и формирования зерна у пшеннпм и пшеннчио-пырейных гибридов происходит не только интенсивный синтез легкорастворн-

мых, но и клейковинных белков,, в дальнейшем интенсивность-&

% * ЛШ1Г 79 1

6 г

I

ГШГ 347

Мироновская 608

IЩI л ш Ш . I 11:М

Рис.I.Изменение содержания белкового азота в процессе ■ соэраяання.эерн* в вегетвцйоннйм опитв 1982г. 1-фэрмирование зерна; 2-молочкая спелость; 3- , . >(олочко^вйсковая сполость;4-полная спелость зерна.

1У-1,4Ы0;6Р0,бК+Э.ЗЫ некГподиормка V-

.Л ЛППГ. 79 •: • 'ЛПГ 347 •: )■'■■

I

3 N

Мироновская ЙОЫ *

-.1 21 Л.; • : X Й • I Я Ш Й • . .

'Рис,2.Изменение содержания белкового азота" в процессе '"созревания зернав'полёвоч.отгге 1982..'с'.. '>\ ■" ' 1Чврмированив зерна, 2-ыолочная'спелость. 3- '■■ * . модочно-восковая спелость, 4-полная спелость зерна! • 1-90Р9<Ж; П-90Ы90?90К; и-140М90Р90К; ; . 1^-140К90Р9Ш+30М- некорневая подкормка. ..:■ • ■ ' '

л

кОО-

гоо-£00/00-

ь-9

шш

ПШ1Г 79

ЪТгтЫ

.В-..

Л А

1

300

300

ло !

•

Ш

ГШПГ 347

Ш

\zani

ШД-

' к

Ж

.. Мироновская 603

Ж

I ■■ г,- • .. ш

Рис,4,Изменение активности амилаз в процессе созреваниязерна, *■■ ■* Полевой опыт 1962 гч 1 ; ■', ■ *:

. 'Д-90Р9СК; 2-90ГКЮР90К; 3-Г40Ш0Р9СИ;4-140Ы90Р9ас+

V. ЗОК! некорневая- подкормка; , -■V- • 1-формирование зерна;; 11-молочная спел ост у; Ш-молоч-, ' ; но-васковая спелость; Й-полнал-спелость зерна! '.'„ '"■ а-активность амилаз <в иг гидролизованного крахмала аа! "-■, на Т-мл /«рментного раствора), ■ , _

^ -активность оС -амилаз; □ активность -амилаз.

• yY' ДОЛГ Я '-л

■У- 1,2.3.4

+1

• ППГ 3-17 • J ? Ч 4 т о ч л

оэп

А.. ' ; • ß - •••' .А . \:''.':'É\'r;~±:Y\ д\

аг

0,4-

ае-

; •.Риг .5.Измё||е'нке иэо^ркснтиого состав аиилаз в'процессе созремнил зерна; ~

- " • :.Л»л«тая спит IS8I г. (I40N90P9CK+30M некорневая подкормка). . .. ' ' '

' А-суммаршй■ снектр'&»*лаэ;■ Б-спехтр ^амилаз. . r V- г.V. , -■:,';>

зерна; 2-молочнал ешйоещ З-юлочко-еосяовая спелое^;'•'•' ■ * 4-пгшщя спе-юГгь.зерна,- > ■ ■'. '-, ' - : - ■ . - ■

- ' -У'; 'Y '■ ■ л ' г ,\*

и: -у -i/j-^.v::- i';--: , , ' -...-u.......v

i . '•. »r .

биосинтеза белков разных фракций изменяется: биосинтез альбуминов и легкорастаоримых глобулинов снижается, а глна-динов и глютенннов повышается, в результате чего в зерновках к концу созревания происходит накопление клейковинных белков.

Таблица 5

Включение азота некорневой подкормки в белковые, фракции зерна

(в % от поступившего азота)

Генотип Фазы созревания зерна к _ я а <J к ö-s-g = 3 ES S. Я О = - et P S h л s uc Л я о ¿ач о? d ^ ь> 3 3 В я = ип г; о с/ О 1 J 3 х X и rj 3 х и 5 о 3 К * о F, £ Я 3 £ ^

< п Я и, ч — £ С ™ оло

ПППГ 79 формирование зерна молочная спелость полная спелость 3/VII IS/VI 1 3/Vll 40.0 22.1 93 9,0 9,9 23,3 26,8 32,0 23,8 27,4 30,6 3,2 1.6 5,4

ППГ 347 формирование зерна молочная спелость полная спелость 24/VI 2/VII 21/VI 36.0 34,4 19.1 11,6 10.7 7,6 15,1 22 2 27,7 29,2 27,0 40,6 8,1 5.7 5,0

Мироновская 808 формирование зерна молочная спелость полная спелость 21/VI I7VII 21/VI £0,6 14,3 11,5 14.2 7,1 34,3 37,0 32,9 30,5 28,0 43.5 3,1 2,6 2 2

В результате разделения слирторастворимой фракции зрелого зерна пшенично-пырейных гибридов на сефадексе G-100 было получено четыре фракции — I, II, III, IV (рис. 3), Электрофорезом в полиакриламидном геле установлено, что первая фракция (I) содержит низкомолекулярный глютенин, который вместе с глиадиновымн белками растворяется в этиловом спирте. Вторая фракция (II) включает м-глиадины н некоторые компоненты -у-глиадинов, третья (Ш) представляет собой смесь -у- и ß-глиадинов, четвертая (IV) включает главным образом ß- и u-глиаднны, В зерне амфиплонда по сравнению с гибридом ППГ 347 больше содержится белков фракций I и П и меньше фракции IV.

Изучение включения меченного 1SN азота поздней некорневой подкормки во фракции спнрторастворимых белков на ранних этапах созревания зерна показало, что у ПППГ 79 в фазе молочной спелости более интенсивно по сравнению с фазой формирования зерна происходит синтез фракций II и III, ко-

Э

.торые представлены w- и ß-глнадинами, и менее интенсивно белков фракции IV, содержащей ß- и а-глиаднны (табл. 6). У Г1ПГ 347 в фазе молочной спелости несколько снижается биосинтез спирторастворимых глютенинов и повышается интенсивность синтеза фракции IV. К полной спелости зерна интенсивность биос1гнтеза спирторастворимых глютенинов снижается и усиливается биосинтез белков глиадиновых фракций, особенно фракций III и IV, включающих у-, ß- и а-глиадины.

Таблица 6

Включение азота мочевины, меченной во фракции спирторастворимых белков (в % от поступившего азота)

Геиотнп * Фазы согревания зерна Фракции белков после разделения на ссфадексе G-100

I II ш IV

ПППГ 79 формирование зерна молочная спелость полная спелость 37,8 37,4 10,4 12.1 17,2 14,8 10.3 16.9 32.4 39,8 28,5 42,4

ППГ 347 формирование зерна молочная спелость полная спелость 31.8 24,3 5.2 8,8 10.2 13,0 12,3 11,7 20.5 47,1 63.8 61,3

* Сроки подкормки те же, что » таблице 5.

Таким образом, в результате разделения спирторастворимых белков зерна пшенично-пырейных гибридов разного ге^ номного состава на сефадексе й-ЮО установлено, что амфи-плонд и гибрид пшеничного типа различаются по соотношению спнрторастворнмого глютенина и глиадиновых белков, а также по составу глиадинов. В процессе созревания зерна, интенсивность биосинтеза фракций спирторастворимых белков существенно изменяется. На ранних этапах созревания в зерне пшенично-пырейных гибридов интенсивно синтезируются спир-торастворимые глютенины, в дальнейшем усиливается биосинтез глиадиновых белков. В зерне гибрида амфнплондного типа в фазе молочной спелости более интенсивно синтезировались компоненты ы- и -угглиадннов, а у гибрида пшеничного типа компоненты а- и р-глиадинов, что в конечном итоге приводило к изменению состава глиадинов зрелого зерна.

О, Активность и состав амклаз в зерне пшенлчно-пырей-пых гибридов при различных условиях азотного питания.

Проведенные полевые и вегетационные опыты показывают, что уровень амилазной активности в значительной степени за-

висит от уровня азотного питания, а также погодных условий во время вегетации. Внесение повышенной нормы азотных удобрений, как правило, приводит к повышению активности и-амнлаз, а применение поздней некорневой подкормки в большинстве случаев не только повышает белковость зерна, но и снижает активность и-амилаз (табл. 7).

Таблица 7

Активность амилаз в зерне пшеннчно-пырейных гибридов в полевых опытах (в мг ги др олизован ного крахмала эа час на 1 мг белка)

1981. г. 1982 г.

Генотип Варианты опытов к £ в % от обще П ами-ла-з н ой активности « £ в % от общей амн-лазной активности

5 3 а 3 х р О 3 и О гЗ « ТЗ « 2 » «3 ic.fi й 2 £ я в Й Р? ¡5 3 Ш 5 О к д ¡1 5 л Сф П * и г X а « ? п с:

ПППГ 79 90Р90К 90М90Р90К 140М90Р90К Ш1М90Р90К + ЗОЫ пек. под. 25.0 28.1 29.3 31.4 8,0 4,3 11,6 4,8 92.0 95,7 88,4 95,2 67,6 +8,6 63,9 93,5 7.8 13.0 22 2 27,0 92.2 87.0 77,8 72.1

ППГ 347 90Р90К 90Ы90Р90К ЬМШЭОРЭОК 14<Ш90Р90К + 3<Ж нек. под. 2Э.2 22,7 27)8 24г,3 4.7 2,2 6,5 3,3 95,3 97,8 93,5 96,7 21,6 26,6 20.4 25.5 41,3 34,2 43,6 15,2 58.7 65.8 56,4 84,8

Мироновская 808 90Р90К 90М90Р99К мадоорэок 140М90Р90К + ЗОМ нек. под. 21,6 2-1,1 21,9 25,0 5,1 7,3 15,5 4,8 94,9 92,5 8-1,5 95,2 16,4 22.0 15<5 17,3 20,8 41.2 44.3 10,7 тол 58,8 55,7 80,3

Средняя ошибка ±0,1—0,5 * 0,3—1,9

Более заметным влияние некорневой подкормки было в опыте 1982 г., где ее применение значительно снижало активность «-амилаз в зерне пшеницы и гибрида пшеничного типа. Такая же закономерность получена и в вегетационных опытах. Повышение в некоторых случаях «-амилазной активности при переувлажнении зерна вызвано действием амилаз прорастания. Установлено, что более высокий уровень и-амилазной активности в зрелом зерне при внесении высокой нормы азота связан прежде всего с амилазами созревания; Как показали опыты, пшенично-пырейные гибриды по уровню и-амилаз-ной активности зерна мало отличаются от обычной пшеницы.

п

Для того, чтобы выяснить причины, вызывающие измене* ние амилазной активности зерна, нами были выполнены опыты по определению активности свободных амилаз и их изофер-ментного состава. Результаты опытов показали, что уровень амилазной активности в зерне, изменяясь в процессе созревания, зависит также от азотного питания растений, биологических особенностей генотипов и в значительной степени определяется погодными условиями. В фазе формирования зерна отмечена довольно высокая активность амилолитических ферментов у всех генотипов (рис. 4). К фазе молочной спелости уровень общей амилазной активности в зерне понижается, причем это понижение в большей степени обусловлено падением активности р-амилаз. От фазы молочной спелости до мо-лочно-восковой суммарная активность амилаз или снижается, или остается примерно на том же уровне, как н в фазе молочной спелости. Снижение амилазной активности от молочной до молочно-восковой спелости у пшеницы и гибрида пшеничного типа происходит за счет «-амилаз, а у гибрида амфиплоидно-го типа за счет р-амнлаз. Повышение «- и р-амилазной активности в зрелом зерне пшеницы и гибридов .является следствием скрытого прорастания, которое вызвано резким повышением влажности во время созревания зерна. Сравнивая варианты опыта, различающиеся по азотному питанию, необходимо отметить, что уровень обеспеченности растений азотом оказывает заметное влияние на активность амилаз в наиболее ранний период созревания, причем при улучшении азотного питания растений р-амйлазная активность в фазе формирования зёрна понижается, а «-амилазная активность увеличивается, наиболее четко эта закономерность была выражена у пшеницы ц гибрида пшеничного типа.

Электрофоретнческие'исследования показали, что измене-, ние активности амилаз в различные фазы развития зерновок связаны с количеством нзоферментов (рис. 5). В фазу формирования зерна, которой соответствует самая высокая «-амилазная активность, найдено наибольшее количество нзоферментов и-амилаз. К фазе полной спелости зерна количество нзоферментов «-амилаз сокращается до одного, что соответствует и резкому снижению «-амилазной активности. Вместе с тем, следует отметить, что йзоамнлазный спектр в процессе созревания зерна изменяется более сложно, чем простое увеличение или уменьшение числа электрофорстнческих компонентов, особенно это относится к р-амилазам. Электрофорети-ческин анализ р-амнлаз показывает, что по мере созревания зерна постоянно изменяется набор электрофоретическнх компонентов, активность одних компонентов ингибируется, вместо этих амилаз'синтезируются другие изоферменты.

В опыте 1981 г. установлено, что зерновки, выращенные на 12 .

разных уровйях азотного питания, заметно различались fto количественной выраженности электрофоретических компонентов а-амилазы, В зерне растений, выращенных при внесении 140N9GP90K, этот компонент содержался в большем количестве и обладал более высокой активностью, чем в зерновках, сформировавшихся на фоне более низкого уровня азотного, литания, а также в варианте с некорневой азотной подкормкой. Сравнение полученных спектров амилаз зерна различных генотипов показало, что и ППГ 347 н ПППГ 79 полностью включают в себя все компоненты изоамилаз зерна пшеницы Мироновская 808, Однако, каждый из гибридов имеет и специфические компоненты.

Электрофореграммы амилаз зерна урожая 1982 г., выращенного на разных уровнях азотного питания, различались по составу изофермептов. В зрелом зерне пшеницы Мироновская 808 и ППГ 347, полученного в полевом опыте, были идентифицированы «-амилазы, найденные в ранние фазы созревания зерна. В зрелом зерне ПППГ 79 обнаружен изофермент а-ами-лазы с ОЭП 0,285, который присутствует в спектрах прорастающего зерна. Зерно амфиплоида, в отличие от пшеницы и гибрида пшеничного типа, различалось также по составу р-ами-лаз, которые были определены как в спектрах прорастающих, так и созревающих зерновок. Примерно такие же отклонения по изофермеитпому составу амилаз в зерне обнаружены и в вегетационном опыте 1982 г.

Как известно, амилазы могут влиять на посевные качества зерна, усиливая мобилизацию запасного крахмала. Данные наших исследований показали, что зерно, выращенное при различных условиях азотного питания в полевом опыте 1981 г., различается по активности амилаз в процессе его прорастания (рис. 6).

На первых этапах развития проростков отмечается более медленное нЗрастанне активности а-амилаз в эндоспермах семян, полученных при внесении повышенной нормы азота (вариант 140N90P90K), У амфиплоида и пшеницы в этом случае максимум амилазной активности смещается к десятым суткам от начала прорастания. У гибрида ППГ 347 отмечается более замедленное нарастание активности а-амилаз в 1—5 сутки проращивания семян. У пшенично-пырейпых гибридов при некорневой подкормке сформировалось зерно, которое при прорастании имело максимум а-амилазной активности так же, как и зерно с варианта 90Р90К, на 7 сутки от начала проращивания, однако уровень активности а-амилаз у проростков этого варианта был значительно выше, У пшеиицы Мироновская 808 в полевом опыте 1981 г. было получено зерно с низким содержанием белков при внесении азота, поэтому оно заметно от-

л

П11Г 04?

Рнс.6.Лли«н<чша активности амилаз в Процчсс« прорастания эорнп, вырящ(;нного при различных ус.юеиюс лэотиого (штанин.

---90Р90К; - . 140Н90Р90К; -14<Ж90Р90К+

30N некорновян ипднормнп.

А-пктивноагь амилоз (в кг гидролизованного крахмала аа 1.и«и, н» I мл (Ч'рмгнтноги раствора).

.тачалось от пшенично-пырейных гибридов по темпам нарастания активности и-амилаз в процессе прорастания.

Максимум р-амклазной активности в эндоспермах проростков отмечен на 5—7 сутки от начала прорастания. На активность этой группы амилаз существенное влияние оказали наследственные особенности генотипов: у амфнплонда максимум активности р-амилаз в прорастающем зерне наблюдается на 7 сутки, у гибрида пшеничного типа —на 5 сутки, а у пшет ницьг в варианте без внесения азота —на 5 сутки, с внесением азота — на 7 сутки.

При анализе динамики изменения изоферментного состава амилаз в процессе прорастания семян можно отметить влияние на этот процесс, с одной стороны, наследственных особенностей генотипов, а с другой — уровня азотного питания. Каждый генотип, реализуя свою наследственную программу, обеспечивает повышение активности амилаз в зерне за счет биосинтеза и активации разного набора изоферментов. Набор изо-ферментов амилаз прорастающего зерна в нашем опыте изменялся в зависимости от условий азотного питания, при которых сформировалось зерно.

ЭлектрофоретическиЙ анализ показал, что повышение уровня амилазной активности в прорастающем зерне осуществляется, с одной стороны, за счет перехода ферментов из зимоген-ного состояния в активное, а с другой стороны, происходит биосинтез новых изоферментов. Непдентнчность амнлазных спектров образцов прорастающего зерна, полученных на разных уровнях азотного питания растений, свидетельствует о том, что под влиянием условий азотного питания формируется разнокачественное зерно, которое заметно различается по скорости прорастания.

Выводы

1. В полевых и вегетационных опытах с пшеницей и пше-нично-нырейнымн гибридами разного геномного состава, проведенных в 1980—1982 гг. на дерново-подзолистой почве, установлено, что урожай и качество зерна различных генотипов в значительной степени определяется условиями азотного питания. При внесении достаточно высокой нормы азота урожайность пшеницы и пшенично-пырейных гибридов может повышаться в 1,5—3 раза, содержание в зерне белков— на 1,6— 4%, а в условиях, наиболее благоприятных для накопления белков,— на 5—8%. Применение поздней некорневой азотной подкормки повышает белковость зерна в среднем на 1—3%.

2. Погодные условия оказывают заметное влияние на эффективность использования азотных удобрений пшеницей и пшенично-пырейными гибридами. В контрастных погодных условиях потенциальные способности генотипов к биосинтезу в

зерне белков реализуются неодинаково; в относительно засушливом году различия между генотипами но содержанию в зерне.белков были максимальными, а и условиях »лажной и прохладной погоды—минимальными. Результаты опытов также показали, что биохимические особенности генотипов по накоплению белков проявляются на ранних этапах созревания зерна.

3. Гибрид амфиплондного типа отличается высокой реакцией на внесение азотных удобрений и повышенной способностью к накоплению н зерне белков при дефиците азота. На фоне достаточной обеспеченности растений азотом амфнплоид имел преимущество перед пшеницей и гибридом пшеничного типа лишь в условиях, благоприятных для накопления белков. Вероятно, эта особенность характерна для всех высокобелковых пшенично-пырейных гибридов:

•1. Под влиянием азотных удобрений в зерне пшенично-пырейных гибридов разного геномного состава происходят такие же изменения фракционного состава белков, как и'у обычной пшеницы. При улучшении азотного питания в зерновках, как правило, уменьшается относительное содержание альбуминов, глобулинов и неэкстрагируемых белков, но увеличивается доля глиадннов и глютенннов.

5. В опытах с использованием мочевины, меченной 15М, установлено, что в фазах формирования и молочной спелости зерна азот поздней некорневой подкормки наиболее интенсивно включается во фракцию альбуминов н легкорастворнмых глобулинов, в дальнейшем усиливается синтез глнаднновых и глютениновых белков.

Разделение спнрторастворимых белков на сефадексе в-100 показало, что на ранних этапах созревания в зерне пшенично-пырейных гибридов интенсивно синтезируется фракция спнрторастворимых глютенннов, а затем усиливается синтез глнаднновых белков. В зерновках амфнплонда н фазе молочной спелости более интенсивно синтезируются компоненты <ц- и у глиадннов, а у гибрида пшеничного типа — и «-глиадннов,-

6. Изучение амилаз в созревающем зерне пшеницы и ише-нично-пирейных гибридов показывает, что наиболее заметные изменения активности этих ферментов в зависимости от условий азотного питания отмечены в фазу формирования зерна. При улучшении азотного питания растений активность »-амилаз в формирующихся зерновках в большинстве случаев понижается, а р-амилазная активность несколько повышается. Понижение «-амнлазной активности в процессе созревания зерна обусловлено изменением как количественного, так и качественного состава нзоферментов.

7. При внесении высокой нормы азотных удобрений в формирующихся зерновках пшеницы н ншеничпо-пыренных гнбрн-

дов складывается такое соотношение запасных веществ и ферментных белковг при котором отмечается некоторое замедление нарастания'о-амилазной активности в прорастающем зерне. На динамику изменения р-амилазной активности в процессе прорастания зерна заметное влияние оказали наследственные особенности генотипов.

8. Электрофоретическнй анализ показал, что повышение уровня амилазной активности в прорастающем зерне происходит, с одной стороны, за счет, перехода ферментов из зимоген-ного в активное состояние,,а с другой стороны, отмечается биосинтез новых нзоферментов. Неидентичность амилазных спектров образцов прорастающего зерна, полученного на разных уровнях азотного питания, свидетельствует о том, что в зависимости от обеспеченности растений азотом формируется разнокачественное зерно, которое различается по скорости прорастания.

9. При внесении повышенной нормы азотного удобрения наблюдается увеличение «-амилазной активности зрелого зерна, связанное с а-амилазами созревания, которые не полностью переходят в зимогенную форму. Повышение активности а- и р-амилаз при переувлажнении зерна происходит в результате действия ферментов, которые идентифицированы как в созревающем, так и прорастающем зерне.

10. Электрофоретическое исследование амилолитических ферментов, содержащихся в отдельных зерновках пшеницы и пшенично-пырейных гибридов, позволило выяснить, что при изучении генетического полиморфизма амилаз, а также сортовой идентификации семян по электрофоретическому спектру нзоферментов следует учитывать физиологическую разнокаче-ственность зерна, связанную с неравномерностью его созревания и прорастания.

Список опубликованных работ по теме диссертации:.

1. Заславская Н. В. Состав белков и активность амилаз в зерне пшенично-пырейных гибридов при различных условиях азотного питания..«Вопросы химизации в повышении плодородия почв»,'ЦИИАО, Москва, 1983, с. 50,

2. Заславская Н. В^, Плешков Б: П., Новиков Н: Н„ Зазнмко В. В. Состав белков и активность амилолитических ферментов в зерне пшенично-пырейных гибридов при различных условиях азотного питания. «Известия ТСХЛ», 1983, вып. 3, с. 77—81.

Л 74024 26/11—83 г. Объем I п. л. Заказ 402. Тираж 100

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

бесплатно