Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВЛИЯНИЕ КОБАЛЬТА НА УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ

ВАК РФ 06.01.04, Агрохимия

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ КОБАЛЬТА НА УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

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

~~ На правах рукописи

ч Эрна Николаевна САДОВСКАЯ

ВЛИЯНИЕ КОБАЛЬТА НА УГЛЕВОДНЫЙ ОБМЕН БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ

<Специальность 06.01.04 — агрохимия)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА — 1078

Работа выполнена на кафедре агрономической и биологической химии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А, Тимирязева.

Научный руководитель— доктор сельскохозяйственных наук профессор А. В. Петербургский.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Г. Я- Жизневская, доктор биологических наук профессор В. К- Шильникова.

Ведущее предприятие — Всесоюзный научно-исследовательский институт удобрений и а гропоч во ведения имени Д. Н. Прянишникова.

Зчщита диссертации состоится « С"» чЛй^^^1^?^?^

1г. в часов на заседании Специализированного со-

вета Д-120.35.02 (06.01.04 — агрохимия, 06.01.03 — почвоведе»;'.с) при Московской сельскохозяйственной академии им. К. . *, Тимирязева.

^дрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет ТСХА.

О'диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

А) тореферат разослан «

» /1М78 г.

1 . .\ (еный секретарь .1

Сг* изированного совета / -

-биологических наукДорожк^кл.-

Актуальность проблемы. Несмотря на непрерывный pocf производства удобрений, баланс азота, в земледелии продолжает оставаться отрицательным. (Петербургский, 1973), Это является главной причиной недостаточного производства белка, ежегодный дефицит которого составляет только в нашей стране около 10 млн. т. (Лобанов, 1968), Значительным резервом в решении данной проблемы служат бобовые растения, способные накапливать большое количество белковых веществ в вегетативной массе и семенах за счет азота атмосферы. Симбиотическая азотфиксация бобовыми представляет собой также экономичный способ поддержания уровня азота в почве и, наряду с азотом органических и минеральных удобрений, является одним из основных средств повышения урожайности других культур. Между тем продуктивность и удельный вес бобовых в общей структуре посевных площадей не соответствуют требованиям народного хозяйства. Важное значение в повышении эффективности симбиоза бобовых имеют факторы, положительно влияющие на углеводный обмен растений, так как образование и активность клубеньков прямо зависят от снабжения корневой системы углеводами (Квасников и др., 1955; Мишустин, Шилышкова, 1968; Федоров, 1952; Allison, 1935; Steward, 1966; Wilson, 1940).

В литературе неоднократно отмечалось влияние кобальта на усиление синтеза и поступления Сахаров в корень сахарной свеклы (Анисимов, Носова, 1970; Давыдова, Попова, 1964; Данилова, Демкина, 1968; Деева, 1963; Монахова, 1976; Сумина, 1960). Значительное увеличение общего содержания углеводов и растворимых Сахаров под действием этого элемента наблюдалось также у картофеля (Тынянова, 19" ; 1972), кормовой капусты (Петров, 1969), хлопчатника {Алиева, 1969), виноградной лозы (Мехти-Заде Лятифов, 1963), Однако для бобовых культур такие сведения единичны и противоречивы (Капитонов, Добрынина, 1967; Тищенко, 1970; Филиппова и др., 1964),

Целью настоящих исследований являлось изучение влияния кобальта на углеводный обмен бобовых растений и определение взаимосвязи изменения обмена углеводов, усвоения азота, формирования клубенькоЯТГурПЖаигТГ^ »ТТЛ™"* V

! Д •"; !

Научная новизна работы. Впервые с использованием метода-меченых атомов получены данные о влиянии кобальта на передвижение ассимилятов в бобовых растениях, а также на активность и характер использования Сахаров в процессе сим-биотической = ассимиляции азота. Показана взаимосвязь изменений-углеводного обмена, процесса формирования клубеньков; динамики усвоения и ннтенсивностипоглощения азота как атмосферного, так и удобрений.

Практическая ценность м реализация результатов исследований. Полученный в работе экспериментальный материал имеет значение для дальнейшей разработки теоретических основ питания растении кобальтом и применения его в сельскохозяйственном. производстве. Результаты исследований были представлены, на VII Всесоюзном совещании по микроэлементам и в основном освещены в опубликованных работах.

Объем работы. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, включает 36 таблиц и 11 рисунков. Вспомогательный материал дмссертаци(г представлен в 8 приложениях. Список использованной литературы., составляет 383 наименования, в том числе 113 иностранных.

Условия и методика исследований. Экспериментальная работа выполнена на кафедре агрономической и биологической химии Московской ордена Леннна и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева в период 1969—1972 гг.

Объектами исследований служили горох («Немчиновский 766») и фасоль («Сакса»), инокулнрованные активными расами клубеньковых бактерий {Rhizobium 245а п 682а).

Растения выращивали в вегетационном домике в песчаной культуре с использованием полиэтиленовых или стеклянных сосудов емкостью 3—6 кг. Дренаж и. внутреннюю сторону стеклянных сосудов перед закладкой опытов покрывали парафином. Песок тщательно очищали обработкой 20%-ной) HCl при 5—7-дневном настаивании с последующей отмывкой водопроводной водой до отсутствия реакции на С!-ион, затем трижды дистиллятом.

Источником питания для гороха служила видоизмененная смесь Гельригеля следующего состава (мг/кг): CaNOs—82; KCl —37,5; КНгРО+ —68; KaIIP04 —87; MgSO«-7Н20 — 123; CaSCU-2HüO — 431; Fe —4; В —0,36; Mn —0,28; Zn — 0,033; Cu — 0,032; Mo — 0,036. Железо вносили в форме хелата, который готовили из Fe2н этилендиаминтетраацетата натрия. Кобальт вносили путем предпосевного намачивания семян в течение четырех часов в 0; 0,005; 0,01; 0,05 и 0,1- процентных растворах C0SO4 - 7HsO при соотношении раствор : семена — 2:1.

Для фасоли концентрацию макрокомпонентов смеси увеличивали до 1,5 нормы. Кобальт вносили в субстрат в дозах: 0; 0,09; 0,45; 0,9; 1,8; 3,6 мг Со на кг песка,

Повторность опытов 15—20-кратная. Рост растений, развитие клубеньков и урожай зерна оценивали по 4—5 сосудам каждого варианта. Статистическую обработку результатов этих наблюдений проводили методом дисперсионного анализа. Содержание в растениях Сахаров определяли фенольным методом (Dubois et ah, 1956); общего и растворимого (в 7% ТХУ) азота — р. свежем материале по Кьельдалю— Иодль-бауэру (Петербургский, 1968JJ передвижение ассимнлятов — методом радиоактивных индикаторов с использованием "С, который вводился при фотосинтезе в атмосфере NCOz; для разделения меченых продуктов ассимиляционного тока применяли ионообменные смолы Дауэкс-3 и Дауэкс-50 (Филиппова, Глаголева, 1962).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

Влияние кобальта на рост, развитие растений н формирование

клубеньков

Значение кобальта в питании бобовых культур, как уже отмечалось, изучено недостаточно. В одних исследованиях выявлено влияние микроэлемента на их рост и продуктивность только при усвоении атмосферного азота, в связи с чем высказывается мнение о необходимости его лишь микросимбио-ниту — клубеньковым бактериям (Ahmed. Evans, I960, 1962; Delwjche et al., 1961; Wilson, Reisenauer, 1963; Powrie, 1964). В других работах показана положительная реакция растений на применение кобальта не только при симбиотрофном, а и автотрофном питании азотом (Данилова, Демкина, 1972; Ягодин, 1970; HaUsworth et al., 1965; Wilson, Nicholas, 1967). Разноречивы также сведения о действии кобальта на форми* рование клубеньков и характере связи его с процессом азот-фиксацин (Данилова н др., I960; Сазонова, 1969; Тищенко, 1974; Филиппова и др., 1964; Delwiche et al„ 1961; Vanek, Knop, 1972; Wilson, Reisenauer, 1963).

Результаты наших исследований с горохом и фасолью, выращенных в контролируемых условиях, согласно показали наличие взаимосвязи между ростом растений и формированием клубеньков, с одной стороны, и уровнем кобальта в питательной среде — с другой. При этом эффективность симбиоза определялась обеспеченностью растений микроэлементом уже в начальный период онтогенеза. Оптимальными дозами являлись в опытах с фасолью 0,09— 0,90 мг элемента на кг

субстрата; в опытах с горохом, где он применялся для обработки семян, — 0,05% CoSOi • 7Н20.

При недостаточном снабжении растений кобальтом образовались мелкие, бледные, малоэффективные клубеньки, значительно сокращалась их численность (у фасоли), и обшая масса составляла лишь 50—65% от этого показателя у обеспеченных микроэлементом растений.

Функциональная активность клубеньков неодинакова в различные периоды их развития. Интенсивность азотфиксацин находится в линейной зависимости от скорости прироста клубеньковой ткани, причем в онтогенезе клубеньков максимум содержания сухого вещества совпадает с максимумом их активности (Dobereiner, 1966; Hardy et al„ 1968).

Изменение степени и характера различий между вариантами по скорости прироста клубеньковой ткани показало, что отсутствие кобальта в питательной среде не только подавляет рост, но и задерживает развитие клубеньков {табл. 1).

Таблица!

Влияние кобальта на развитие клубеньков < (прирост айс, сухого вещества, мг на 10 растений)

Варианты Периоды роста рзстений. сутки после всходов

фасоль Горо<

сз _ и. S О m i- i J 1 to 1 1 о 1 1 л 1 о <п 1 ю f. es 1 г— Д со ю т о сч 1 1Л о \ г-- (N

1/6 1,0 + + 0 0 0 0 63 129 0 0 1011 165$ 0 0 02 47 0 364 0 0 я 136 229 45 36

Действие кобальта на рост растений отразилось в активности прорастания всходов, а затем в изменении их веса, накопления сухих веществ и длины побегов.

Потребность растений в кобальте возрастала в течение ве-| гетации, поэтому положительный эффект пониженных кон-I центраиий и ингибирующий повышенных со временем умень-\ шалея.

Наиболее резкое проявление дефицита кобальта отмечено у гороха в фазу ветвления—бутонизации, между 15-м и 27-м днями после всходов, а у фасоли между 23-м и 37-м днями, в период бутонизации — образования плодов, У обеих культур это совпадает с максимумом интенсивности нарастания клубеньковой ткани (табл.1).

Ослабление роста кобальтдефицитных растений сопровождается задержкой вегетативного и генеративного развн-

\

тия, отрицательным изменением соотношения органов, значительным снижением урожая л ухудшением его структуры. Например, у гороха к 37-дневному возрасту при отсутствии кобальта сухой вес побегов и плодов снизился на 22, 17%, а корней увеличился, на 10% против соответствующих показателей в варианте с микроэлементом. Прирост листьев в периоды 0—27—37 дней составил в первом случае 166 и 47 мг, во втором — 230 и 30 мг. В конечном урожае количество зерна уменьшалось сильнее, чем соломы, изменяясь в 1,4 н 1,3 раза. ' -

Количественное и качественное изменение процесса роста у фасоли, выращенной на питательной среде, лишенной кобальта, понизило урожай обшей биомассы в период технической спелости на 30—40%, плодов — на 50—70%, вегетативных органов — на 20—30%, а корней лишь на 10—20%. Снижение репродуктивной части урожая связано, как показали исследования динамики цветения и образования плодов, помимо интенсивности роста, также с увеличением времени развития генеративных органов.

Известно, что наличие в питательной среде аммонийных и нитратных солей отрицательно влияет на развитие симбиоза (Гукова, 1934; Мишустин, Шильникова, 1968; Шильникова и др.. 1971).

Выращивание фасоли в различных условиях азотного питания позволило установить, что кобальт ослабляет пнгиби* руюшее действие азота на этот процесс. Увеличение нормы азота от 1/6 до 1,0 на фоне микроэлемента задерживало образование клубеньков, а при отсутствии его полностью подавляло (табл. 1).

Развитие здесь клубеньков, как и у культур, выращенных в условиях пониженного обеспечения азотом, прямо связано с ростом растений; хотя в отдельные периоды вегетации и в конечном итоге степень и характер изменений различались в зависимости от дозы азота. Повышение ее резко усиливало действие кобальта на прирост растительной массы между 15-м и 23-м диями после всходов, но ослабляло в начальный и последующий периоды, вегетации. Так, на фоне с 1/6 нормы азота в периоды 15—23—37 дней среднесуточная скорость синтеза сухих веществ повышалась в 1,1; 1,05; 2,3 раза, а при полной норме азотного питания она изменялась соответственна в 1,02; 1,4,-1,01 раза. Падение темпа синтеза биомассы сопровождалось уменьшением соотношения роста надземных органов и корней. В итоге через 37 дней после - всходов на фоне с высокой дозой азота вес листьев, плодов, корней и целых растеНий увеличился под влиянием кобальта в 1,1; 1,3; 1,6 н 1,3 раза против 1,6; 2,9; 1,2 и 1,7 раза при сокращенной норме азота. Такая зависимость эффективности микроэлемен-

fá от дозы азота'сохранялась до конца вегетации. Поэтому в(первом случае'разиииа между вариантамипо урожаю зерна ^составила лишь 1,1 раза, а во втором—< 1,5 раза. Таким образом, при повышенном содержании в питатсльной среде связанного азота кобальт хоть и способствует развитию клубеньков, но, образуясь в конце вегетации, они не оказывают значительного влиянии на повышение' продуктивности растений.

' ■ Влияние кобальта на углеводный обмен растений

Формирование урожая определяется согласованностью процесса ассимиляции углекислоты н использования ассими-лятов в процессах, связанных с усвоением элементов мине-УЪШлЯР Ьагашя растений. Как теперь известно, процессы м&чшШтанв азота не только атмосферного бобовыми, а и связанного всеми культурами' прямо зависят от обеспеченности растений углеводами. Вместе с тем образование углеводов контролируется азотным питанием растении путем влияния на формирование фотосинтетического аппарата и полноту использования ассимилятов. Проведенные нами исследования по изучению изменений в содержании Сахаров, интенсивности включения меченной МС углекислоты в ассимиляты, их передвижении и групповом составе показали, что дефицит кобальта сказывается отрицательно на углеводном обмене бобовых культур. Эта зависимость ярко выражена как до образования клубеньков, при автотрофном питании их азотом, так и в условиях симбиоза.

' ■ !._ Изменения,в содержаннн Сахаров.

При определении содержания Сахаров у 15-дневных гороха и фасоли найдено, что применение кобальта неизменно увеличивает . количество этих соединений в растениях не только при благоприятных условиях фотосинтеза во время утренних и послеполуденных часов, а и в полуденное, и в вечернее время (13,00—14.00, 18.30). Отсутствие 'его в питательной среде снизило их накопление в растениях гороха на 4,4—9,0 мг, фасоли — на 1,9—6,3 мг,* или соответственно на 20—43 и 11—34%. Наибольшее различие между вариантами наблюдалось у обеих культур во время максимальной интенсивности синтеза Сахаров — в 16 часов; наименьшее'—у гороха в полдень' (14.00), а у фасоли — культуры с преобладанием в дополуденном фотосинтезе органических кислот (Fabián—Galan, 1965) —в утреннее время.

Действие кобальта в различных органах проявлялось неодинаково. У фасоли во всех случаях концентрация сахароз 6

в корнях повышалась (в 1,-1—2,0. раза) значительно сильнее, чем в листьях (в 1,03—;1,3 раза), а в проводящих тканях черешков ».стебля снижалась (в 1,2—1,6 раза)'по,'сравнению с соответствующими органами растений, не получ'авших кобальта, -У. гороха в первой половине дня она увеличивалась в листьях (на. 33%) несколько больше, чем в корнях (на'27%). Но во второй.половине дня. когда отток ассимилятов из над* земной части возрастал, у этой культуры, так же как у фасоли, преобладало изменение уровня углеводов в корневой системе (для' листьев разница ■ между вариантами составляла 13—19%, а для корней — 31—53%). В стеблях на протяжении всего дня количество их увеличивалось в гораздо меньшей степени по сравнению с листьями н корнями.

Влиянне кобальта на увеличение содержания Сахаров ярко проявлялось не только в условиях низкой, а и высокой обеспеченности растений азотом. Однако, в отличие от гороха н фасоли, выращенных, при низком уровне азотного питания, у фасоли на фоне с полной нормой азота концентрация, Сахаров повышалась во всех случаях в листьях много 1жтенсивнее, чем в корнях, изменяясь соответственно в 1,5—1,8 и 1,1—1,3 раза. Общее же количество их в растениях повышалось в такой же мере, как на фоне.с 1/6 нормой азота—на 16—32%. Применение, микроэлемента . отражалось положительно . не только в начале вегетации, но и во время интенсивного роста вегетативных, и формирования генеративных органов, когда происходит усиленный синтез белков и других структурных'и функциональных компонентов протоплазмы, а также в период плодоношения, когда преобладает образование запасных веществ (табл. 2). В течение эксперимента накопление Сахаров увеличивалось на 20—34%, содержание их в тканях старых н молодых листьев — на 5—14 и 23—66%, в корнях и плодах — на 12—23 и 50% против соответствующих показателей в варианте без кобальта. При этом разница между листьями'и корнями сглаживалась по мере усиления вегетативного развития и наименьшее изменение в обоих органах отмечено через 23 дня после всходов, в фазу бутонизашш. Количество углеводов в тканях черешков повышалось слабее, чем в листьях и корнях, или снижалось, а в стеблях уменьшалось во все периоды определения. ' 1 •

Таким образом, между обеспеченностью растений кобальтом, снабжением корневой системы углеводами, развитием и ростом клубеньков четко выражена прямая зависимость. Усиленное образование Сахаров создавало благоприятные условия хтя жизнедеятельности обоих симбионтов и может служить одним из объяснений взаимосвязи изменений роста, развития растений и клубеньков.

* , ■ Таблица 2 Влияние кобальта на содержание Сахаров в растениях'фасоли на фоне с полной нормой азота (чг/г а Ос. сух. в-ва)

л Листья Черешки к 3 Всего в

5# [чстенин,

старые молодые - 1 <> о О. мг

ХА X <= (0 (2) о ¡2.

15 дней после всходов (вегетативный рост)

0,00 0,45

0.0П 0.(3

0,00 0.45

46.7 67,4

82.0 8С,1

70.2 116,8

Ь3,9 74,2

02.3 £6,4

23 дня после всходов (бутонизация)

Р6.4 118,0

81,6 79,2

94,9 96,5

00,2 81,9

51.8 6,1.8

18.7 51,1

37 дней после всходов (начало плодоношения)

99.0 116.0

10-2.6 133,2

66,7 60.4

90.3 79.1

55,3 49.1

215.5 323,3

81.8 97,5

17.8 21,8

9(4,3 131,4

351,1 430.8

Однако формирование клубеньков определялось не только уровнем Сахаров, а и их соотношением с низкомолекулярным, небелковым азотом.

Величина его зависела от возраста растений, дозы азота и наличия в питательной среде кобальта.

На фоне с 1/6 нормы азота в период образования клубеньков между 15-м и 23-м днями после всходов концентрация азота в тканях падала, а Сахаров — возрастала. Особенно интенсивно это происходило в корнях, где количество названных соединений соответственно изменялось в 1,2; 1,6 и 1,9 раза, а их соотношение повышалось более чем в 2 раза с 3,3; 4,0 до 7,5; 8,9. Более низкие значения баланса Сахаров и азота отмечены в варианте без кобальта. Влияние кобальта на уве дичение соотношения углеводов и азота проявлялось и в ли стьях, хотя в меньшей степени, чем в корнях.

На фоне с полной нормой азота такие условия складыпа лксь лишь в период плодоношения, через 37 дней после всхо дов, и только у растений, получавших кобальт, несмотря на то что концентрация Сахаров в корнях не только при наличии а и отсутствии микроэлемента уже достигала более высокого уровня, чем-в период образования клубеньков на фоне с 1/6 нормы азота (табл. 2, 3). В варианте с кобальтом от 23-го к 37-му дню после всходов содержание азота (низкомолекулярного) в корнях понижалось в 2,3 раза, достигнув уровня этого показателя у 23-дневных растений на фоне с 1/6 нормы азота. Концентрация Сахаров возрастала в 1,8 раза, а отношение 8

Таблица 3

Влияние кобальта на содержание Сахаров в растениях фасоли на фоне с 1/6 кормы азота (мг/г абс. сухого вещества)

Листья Черенки

«а.* О ® £ ё О ЗЕ в о Е.' С} * О ^ 5 I 2 Стебля 3 3 г; с с. о 5: . ас Л г МО а и = ¿. = О ~ « " = И & X

15 дней после всходов (вегетативный рост)

0.00 47,5 63.3 02,1 __ 89,1. 1 ._ 33,1 1 _ | 17.1

0.15 52.8 70,8 46,3 — 78,6 | — 51.6 | — | 20.6

23 дня после всходов (бутонизация)

0,00 0.15

83,5 9.1.3

72,9 88,1

69.0 71,0

74.5

70.6

92.8 86,1

си

77,5

97.1

93.2

71.1

Ъ2,2

37 дней после всходов (начало плодоношения)

0.00 ЬО.О 70.5 59,1 61,0 68.0 210,9 90.» 1 112,1

0,(5 112,7. 100,9 64,2 75,2 60,5 СУ 7,2 70,6 !Ю,7 181,0

их к азоту в 4 раза—с 2,7 до 11,4, В корневой же системе растений, не получавших микроэлемента, уровень азота оставался прежним (и становился в 1,5 раза более высоким, чем в варианте с кобальтом), а содержание Сахаров и их отношение к азоту повышались только в 1,6 и 1,9 (с 3,3 до 6,2) раза. Из этих данных вытекает, что влияние кобальта на изменение роста растений и формирование клубеньков отражается не только на интенсивности, а и направленности углеводного обмена. Действительно, исследование динамики фотосинтеза показало, что с возрастом культуры положительное действие его на скорость и общий объем ассимиляции углекислоты (мСОг) уменьшалось. Поэтому усиленное в его присутствии возрастание Сахаров (табл. 2) могло быть обуслод-. лено лишь относительно пониженной интенсивностью их использования.

На фоне с 1/6 нормы азота, где в это время растения уже развивались в условиях симбиоза, происходило резкое усиление действия кобальта на синтез Сахаров, в результате чего к 37-му дню вегетации относительная разница между вариантами по концентрации о листьях к содержанию их в растениях в целом увеличивалась против 15-го и 23-го дней соответственно в 2,0—5,0; 3,0 раза и составила 41—13, 60%' (табл. 3). Однако это не отразилось на корневой системе, а также проводящих тканях черешков и стеблей. В корнях влияние микроэлементов сказалось наиболее интенсивно в начале вегетации, а после 23-го дня оно заметно не изменялось и,

II бтлцчие от предыдущих периодов, проявлялось слабее,'чем в 'листьях.' Клубеньки различались' слабо, но с устойчивой с начала их: развития тенденцией ' к уменьшению концентрации' Сахаров в присутствии кобальта! В- черешках количество их в течение всего эксперимента снижалось, не изменялось нли слабо (по сравнению с другими органами) увеличивалось, а в стеблях всегда'понижалось по сравнению - с1 соответствующими; показателями у растений, выращенных на питательной смеси1 без кобальта, В плодах относительное содержание Сахаров от применения микроэлемента увеличивалось в 1,1 раза. Аналогичный характер действия кобальта в период питания этой культуры снмбпотическим азотом установлен и в опытах, где сахара определялись в более позднем возрасте — через 45, 52.дня после всходов, в фазу формирования и созрева* нин семян. По-видимому, нарастание во времени дефицита кобальта связано с усилением отрицательного влияния его на условия 'использования Сахаров растениями, а это, в свою очередь, приводит е углублению снижения их синтеза. Подобная вероятность еще определеннее выражена у гороха, отличавшегося от фасоли более ускоренным развитием и быстрым понижением'дефицита микроэлемента. Здесь обострение недостаточности кобальта сопровождалось усилением ■ накопления и возрастания относительного содержания Сахаров (табл. 4),

' . * , , Таблица 4

Влияние кобальта на содержание Сахаров в растениях гороха ' (Числитель — бе» кобальта, знаменатель — 0,05% СоБОгТНА мг/г эСс. сухого вещества)

Суток после РС ходов Листья' - • ' |* Части '' стебля ... . . •

' --» ы основа ниг 1 '2 Плоди Корни £ и. чз ГО 1. о е щ С к о ^

15 83.7 Г.Г..7 й3.9 1 ■ 34,5 18.9

103.1! »0.0 У6,1! •40.0 24.8

27 157.0 203,4 128.2 Н0.2 207.1 58:8 5 4.5 63,5

И'У.Э 15.1,6 6Ц.5 г<о,з 143, 7 З'ли 43.3 62,6 •

37 ' £3.5 |ео.з 61.0 137.6 176/) 197.4 54.0 57.9 . »7.7

173,0 »6,1! - 163.2 1М>,6 -•зал 30.1 ЬУ,7 : 126,6

.: ... • ■ . . . • , Поэтому на 27-й день г,осле всходов,,в фазу бутонизации, не, обеспеченные ■ микроэлементом растения не отличались ог обеспеченных по общему.содержанию Сахаров и имели значительно (более высокую .концентрацию их во всех органах, а ■

особенно в средней и подсем я дольной частях стебля (в 1,6; 1,9 раза) и корнях (в 1,5 раза). Через З7.дней-после всходов (формирование плодов), когда различия между вариантами по темпам прироста биомассы сокращались, как и в начале вегетации, более низким накоплением (в 1,4 раза) и относи* тельным содержанием Сахаров, особенно в листьях, отличались растения, выращенные без применения кобальта (в листьях, стеблях и плодах в 2,2—1,3; 1,4—1,2—1,1 и 1,2 раза, в корнях и клубеньках—в 1,05 и 1,5 раза). Однако такое изменение связано было не только с условиями использования, а и син? теза этих соединений. От 27-го к 37-му дню действие кобальта на поглощение углекислоты усилилось вдвое, с 1,2 до 1,4 раза.

Значительное ослабление синтеза пластических веществ в этот период вегетации, наряду с задержкой вегетативного развития, хорошо объясняет преимущественное снижение репродуктивной части урожая по сравнению с вегетативной.

Выше отмечалось, что отрицательное влияние избыточных концентраций кобальта на. рост растений с возрастом уменьшается."Это отразилось и на углеводном обмене. Доза микроэлемента 3,6 мг/кг песка,. резко тормозившая рост фасоли в начале вегетации, через 52 дня после всходов снижала накопление Сахаров лишь в 1,1 раза и только за счет развития листьев раннего заложения. Активность же и продуктивность молодых листьев были в 1,3 и 2,1 раза выше, чем в варианте без микроэлемента.

2. Передвижение меченных 14С ассимилятов в растениях

\

Изучение влияния условий питания на передвижение асси-1 милятов является важным вопросом общей проблемы тран- : спорта органических вешеств в растениях и имеет научное и ; практическое значение. В конкретных условиях пути пост-I фотосинтетического использования ассимилятов в пределах 1 растительного организма могут иметь большее значение для 1 продуктивности культур, чем интенсивность фотосинтеза^ (Ничнпорович, 1963).

Неодинаковое влияние кобальта на содержание сахароз в различных органах растений указывало на вероятность его связи с передвижением ассимилятов. Однако это предположение не нашло подтверждения. Исследования по этому вопросу единичны и противоречивы (Лбуталыбов, Алиев, 1964, Носкова, Лнисимов, 1970, Филиппова и др., 1964).

Применение метода радиоактивных индикаторов позволило нам установить, что недостаточное питание бобовых растений,кобальтом сказывается отрицательно на передвижении

у них ассимилятов. Эта зависимость ярко выражалась как при усвоении минерального азота в досимбиотический период питания, так и в условиях симбиоза. Например, у гороха (табл. 5) в 15-дневном возрасте радиоактивность листьев растений, не получавших кобальта и обеспеченных им, почти выравнивалась за 2 часа после введения метки, понижаясь > первых лишь в Г,1 раза, а у вторых— в 1,3 раза. Поступление же ^С-ассимнлятов в стебель и корневую систему изменялось в обратной связи; увеличиваясь под влиянием микроэлемента по содержанию в грамме сухой массы на 6—25 и 75%-. Общее поступление "С,, выраженное в процентах от радиоактивности всего растения и отражающее направленность или относительную скорость передвижения энер-го-пластического материала, повышалось для растущей части побега (стебель II) и корня в 1,3 и 1,2 раза.

Т а а л и ц а 5

Радиоактивность органов гороха а зависимости от питания кобальтом

(числитель — тыс. расп, с/ек-'г-1 аСс. сух. п-ва, знаменатель—% от содержания иС в целоч растении)

Листья Части стебля Клубеньки

СО Й 2 о О и и с а.. С • 1|5<* ЗаЗя и Сь Р* и —* молодые 11 основание 1 11 Корин

0.00 06В. 1 Юй.О 453,8 10,0

1С» 75,0 2 - 17,7 5,1 —

0.05 1078 .в 111.0 5Г6.9 17,5

69,7 кг> 22,5 6.3

0.00 $82.3 ИЭ2.1 135.8 3.11.0 505,7 51.6 115.0

27 1У.2 51,0 1,0 10,1 16,3 1.8 0,6

0,05 739.7 1102.3 101.7 .321.2 452.0 54.3 196.5

20,2 52,2 0.5 8.2 15,7 2,0 1.2

Результаты исследований с 27-дневными растениями отражают изменение передвижения ассимилятов в условиях симбиоза. Очевидно, что отмеченное в это время увеличение уровня Сахаров в тканях листьев, стебля и корней при отсутствии кобальта обусловлено нарушением • их передвижения. Наиболее интенсивно в этот период подавлялся отток в клубеньки, где общая и относительная скорости поступления "С-углеводов уменьшались в 1,7 и 2,0 раза. На основании изменения отношений радиоактивности снабжающих и потребляющих тканей участки транспорта по степени снижения скорости передвижения ассимилятов можно расположить в. сле-12 .

дующий ряд: листья—стебель, стебель — корневая система, корень — клубеньки.

Действие кобальта в течение вегетации различалось в зависимости от условий азотного питания. У 15-дневной фасоли он стимулировал передвижение асснмилятов в надземных органах н отток их в корневую систему как на фоне с 1/6, так и полной нормой азота, а через 37 дней после всходов только в первом варианте. Так, в начале вегетации скорость оттока меченых продуктов фотосинтеза из листьев-донороз повышалась соответственно в 1,4 и 1,5 раза, поступление их в потребляющий лист (первый тройчатый на стадии развертки) — в 1,2 и 1,2 раза, в корни — в 2 и 1,9- раза (по изменению радиоактивности на единицу веса абсолютно сухого вещества). Через 37 дней после всходов на фоне с полной нормой азота наблюдалось лишь некоторое увеличение относительной радиоактивности корней (с 2.2 до 2,9%). Общая же скорость передвижения, характеризуемая радиоактивностью единицы веса абсолютно сухого вещества, была по всей цени транспорта заметно ниже, чем у растений, не получавших микроэлемента. Это связано, как показано выше, с усиленным накоплением в тканях сахарок, вызванным снижением поступления в растения азота. На фоне с 1/6 нормы азота, где растения уже усваивали азот из воздуха, кобальт способствовал оттоку асснмилятов из листьев и проводящей системы (черешков, стебля) и поступлению их в плоды, корни и особенно клубеньки.

Длительное выключение фотосинтеза (на 72 часа) перед экспериментом, приводившее к нарушению структуры и функциональной активности клубеньков (Генерозова, Ягодин, 1969; Наг(1у е1 а!., 1968; 1?оропеп, 1970; Ук1апеп е1 а1.. 1946, 1955) резко подавляло передвижение асснмилятов в корни (в 4, 7 раз) и клубеньки (в 17, 32 раза) и полностью снимало положительное влияние на него кобальта (табл. 6).

Таблица 6

Передвижение ИС асснмилятов у фасоли в зависимости от условий освещения (числитель — без затемнения, знаменатель — с затемнением)

Варианты Листья Череп; к н Стебли Плоди Корни Клубеньки

Тыс. раслр? в сек-на растение

Ьс) ьобзльта С кобальтом

Л 9), 8 20.1.2 50.3 409,1 28.7 38.fi

288.2 28,4 547,6 7.2 3,0

336,6 ' 161.0 52,4 Г.20В , 34.9 73.0

720,1 207.« 19,1 607,8 5.3 2.3

• На передвижении ■ ассимилятов в плоды условия освещения существенно не отразились. 1 *

'На основании результатов проведенных исследований и нсходя из современных представленнй'о регулирующих механизмах ' передвижения органических -веществ в растениях (Днисймов, 1972; Курсанов, 1972), влияние кобальта на отток, а сси мил ятов из листьев можно объяснить ускорением их развития и интенсивностью' фотосинтеза, а на дальнейшее передвижение— метаболической активностью конечных пунк-у тов транспорта. * '

3. Взаимосвязь обмена углеводов с ассимиляцией азота

Высокая активность синтеза и, передвижения Сахаров у обеспеченных микроэлементом растений независимо от культуры и дозы ззота согласуется с усиленным поглощением и ускоренным потреблением . минерального азота питательной среды. Например, у фасоли (табл. 7) на фоне с полной нормой азота в течение 23-х дней после всходов содержание небелкового азота в тканях корня повышалось в 1,3—1,4 рзза, количество накопленного в растениях общего азота изменялось почти в 1,4 раза и составляло 53%-от суммы внесенного и содержания его п семенах против 39% в варианте без кобальта.

Таблица 7

Влияние кобальта на усвоение азота растениями фасоли (числитель — бел кобальта, знаменатель — с кобальтом; I—N небелковый, мг/г абе. сух. корней, 2 — N обшиД, яг па растение. 3 — % усвоения от внесенного л содержания сечян) ,

Дни после всходов

3 15 2.1 37

а <*» К .2 Й 1 2 3 1 2 3 1 . 2 3

1.0 13.Я 14.0 13,1 430 33,7 13,2 103,7 93,4

1У.У 14.7 13.2 19.7 58,7 53.0 8,5 1СУ.6 98.0

" 1/6 10.0 9.9 47Л Я.1 19,0 90,5 8.4 33.6 160,0

13 д 13.4 63,» 8,8 1!!,0 114,2 10,3 (»2,6 2У1.8

В дальнейшем увеличение этих показателей, как и названных процессов углеводного обмена и накопления растительной массы, лимитировалось уровнем "азота в питательной среде. •

Динамика содержания азота на низком фоне азотного питания отражала различия между вариантами в развитии клубеньков. Отсутствие в питательной среде кобальта не только 14.

снижало интенсивность фиксации, азота атмосферы, что iiiii-роко отмечается в литературе (Данилова и др., 1968; Тищен-ко, 1974;.Ягодин и др., 1971; Ahmed, Evans, 1959—1962 н.др^). но и задерживало ее начало, в, результате чего за 15* 23 и 37 дней вегетации фасоли в варианте без кобальта, было усвоена 47, 90 н 160%- азота по отношению к количеству его в питательной среде, а при наличии микроэлемента соответственно 64, 114* 249%- (табл. 7), У гороха усвоение азота на 15, 27 и 37 дней вегетации под влиянием, кобальта повышалось. с 83, НО, 167 до 98, 132, 250%. Такое изменение азотного питания этих растений также хорошо объясняет динамику роста, содержания и передвижения у них Сахаров.

Однако хроматографическое исследование группового состава меченных 14С-ассимилятов показало, что изменение продуктивности н углеводного обмена растении-симбиотрофов связано не только с процессом первичной ассимиляции азота. Установлена прямая зависимость между интенсивностью окисления Сахаров и синтезом аминокислот в корнях и клубеньках. Отсутствие кобальта значительно ослабляло трансформацию 1(С-сахаров в иС-органическне кислоты и нС-аминокислоты, Особенно резко это проявлялось в клубеньках, причем количество аминокислот в них снижалось гораздо активнее, чем органических кислот. Например (табл. 8), у 29-дневного го-

Таблица 8

Распределение*,(С по группам веществ ассимиляционного тока гороха

(% от суммарной радиоактивности; числитель — Сеj кобальта, знаменатель — с кобальтом)

Группы веществ

Листья Части

о — стебля

з. & гз ^ с- й 1 d з к ж основание I II х . SS ь о ^ я >.2 гг а ' у О к> .

90.5 93.G 92.8 01.! 90.5 Я 7.5 48Л

У 1,3 »3.6 87.8 «2.6 74,5 36,3

5.4 3.1 3.6 4,7 4,6 6.1 12.1

4,0 9,7 5.6 ■ 7а 12.8 У,5

4.1 3.0 3.6 4.2 4.9 6.4 39.6

4,7 6.7 •JM 12.7 53,6

Сахара .......

Органические кислот и . Лмииокислоты ....

роха без кобальта в корнях процент радиоактивности обеих групп ионных соединений уменьшался в 2 раза, а Сахаров — увеличивался в 1,2 раза против соответствующих показателей в варианте с применением микроэлемента. В клубеньках повышалась в 1,3 раза доля не только Сахаров, но и органиче-

ских кислот, а процент радиоактивности й аминокислотах понижался в 1,4 раза. У фасоли (37-дневная) процентное соотношение меченых Сахаров, органических кислот и аминокислот составило в корнях и клубеньках варианта без кобальта 91:5:4 к 79 : 4 : 17, а с микроэлементом — 88 : 6 : 6 и 56:6:38. Преимущественное изменение в клубеньках амино-ксилот по сравнению с органическими кислотами характеризует положительное влияние кобальта на эффективность использования Сахаров в этих органах.

Различия между вариантами по распределению НС в листьях и стеблях у обеих культур определялись преимуществ венно оттоком Сахаров и свидетельствовали, что состав ассимиляционного тока под действием кобальта существенно не изменялся и состоял более чем на 80—90% из Сахаров..

Выводы

1. В песчаной культуре гороха и фасоли (при инокуляции активными расами клубеньковых бактерий) дефицит кобальта .отрицательно влиял на углеводный обмен растений.

2. Недостаток кобальта в питательной среде значительно ослаблял синтез Сахаров уже в начальный период вегетации.

Применение микроэлемента стимулировало накопление этих соединений при различных условиях фотосинтеза и уровнях азотного питания растений.

3. Дефицит кобальта отрицательно сказывался на транспорте углеводов, оставляя отток из листьев и передвижение -ассимилятов к-точкам роста побегов, в корневую систему и

клубеньки. '

4. Увеличение поступления Сахаров в корневую систему сопровождалось повышением, интенсивности поглощения и использования растениями азота питательной среды и создавало

•благоприятные условия для формирования клубеньков, . . .

5. Применение кобальта на низком фоне азотного питания .увеличивало (у обеих культур) объем и количество (у фасоли) клубеньков, ускоряло их развитие и способствовало не только усилению фиксации N2 бактериями, но и более раннему началу этого процесса. При повышенном обеспечении растений (фасоли) связанным азотом (1,5 нормы Гсльрнгеля) в присутствии кобальта образование клубеньков задерживалось до последней фазы вегетации, а без микроэлемента полностью ингибировалось.

6. Недостаток кобальта в питанни растений-симбиотро* фов ослаблял окислительный метаболизм Сахаров в корнях и особенно клубеньках. Установлена прямая зависимость между интенсивностью окисления Сахаров и синтезом аминокислот в этих органах. ...

7. Торможение развития процесса сим биотической ассимиляции азота у кобальтдефицитных растений (при низкой обеспеченности связанным азотом) приводило к резкому усилению снижения синтеза и накопления Сахаров в период плодоношения.

8. Изменения в углеводном обмене, вызванные кобальтом, отражаются на интенсивности накопления органичес^го ве-■щества, росте и развитии растений, урожае и его кулЁтКр^

9. Полученные экспериментальные данные расширяют современное представление о значении кобальта в питании бобовых культур и могут служить объяснением (синтез и передвижение Сахаров) положительного влияния этого микроэлемента на продуктивностй<ч>обовых растений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Действие кобальта на передвижение асснмилятов, меченных ''С, в корни и клубеньки гороха и фасоли. Доклады ТСХА, вып. 193, 1972 (с А. В. Петербургским).

2. Влияние кобальта на углеводный обмен у бобовых в связи с формированием симбиотической системы. «Биологическая роль и практическое применение микроэлементов», т. I, Рига, 1975 (с А. В. Петербургским).

3. Влияние кобальта на формирование клубеньков у гороха и фасоли. Доклады ТСХА, вып. 213, 1975 (с А. В. Петербургским).

Л 101208 25/1—78 г. Объем 11/4 п. л. Заказ 71. Тираж 100

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