Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы на этиологию энзимо-микозного истощения семян

ВАК РФ 06.01.07, Плодоводство, виноградарство

Автореферат диссертации по теме "Влияние природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы на этиологию энзимо-микозного истощения семян"

На правах_рукопИси

Шарапов Эбрар Махмутович

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ИНГИБИТОРОВ ПОКРОВОВ ЗЕРНА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ НА ЭТИОЛОГИЮ ЭНЗИМО-МИКОЗНОГО ИСТОЩЕНИЯ СЕМЯН

Специальность 06.01.защита растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

005012535

12 шр тг

Йошкар-Ола - 2012

005012535

Работа выполнена на кафедре защиты растений Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Марийский государственный университет»

Научный Доктор сельскохозяйственных наук, профессор

руководитель: Марьин Геннадий Семенович

Официальные Доктор сельскохозяйственных наук, профессор оппоненты: Таланов Иван Павлович

кандидат сельскохозяйственных наук Габдуллин Внльдан Равилевич

Ведущая ГНУ «Марийский научно-исследовательский институт

организация: сельского хозяйства Россельхозакадемии»

Защита состоится « Q »апреля 2012 г. на заседании диссертационного совета ДМ 212.116.02 в ФГБОУ ВПО «Марийский государственный университет» по адресу: 424002 г. Йошкар-Ола, ул. Красноармейская, 71, ауд. 320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Марийского государственного университета.

Факс: 8(8362) 424017, e-mail: atf@marsu.ru

Автореферат разослан февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

— Н. Ф. Маслова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время энзимо-микозное истощение семян (ЭМИС) трактуется как стрессоустойчивость зерновых культур к абиотическим факторам, в частности, к сочетанию температурного режима и влажности. Развитие заболевания ЭМИС сопровождается сильной оводненностью поверхности зерна, которая вызывает набухание белка и крахмала, что нарушает ультраструктурную организацию клеточных органелл и приводит к «биологическому травмированию» покровов зерна и потере продуктов гидролиза через эти участки. Последние становятся «открытыми воротами» для внедрения патогенных микроорганизмов (Темирбекова, 2000). При дождливой погоде заболевание сопровождается прорастанием зерна в колосе (Дунин, 1978). Установлено (Bilbao, 1966), что в зерне содержатся вещества, которые способны снижать активность амилаз. Различают две амилазы в зерне: «а-амилазу созревания» и «а-амилазу прорастания». Регулирование активности «а-амилазы созревания» во время покоя зерна контролируется белковым ингибитором, который образует с этим ферментом комплекс (Василевская, 1997). Признано, что фактор пассивного иммунитета в растениях представлен различными химическими соединениями небелковой природы, которые называют природными ингибиторами. Механизм реактивации этого комплекса неизвестен, но предполагается, что в условиях высокой влажности воздуха происходит разрыв ингиби-торного комплекса. У различных растений природные ингибиторы отличаются друг от друга, способны приостанавливать прорастание (Henneguine, 1967; Ке-фели, 1974), и играют заметную роль в сохранении покоя семян (Evenari, 1949).

Однако в этиологии ЭМИС влияние природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы не выяснено. Поэтому изучение роли этих агентов пассивного химического иммунитета в этиологии заболевания ЭМИС востребовано в практике защиты растений и является актуальным.

Цель исследований. Цель работы - исследовать роль эндогенных природных ингибиторов небелковой природы, способных регулировать активность ферментов амилолитического комплекса в условиях увлажнения и в этиологии заболевания ЭМИС.

Задачи исследований:

1. Изучить связь между активностью а-амилазы и высотой растений яровой пшеницы.

2. Установить качественный состав природного ингибирующего комплекса покровов зерна пшеницы (ИНК).

3. Выявить влияние ИНК покровов пшеницы на рост грибов поверхности зерна, а также на «а-амилазу созревания» и «а-амилазу прорастания».

4. Установить роль ИНК в механизме реактивации ферментов амилолитического комплекса в зависимости от условий увлажнения как источников этиологии заболевания ЭМИС.

5. Изучить возможность использования препарата на основе ИНК для борьбы с заболеваниями ЭМИС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Возделывание яровой пшеницы на фоне органического вещества в виде навоза и соломы и обработка во время вегетации препаратом ТУР влияют на активность фермента а-амилазы.

2. Ингибирующий комплекс, выделенный из отрубей пшеницы, подавляет фермент а-амилазу и снижает активность энзимо-микозного истощения семян при возделывании яровой пшеницы.

3. Уменьшение количества ингибирующего комплекса в зерне яровой пшеницы в условиях увлажнения сопровождается активацией а- амилазы и развитием заболевания энзимо-микозного истощения семян.

Объект исследования. Органическое вещество зерна, участвующее в регуляции активности ферментов амилолитического комплекса в этиологии заболевания ЭМИС яровой пшеницы.

Предмет исследования. ИНК покровов зерна яровой пшеницы небелковой природы как элемент регуляции активности а-амилазы в этиологии заболевания ЭМИС.

Научная новизна заключается в обнаружении блокирования ферментов амилолитического комплекса ингибитором небелковой природы, входящим в состав ИНК зерна яровой пшеницы и изучении кинетики ингибирования фермента а-амилазы различного биологического происхождения: зерна яровой пшеницы, грибов поверхности зерна с органическим небелковым ингибитором. Выявлена зависимость активности «а-амилазы прорастания» от содержания ИНК. На основе ингибирования а-амилазы выдвинута концепция бифункциональной биологической роли ИНК зерна. Установлено, что ИНК является элементом механизма блокированного состояния фермента а-амилаза яровой пшеницы.

Практическая ценность заключается в том, что из отрубей пшеницы получен препарат «Орол», который влияет на заболевание ЭМИС и обладает сильным антимикоцидным действием. Для контроля качества зерна разработаны: способ регистрации ингибирования фермента а- амилазы зерна и способ изучения кинетики ингибирования фермента а- амилазы зерна путем модификации прибора ПЧП-3.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедры «Защита растений» Марийского государственного университета, межрегиональных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола 2004,2005,2006), научно-практических конференциях международной научной школы «Наука и инновация» (Йошкар-Ола, 2007, 2008), международных научно-практических конференциях «Аюуальные вопросы совершенства технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2007,2008).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных статьях объемом 3,65 п. л. (доля личного участия 1,3 п.л.) в т. ч. в 3

статьях в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций материалов кандидатских диссертаций, патент РФ №2336701 РФ, МПК51 A21D 2/36.

Структура II объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах, состоит из введения, пяти глав, выводов, рекомендаций производству и списка литературы. Работа содержит 46 рисунков, 29 таблиц. Список литературы включает 178 наименований, 21 из которых работы иностранных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Развитие энзимо-микозного истощения семян пшеницы возникает под влиянием неблагоприятных погодных условий (повышенные атмосферные осадки, сильные росы, сырой туман и благоприятная температура) в период цветения, налива, созревания зерна, а также во время уборки. По мнению Н. Г. Холодного (1949), «истекание - результат экзоосмоса сахара за счет гидролитического распада крахмала, частью за счет тока пластических веществ». Согласно данным М. С. Дунина, Э. И, Э. В. Поповой, С. К. Темирбековой, (1981), потери питательных веществ при истекании зерна обусловлены не только экзоосмотическими процессами, а в большей мере новообразованиями растворимых веществ в результате гидролиза полимеризованных продуктов фотосинтеза. При этом в клетках зерновок в результате гидролитических процессов повышается осмотическое давление, приводящее к образованию микротрещин в клеточных стенках и разрывам в семенных оболочках. Установлена прямая связь «истекания» зерна с последующим поражением колосьев зерновых культур грибами из группы факультативных паразитов и сапрофитов (Дунин, Темирбекова, 1978). Во влажные годы при пониженных температурах зерно имеет более высокую ферментативную и диа-статическую активность (Княгничев, 1974; Стрельникова, 1971). Установлено различное отношение амилаз к ингибиторам, которые присутствуют в сухих семенах, но исчезают при прорастании. Кроме того, показано наличие корреляции между содержанием ингибитора и покоем семян (Bhementhal-Goldschmidt, 1960; Poljakof-Mayber, 1957), но роль природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы в этиологии ЭМИС не раскрыта.

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования по изучению роли природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы в этиологии ЭМИС проводили в 2004-2009 гг. в КДП «Мари-солинский» Сернурского района Республики Марий Эл, а также в лабораториях кафедр защиты растений, органической химии, биохимии и молекулярной биологии Марийского государственного университета.

Опыт 1. Влияние органических удобрений и обработки посевов по вегетации на фитосанитарное состояние почвы и потери зерна от ЭМИС (20042006 гг.).

Опыт 2-х факторный.

Фактор А - Органические удобрения:

1. Контроль (без удобрений);

2. Навоз (20 т/га);

3. Солома (3 т/га).

Фактор В - Обработка посевов по вегетации:

1. Контроль;

2. ТУР (4 л/га) + пестициды;

3. Пестициды.

Общая площадь делянки - 154 м2, учетная - 66 м2, повторность - 3-х кратная, размещение делянок рендомизированное.

Агротехника возделывания яровой пшеницы, за исключением изучаемых приемов, была общепринятой для данной зоны. Предшественник пшеницы -озимая рожь. Во втором и третьем вариантах в фазе кущения посевы опрыскивали от сорняков гербицидом (гренч - 10 г/га); от вредителей - инсектицидом (кинмикс - 0,2 л/га); от болезней — фунгицидом (альто — 0,5 л/га).

Агрохимические показатели почвы: рНС0Л. - 6,0 %; N (общий) - 2,5 мг/100 г почвы; P2Os - 20 мг; К20 - 15 мг/100 г почвы.

Яровую пшеницу сорта Лада высевали с нормой высева 7,5 млн. шт./га.

Микроделяночный опыт 2. Сравнительная оценка влияния предпосевной обработки семян различными препаратами и ингибирующим комплексом на рост, развитие растений и урожайность яровой пшеницы закладывали в 2008-2009 гг. по схеме:

1. Контроль (без обработки);

2. Тебу 60, МЭ (0,5 л/т);

3. Барьер Колор, КС (0,5 л/т);

4. Премис 200, КС (0,25 л/т);

5. Ингибирующий комплекс.

Общая площадь делянки - 2 м2, учетная -2 м2, повторность — пятикратная, размещение делянок систематическое.

Во время вегетации против сорняков использовали пестициды: Дианат (150 г/га) + Гренч (10 г/га).

Сорт яровой пшеницы Лада. Норма высева 7,5 млн. шт./га.

В процессе исследований проводили наблюдения, учеты и анализы: фенологические наблюдения - по методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1985); густоту стояния растений учитывали в фазе полных всходов и перед уборкой на двух постоянных площадках по 0,25 м2 на каждом варианте в двукратной повторности (Доспехов, 1985); поражение яровой пшеницы корневыми гнилями и другими болезнями проводили в период всходов, кущения, трубкования, молочной и полной спелости растений по методике ВНИИФ (2002); почву для микробиологического анализа отбирали по методике Й. Сэги (1983); количественный и видовой состав микромицетов в смешанных почвенных образцах определяли по методике Российского инсти-

тута сельскохозяйственной микробиологии в фазы: всходов, кущения, колошения, молочной и полной спелости; структуру урожая учитывали по пробным снопам на постоянных площадках (0,25 м2) каждой делянки в двух местах по методике ГСУ (1985). Урожайность зерна учитывали после сплошного обмолота делянки и пересчитывали на 14%-ную влажность и 100%-ную чистоту.

В лабораторных условиях проводили 5 опытов:

Опыт 1. Влияние соков различных плодов и сахарозы на проращивание семян яровой пшеницы.

Проводили три закладки в пятикратной повторности. Для исследований использовали сок апельсина и груши.

Опыт 2. Изучение накопления ингибирующего комплекса в зерне яровой пшеницы проводили трижды в четырехкратной повторпости. Для проращивания семсна замачивали в водопроводной воде. В контроле использовали дистиллированную воду.

Выделение ингибирующего комплекса (ИНК) проводили из пшеничных отрубей.

Опыт 3. Влияние ИНК на прорастание семян различных культур.

Объекты исследований - семена пшеницы, ячменя, овса, бобовых, козлятника, льна, гороха и вики. Разделение экстракта на составные части проводили: 1. Химическим методом по методике Э.М. Кофа: 2. Методом тонкослойной хроматографии с помощью газовой хроматографии (8Ытас1ги вСМ5 -РРЗОЮБ) в Центре Коллективного пользования Чувашской Республики.

Опыт 4. Влияние ИНК на рост и развитие грибов, выделенных с поверхности зерна яровой пшеницы.

Ингибирование грибов зерна ИНК и химическим препаратом проводили для установления биологической эффективности подавляющего комплекса при обработке зерна относительно химических препаратов.

Опыт 5. Влияние ИНК на зараженность зерна яровой пшеницы микроорганизмами при хранении.

Опыт 2-факторный.

Фактор А - влажность зерна:

1. Контроль (14 %);

2. 17%;

3. 22 %.

Фактор В - обработка зерна:

1. Контроль (дистиллированная вода);

2. ИНК.

Проводили три закладки в трехкратной повторности. Зерно хранили при комнатной температуре в синтетических мешках. Количество полифенолов при вымывании зерна определяли по методике Левенталя-Нейбауера в модификации Л.В. Курсанова (Запрометов, 1993).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ И ЭМИС НА ФИТОСАНИТАРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОСЕВОВ, ПОТЕРИ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ

3.1. Фнтосаннтарное состояние посевов

Проведены исследования патогенного состава почвы под яровой пшеницей и его влияние на ЭМИС. Внесение навоза снижало численность патогенных грибов в почве в фазе кущения в 1,4-1,8 раза по сравнению с вариантами без удобрений. При внесении соломы снижения грибов не наблюдалось. Численность патогенных грибов в вариантах, где применяли препарат ТУР, как на фоне навоза, так и на фоне соломы оказалась выше, чем на контроле в течение вегетации. Применение средств защиты растений уменьшало численность патогенных грибов. Использование препарата ТУР снизило общее количество грибов на контроле в 1,1 раза, на фоне навоза - в 1,5, и на фоне соломы - в 2,1 раза по сравнению с контролем. Внесение органического удобрения уменьшало поражение яровой пшеницы корневой гнилыо. Наименьшая пораженность растений была при использовании пестицидов по навозному фону.

3.2. Потерн урожая от энзимо-микозного истощения семян

Разница урожайности яровой пшеницы в среднем за 3 года между вариантами как показывает дисперсионный анализ достигнуто за счет применения в вариантах различных технологических приемов (вклад вариантов общую дисперсию составляет 89 %, вклад климатических факторов 5,3%. Приложение 29). Поэтому, анализируя опыты, возможно, утверждать, что внесение органического вещества и пестицидов повышало урожайность зерна пшеницы (табл. 1).

Таблица 1 - Урожайность яровой пшеницы, т/га (2004-2006 гг.)

Варианты Годы Прибавка, % Прибавка по фону, %

2004 2005 2006 средняя

Контроль Контроль ТУР Пестициды 1,81 2,15 2,52 1,70 2,30 2,40 1,74 2,30 2,49 1,75 2,25 2,47 28,6 41,1

Навоз Контроль ТУР Пестициды 2,64 3,69 3,89 3,31 4,37 5,13 2,80 3,50 4,30 2,85 3,85 4,40 35,1 55,8 62,8 71 78

Солома Контроль ТУР Пестициды 2,31 3,30 3,43 2,94 3.69 3.70 2,61 2,90 3,30 2,51 3,26 3,54 30 41 43,4 45 43,3

НСР05 по фактору А по фактору В по факторам АВ 0,10 0,10 0.10 0,38 0,38 0,38 0,23 0,23 0.23

Разница между вариантами и повторами существенна (Ррас.1е>2,58). Наибольшая (в 2,5 раза) урожайность пшеницы по сравнению с контролем получена в варианте с применением пестицидов на фоне навоза. Увеличение урожайности совпадает с уменьшением потерь от ЭМИС. Во все годы технология возделывания пшеницы влияла на потери зерна от различных заболеваний (рис. 1). Однако наибольшее влияние на потери урожайности от заболеваний в ходе трехлетних наблюдений оказывал погодные условия (57 %), а влияние вариантов технологии возделывания составил 36 % (рис. 1, приложение 29). В пределах этого влияния, возможно, отметить, что опрыскивание растений в период

2006 г. 2005 г. 2004 г

Рис. 1. Общие потери урожайности яровой пшеницы от различных заболеваний, %

вегетации пестицидами снижает потери зерна от различных заболеваний. В 2004 г. опрыскивание посевов пестицидами способствовало снижению потерь яровой пшеницы в 2,0-4,7 раза по сравнению с контролем. В 2005 г. урожайность зерна пшеницы была в 1,3-2,3 раза выше. В 2006 г. урожайность повысилась от опрыскивания пестицидами (в 1,4-1,7 раза меньше по сравнению с контролем). Наибольшему снижению потерь способствовало внесение навоза.

Потери, связанные с болезнью ЭМИС, которые наблюдались в течение 3 лег на фоне навоза, ниже, чем на фоне соломы (рис. 2). Применение препарата ТУР и пестицидов сократили потери от заболеваний. Созревание и уборка урожая в 2006 г. проходили в условиях высокого увлажнения. Потери из-за применения препарата ТУР в 2006 г. сократились более чем в 2 раза.

2006 г. 2005 г. 2004 г.

Рис. 2. Потери зерна яровой пшеницы от ЭМИС, %

Как регулирующее рост растений препарат ТУР обеспечивает снижение высоты растения. Уменьшение высоты растения создает микроклимат, где вероятность появления заболевания ЭМИС снижается. Однако уменьшение высоты растений оказывается лишь необходимым, но недостаточным условием защиты посевов от ЭМИС.

Влияние погоды на потери урожайности (приложение 29), связанные с заболеванием ЭМИС больше (68,3%), чем потери урожайности от различных заболеваний (57 %). Влияние изучаемых технологических приемов на потери, связанные с развитием заболеваний от ЭМИС составили (19,5 %,). Так как потери от ЭМИС составляют лишь часть общих потерь урожая, возможно, отметить, что технология возделывания, также имеет воздействие на величину потерь урожая от ЭМИС. Поэтому отмечаем, что доля потерь от ЭМИС (рис. 3) в контрольном варианте, где вносили навоз, варьировала в диапазоне от 23 % в 2005 до 78 % в 2006 году (в среднем 52 %).

контроль навоз

контроль ТУР

пестициды

Рис. 3. Доля потерь урожайности яровой пшеницы от ЭМИС в общих потерях, %

Анализ экспериментальных данных позволяет предположить, что с увеличением потерь от ЭМИС повышается и доля потерь в общих потерях уро-

жайности. Внесение навоза снижает как потери урожайности от ЭМИС, так и долю потерь урожая в общих потерях, но общие потери урожайности при этом в контрольных вариантах остаются одинаковыми. В 2006 г. в контрольных вариантах доля потерь урожая от ЭМИС в общих потерях имеет одинаковые значения (78 %). Применение препарата ТУР по вегетации на навозе (33,3 %) снижает долю потерь по сравнению с контролем (52,5 %) в 1,5 раза. Он также снижает долю потерь урожайности от ЭМИС в общих потерях (47,5 %) по сравнению с контролем (53,3 %) на фоне соломы.

Доля потерь на фоне навоза ниже, чем в вариантах с соломой. Можно предположить, что внесение навоза уменьшает потери урожайности от ЭМИС (в контроле), а потери, связанные с болезнями увеличиваются, но внесение препарата ТУР приостанавливает эту тенденцию.

3.3. Изменение показателен качества зерна

Применение удобрений и средств защиты растений влияет на показатели качества зерна яровой пшеницы (табл. 2).

Таблица 2 - Показатели качества зерна пшеницы, 2004-2006 гг.

Варианты Клейковина, % Число падения, сек. Стекловидность, % Зольность, % Масса 1000 зерен, г

Контроль контроль 20,6 233 38,5 1,89 31.2

ТУР 20,1 228 38,0 2,00 32,5

пестициды 21.2 245 42,6 1,90 32,8

Навоз контроль 26,8 283 44 1,99 33,8

ТУР 26,1 241 40 2,07 35.2

пестициды 29,2 295 47 1,89 36,6

Солома контроль 23,6 257 50,3 1,87 31,5

ТУР 22,9 225 35,6 1,9 34,4

пестициды 26,9 295 42,3 1,78 34,8

НСР05 ) актор А тктор В )акторы АВ 0,31 0,31 0,31 2,70 2,70 2,70 0,51 0,51 0,51 0,04 0,04 0,04 0,64 0,64 0,64

Повышение качества зерна происходит при выращивании пшеницы на фоне навоза. Массовая доля сырой клейковины увеличилась на 6,2 % по сравнению с контролем и на 3,2 % по сравнению с выращиванием пшеницы на фоне соломы. Число падения (ЧП) увеличилось на 50 и 24 секунды соответственно. Стекловидность возросла на 5,5 % по сравнению с контролем. На фоне соломы стекловидность была выше даже по сравнению с вариантом на фоне навоза. Масса 100 семян в варианте с пестицидами на фоне навоза увеличилась на 2,6 и 2,3 г.

Корреляционный анализ показывает присутствие тесной зависимости между потерями урожая от ЭМИС и массой тысячи зерен (г = 0,91), уравнение регрессии: у = 37,9-0,94х. Поэтому любое изменение качества зерна, связанное

с потерей массы 1000 зерен, на 84 % связано и с влиянием ЭМИС. Коэффициент корреляции потерь урожайности от ЭМИС и содержания сырой клейковины составляет 0,54.

Исследования показали тесную корреляционную связь между содержанием сырой клейковины и ЧП (г = 0,82), уравнение регрессии: у = 8,47+0,07х . Чем больше содержание сырой клейковины в зерне, тем больше показатель ЧП.

Показатель ЧП зерна — это показатель активности фермента а-амилазы в муке. Чем больше показатель ЧП, тем менее активен фермент а-амилаза муки или эндосперма зерна. Активность фермента а-амилазы непосредственно влияет на потери зерна от ЭМИС. Чем интенсивнее болезнь ЭМИС, тем ниже качество зерна, так как снижается содержание сырой клейковины.

Выявлена отрицательная корреляция (г = -0,67) между развитием корневой гнилью и потерями зерна от ЭМИС. Поражение растений корневой гнилью отрицательно сказывается на физических и биохимических показателях зерна. Статистический анализ показал обратную зависимость между развитием корневой гнили и показателями качества зерна пшеницы: массой 1000 семян, вырав-ненностью, стекловидностью, клейковиной и протеином. Коэффициент корреляции колеблется от 0,70 до 0,94.

Активность а-амилазы яровой пшеницы зависит от высоты растения. На рисунке 4 показаны результаты измерения высоты стеблестоя в среднем за три года в сопоставлении с активностью а-амилазы, выраженной в показателе ЧП.

100

9Q —Аюгиеность

so фермента,

2 ЧП сек 70 "

60 —в™_

растении, см

50

Рис. 4. Активность а-амилазы и высота растений пшеницы, 2004-2006 гг.

Коэффициент корреляции зависимости ЧП от высоты стеблестоя равен 0,88, коэффициент детерминации равен 0,78.

4. ЭТИОЛОГИЯ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЭМИС

4.1. Ингибиторы прорастания семян сельскохозяйственных культур

Экзогенное воздействие ингибирующих веществ является причиной сохранения состояния покоя. С покровов семян вымывается незначительное ко-

350 300 250 * 200 й 150 100 50

о

<я

<4'

¿e

V

-о*

А4

<ЧР

личество вещества, препятствующего вытягиванию этилированных проростков. Ингибирующие вещества выделяли из пшеничных отрубей (рис. 5).

Рис. 5. Ингибирование прорастания семян пшеницы раствором, выделенным из отрубей пшеницы, слева-контроль (дистиллированная вода); справа -опыт (раствор, содержащий максимальное количество препарата)

Аналогично проводили исследования на других культурах. Экстракт пшеничных отрубей ингибирует овес, козлятник, вику, лен, горох.

4.2. Состав ингибирующего комплекса, выделенного из покровов семян пшеницы

В результате хроматографического разделения на колонке были получены фракции грех цветов: № 1 - легкой кремовой окраски, № 2 - серо-коричневая, № 3 - рыже-коричневая.

Исследование состава фракции № I с помощью газовой хроматографии позволило установить, что она содержит три вида остатков гексоз, различающихся количеством гидроксогрупп в цикле (9,99 %, 5,03 и 2,03 %): 5 - (гидро-ксиметил) фуран-2-карбоновую кислоту (14,9 %), кумаровую кислоту (1,4 %) и 66,95 % абсцизовой кислоты.

Во фракции № 2 были обнаружены 6 -метоксиперидин-2-он (3,38 %), различные изомеры карбоновых кислот и смолы. Изомеры карбоновых кислот и смолы, возможно, образовались в результате температурного разложения крахмала.

Фракция № 3 также была неоднородна и содержала 19,87 % фенилового эфира карбаминовой кислоты, 79,04 % салициловой кислоты и 1,09 % мевало-новой кислоты.

Химический анализ показал (Шарапов и др., 2008), что ИНК представляет многокомпонентную смесь органических веществ небелковой природы. К примеру, АБК является фитогормоном. Кумаровая и салициловая кислоты классифицируются как природные ингибиторы негормональной природы. Такое название эти вещества получили из-за способности приостанавливать прорастание семян. Известно, что ингибирование прорастания семян свойственно фито-гормону АБК.

4.3. Влияние природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы на активность а-амилазы

Изучение кинетики ингибирования фермента а-амилазы проводили двумя различными способами на двух различных приборах. Первый способ осуществлен на приборе ПЧП-3 (табл.3), а измерение скорости ферментативной реакции на модернизированном варианте этого прибора. Модернизация прибора осуществлен установкой миллиметровой линейной шкалы параллельно ходу штока с целью фиксации глубины его погружения в пробирку, в котором находится опара муки. Фиксирование движения штока прибора осуществляли видеосъемкой на установленную в штатив видеокамеру. Просмотр видеосъемки позволяет, определить скорость погружения штока прибора в пробирку фиксацией глубины погружения через каждый 30 сек наблюдения (рис. 6).

Таблица 3 - Зависимость значения ЧП от концентрации рабочего раствора

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7

Показатель ЧП контроль 90 96 94 98 86 85 85

опыт 634 520 353 289 165 130 105

/ i-l 4

/ V

К У У1 т- -17

„ I •С---* Г - "'. ~ . . ,

О 31} 60 ')(> 120 150 180 210 24» 270 300 330 ЗГ>0 34» 420 450 4К0 510 540 570

-Контроль — - 1-е измерение - - - 2-е измерение Время, с

— - 3-е измерение — - 4-е измерение

Рис. б. Воздействие а-амилазы на субстрат в присутствии ингибитора

Ингибирующий комплекс сдерживает начало ферментативной реакции (Шарапов и др., 2007). Сдерживание (ингибирование) продолжается 390 сек.

Второй способ регистрации кинетики ингибирования заключаются в измерении активности фермента а-амилазы, которая характеризируется изменением оптической плотности раствора в зависимости от активности фермента при возрастающей концентрации ингибирующего комплекса. Измерение оптической плотности производили на приборе СФ-16. Показатель оптической плотности является показателем активности фермента при различной концентрации ингибирующего комплекса (рис. 7).

Количество ингибирующего комплекса в пробирке, мл

Рис. 7. Действие фермента а-амилазы на крахмал в присутствии возрастающего объема ингибирующего комплекса из отрубей пшеницы

4.4. Результаты ингибироваиия грибов, находящихся на поверхности зерна пшеницы

При внесении в чашки Петри 1 мм препарата у всех грибов происходило ингибирование радиального роста. В чашке Петри размещали чистые культуры грибов диаметром 9 мм (табл. 4).

Таблица 4 - Рост грибов в зависимости от концентрации препарата

Виды грибов

Вариан- А1. акепШа Р. ауепа-сеиш Ог. Ьопс1аг- Аб. Иит^а-ШБ Р ¡апоБит

ты 0, мм ПЭ, % 0, мм ПЭ, % 0, мм ПЭ, % 0, мм ПЭ, % 0, мм ПЭ, %

5 0 100 22 50 4.8 90 7,5 61 36.8 43

3 10,8 50 16,8 69 8,5 82 8.2 60 37,3 42

13,5 39 19,6 55 11.2 76 13,2 43 40,9 35

17,8 19 25,8 42 24.7 51 15,2 34 48,8 24

контроль 17,7 22 19 0 39 44,5 12 0 33,6 47,5 20 0 18,8 23,2 19 0 57,5 64,8 20 0

Примечание: 0 - диаметр колонии на чашке; ПЭ - показатель Эббота; варианты: 1 -0,1 мг ИНК; 2-0,25 мг ИНК; 3 - 0,5 мг ИНК; 4-0,75 мг ИНК; 5- 1,0 мг ИНК.

С увеличением концентрации ингибирующего комплекса уменьшается рост колонии. Действие пшеничного экстракта, содержащего ИНК, характеризует ингибирование грибов (по показателю Эббота). ИНК показал эффективность ингибирования роста грибов (табл. 5). Экстракт пшеничных отрубей, со-

держащий ИНК, подавляет активность грибной амилазы, которая проявляется в уменьшении прироста колоний.

Таблица 5 - Рост колоний гриба на среде Чапека (на 4-й день посева)

Варианты Fusarium graminearu m Pénicillium vi-ridicatum Alternaria alternata Drechslera sorokiniana

Контроль 1,3 по всей чашке 1,6 1,6

Фундазол 0,9 V* часть чашки 1,3 0,9

ИНК 0,9 2,1 1,4 1,6

НСРоз 0,13 0,21 0,13 0,13

Развитие микроорганизмов на поверхности зерна, особенно сырого, приводит к порче семенных и хлебопекарных качеств (Шарапов и др., 2008). Обработка семян ингибирующим комплексом снижает численность грибов на поверхности зерна (табл. 6).

Таблица 6. Динамика численности грибов на поверхности зерна пшеницы

Варианты Влажность, % Количество грибов, шт. /100 г

время наблюдений, недель

1 6 8

Контроль 14 74,5 80,9 82,1

17 139,3 171,7 175,0

22 158,7 489,3 560,5

ИНК 14 32,4 32,7 42,1

17 64,8 84,2 97,2

22 74,5 223,5 278,6

Через 8 недель количество грибов при обработке зерна ингибирующим комплексом уменьшается в 2 раза.

4.5. Проникновение ингибирующего комплекса внутрь зерна пшеницы

Ингибирующий комплекс способен проникать через покровы семян, так как через 3-е суток зерна в колосе (рис. 8, 9 слева) контрольного варианта проросли полностью. В опытном варианте, где дополнительно после каждого увлажнения проводилась обработка экстрактом, на пшенице (рис. 8, 9 справа) не было ни одного проросшего зерна.

Рис. 8. Результаты обработки ингибирующим комплексом из отрубей пшеницы валков яровой пшеницы во время уборки: слева — контроль; справа - опыт

В опытном варианте с озимой рожью наблюдалось единичное прорастание зерна. ИНК в покровах семян яровой пшеницы может, как вымываться, так и проникать внутрь зерна, что можно использовать в борьбе с ЭМИС.

Вещества, ингибирующие прорастание семян пшеницы, содержатся на покровах зерна. Под воздействием влаги они могут вымываться, и зерно начинает прорастать. Данное ингибирующее вещество после обработки зерна способно проникнуть внутрь и предотвращать прорастание.

Рис. 9. Результаты обработки ингибирующим комплексом из отрубей пшеницы валков озимой ржи во время уборки: слева - контроль; справа - опыт

Биологическое значение вымывания ингибирующего комплекса заключается в том, что эти выделения являются ответной реакцией растений па изменение свойств и состава окружающей среды. В нашем случае изменяются условия обводненности поверхности зерна. В результате возникают условия для прорастания спор микроорганизмов. Выделение ингибирующего комплекса в усло-

виях увлажнения - это, по существу, фитоантиципидное выделение, обеспечивающее защиту от комплекса грибов, бактерий.

Обладая свойством блокирования фермента а-амилазы, ингибирующий комплекс выступает как вещество, разобщающее фермент и субстрат. При продолжительном поверхностном обводнении зерно вынуждено выделять новую порцию ингибирующего комплекса, который смывается дождевой водой. Затем процесс повторяется. В семени оказывается недостаточно ингибирующего комплекса для разобщения фермента и крахмала муки.

Таким образом, причина возникновения ферментативного истощения объясняется редукцией эндогенного ингибирующего комплекса семян вследствие фитоантиципидного выделения в условиях увлажнения. Следовательно, проникновение экзогенного ИНК должно предотвратить заболевание семян.

Методика количественного определения ИНК не разработана. Так как часть химических веществ в ингибирующем комплексе относится к полифенолам, определение их содержания, позволяет проследить уменьшение ИНК при увлажнении поверхности зерна. Поэтому полифенолы можно рассматривать как фактор устойчивости зерна от патогенных микроорганизмов. Предполагаем, что при длительных осадках они вымываются, при экстрагировании - переходят в раствор ингибирующего комплекса. Поэтому являются одним из решающих факторов устойчивости к ЭМИС (табл.7).

Таблица 7 - Содержание полифенолов в экстракте после замачивания зерна

Культура Вариант Количество полифенолов, %

контроль 1,117

Яровая 24 час. 0,35

пшеница 12 час. 0,35

8 час. 0,56

Озимая контроль 0,6

8 час. 0,15

рожь 24 час. 0

Как видно из данных таблицы 7, при 8-часовом увлажнении зерна вымывалось более половины первоначального содержания полифенолов.

4.6. Влияние ингибирующего комплекса на всхожесть и урожайность зерна

Обработка зерна за 2 месяца до посева ингибирующим комплексом повышает всхожесть и сохранность растений пшеницы в полевых условиях (табл. 8).

Таблица 8 - Влияние протравливания семян на всхожесть и сохранность растений

Варианты Всхожесть Количество растений в конце вегетации Сохранность растений, %

шт./м2 % шт./м2 % к контролю

Контроль 486 69,5 350 - 72,0

Тебу 60, МЭ 511 73 366 104 71,6

Барьер Колор, КС 539 77 407 116 75,4

Премис 200, КС 560 80 418 119 74,0

ИНК 490 70 392 112 80,0

НСР05 10,2 8,25

Структура урожая и продуктивность пшеницы увеличивается от обработки семян (табл. 9).

Таблица 9 — Структура урожая в зависимости от обработки семян

Варианты Количество растений, шт./м2 Число зерен в колосе, шт. Масса 1000 зерен, г Урожайность, т/га

Контроль 350 25 30,6 2,7

Тебу 60, МЭ 366 27 33,1 3,3

Барьер Колор, КС 407 27 32,5 3,58

Премис 200, КС 418 28 32,5 3,81

ИНК 392 27 33,0 3,49

НСР05 8,25 2,31 0,94 0,087

В среднем за 3 года урожайность зерна на контроле составила 2,7 т/га. В зависимости от обработок ее показатели были выше контрольного варианта и варьировали от 3,49 до 3,81 т/га.

Затраты на получение ингибирующего комплекса невысокие, что сказалось на увеличении экономических показателей при возделывании яровой пшеницы (табл. 10).

Таблица 10 - Эффективность применяемых препаратов при возделывании пшеницы

Варианты Стоимость зерна, тыс. руб./га Производственные затраты на 1 га, тыс. руб. Чистый доход, тыс. руб. на 1 га Рентабельность, %

Контроль 13,5 4,070 9,43 231

Тебу 60, МЭ 16,5 4,453 12,05 270

Барьер Колор, КС 17,9 4,415 13,48 305

Премис 200, КС 19,05 5,200 13,85 266

ИНК 17,45 4,170 13,28 318

Наибольшая рентабельность получена при использовании ИНК для обработки семян. По сравнению с контролем рентабельность выше на 87 %.

Таким образом, обработка семян ингибирующим комплексом способствует повышению сохранности растений пшеницы, увеличению урожайности и рентабельности производства зерна.

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ПШЕНИЦЫ

Применение пестицидов при возделывании пшеницы увеличивало чистый доход и рентабельность. Наибольшая рентабельность получена в варианте с применением пестицидов на фоне соломы. На фоне навоза пестициды повышали рентабельность в 1,5 раза по сравнению с контролем, а на фоне соломы — в 2 раза. Чистый доход увеличивался с 4,68 до 14,15 тыс. руб.

Биоэнергетический потенциал пшеничного агроценоза во многом зависит от внесения органических удобрений, особенно навоза. В варианте с ТУРом на фоне навоза биоэнергетический потенциал увеличился в 2 раза по сравнению с контролем, на фоне соломы — в 1,6 раза. В варианте с пестицидами — наибольший биоэнергетический потенциал агроэкосистемы. На фоне навоза по сравнению с контролем БЭП больше в 3 раза, а на фоне соломы - в 2 раза.

ВЫВОДЫ

1. Общие потери урожайности от различных болезней составили в полевых опытах в среднем за 3 года наблюдений 14%, в том числе от ЭМИС 7%. Вклад ЭМИС в потери качества зерна пшеницы составляет 29%.

2. Результаты полевых исследований показывают отрицательную корреляцию (г = -0,67) между развитием корневых гнилей и потерями урожайности от ЭМИС, так как корневые гнили уменьшают синтез органических веществ и содержание крахмала в зерне.

3. По биологическому составу экстракт пшеничных отрубей представляет собой смесь биологически активных веществ, среди которых имеются фито-гормон абсцизовая кислота (АБК) и природные ингибиторы. По химическому составу ингибирующий небелковый комплекс — это органические вещества небелковой природы.

4. Снижению развития энзимо-микозного истощения семян способствует внесение в почву органических удобрений, уменьшению высоты растений и полегания посевов способствует опрыскивание посевов препаратом ТУР. Уменьшение высоты растений на 16,6% в опытах сопровождается уменьшением показателя ЧП зерна на 10,4%.

5. Эндогенное воздействие ИНК позволяет уменьшить длину этилированных проростков, а также сохранить покой набухающего семени различных растений.

6. ИНК, выделенный из покровов зерна, задерживает прорастание семян различных культур и подавляет развитие грибов.

7. Вследствие уменьшения ИНК начинается заболевание ЭМИС; экзогенное проникновение ИНК предотвращает возникновение заболевания.

8. Обработка семян ингибирующим комплексом повышает сохранность растений, увеличивает урожайность и рентабельности производства зерна пшеницы.

9. Применение пестицидов при возделывании пшеницы увеличивает чистый доход и рентабельность, особенно на фоне соломы.

10. Наибольший биоэнергетический потенциал агроэкосистемы получен при применении пестицидов на фоне навоза. На фоне навоза по сравнению с контролем БЭП больше в 3 раза, а на фоне соломы — в 2 раза.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ

С целью повышения урожайности и качества зерна при возделывании яровой пшеницы следует вносить органическое вещество в виде навоза и соломы. Для уменьшения высоты растений и полегания в течение вегетации посевы опрыскивать ретардантом, а после уборки зерно обрабатывать ингибирующим комплексом.

Список

работ соискателя, опубликованных по теме диссертации

Ведущие рецензируемые научные журналы, рекомендованные ВАК РФ для кандидатски! диссертаций:

1. Шарапов Э М. Новый взгляд на проблему ЭМИС / Э. М. Шарапов, H. Н. Апаева, Г. П. Мартынова // Зашита растений. - 2007. - № 11. - С. 46.

2. Шарапов Э М. Количественное уменьшение ингибирующего комплекса яровой пшеницы, как причина возникновения энзимо-микозного истощения семя / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, А.К. Свечников, T.JI. Балдина // Вестник Казанского ГАУ. - Казань, 2008. - № 1(7). - С. 128-132.

3. Активность альфа-амилазы зерна и зависимость показателя числа падения от высоты растения яровой пшеницы / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, В. А. Козлов, А.К. Свечников // Вестник Алтайского госуниверситета. - Барнаул, 2010. - № 2 (64). - С. 22-28.

Научные статьи в других журналах:

4. Шарапов Э.М. Влияние ЭМИС на массу и числа зерен в колосе яровой пшеницы сорта «Лада» / Э.М. Шарапов // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. VII. - Йошкар-Ола, 2005. - С. 106-108.

5. Шарапов Э.М. Влияние элементов технологии возделывания на устойчивость к энзимо-микозному истощению зерна яровой пшеницы / Э.М. Шарапов // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработай продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения, материалы международной научно-практической конференции. Вып. VIII. - Йошкар-Ола, 2006. - С. 166-170.

6. Шарапов Э.М. Роль ингибирующего комплекса в этиологии ЭМИС / Э.М. Шарапов, Г.С. Марьин, Г.С. Юнусов, Н.Н. Апаева // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. VI. -Йошкар-Ола, 2007. - С. 314-317.

7. Шарапов Э.М. Изучение кинетики ингибирования активности фермента а-амилаза / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, А.К,Свечников, Т.Л. Балдина // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. VI./ Map. гос. ун-т. - Йошкар-Ола, 2007. -С. 317-321.

8. Шарапов Э.М. Изучение ингибирующего комплекса яровой пшеницы / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, А.К.Свечников, Т.Л. Балдина // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. VI. -Йошкар-Ола, 2007. - С. 321-325.

9. Шарапов Э.М. Возможные пути решения проблемы энзимо-микозного истощения зерновых / ЭМ. Шарапов, Н.Н. Апаева, В.П. Козлов и др. // Материалы II Международной научной школы «Наука и инновация - 2007. ISS, SI-2007», 5-11 июля 2007. - Йошкар-Ола, 2007. - С. 134-138.

10. Шарапов Э.М. Кинетика подавления активности ферментов а-амилазы / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, Т.Л. Балдина, А.К. Свечников // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. X. - Йошкар-Ола, 2008. - С. 181-184.

11. Шарапов Э.М. Методика выделения составных частей из ингибирующего комплекса / Э.М. Шарапов, НН. Апаева, Т.Л. Балдина, А.К. Свечников // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. X. - Йошкар-Ола, 2008. - С. 184-186.

12. Шарапов Э.М. Изучение продления срока сохранности зерна повышенной влажности инги-бирующим комплексом, выделенного из пшеницы / Э.М. Шарапов, Н.Н. Апаева, Т.Л. Балдина, А.К. Свечников // Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства: Мосоловские чтения: материалы международной научно-практической конференции. Вып. X. - Йошкар-Ола, 2008. — С. 186-188.

13. Пат. 2336701 Российская Федерация, МХЖ5' A21D 2/36. Способ увеличения показателя число падения муки и зерна / Э M Шарапов, ИИ. Попов, В.А. Козлов, В.И. Макаров и др.; заявитель и патентообладатель Шарапов Э. М„ Попов И. И., ООО «Орол». - № 2007103374/13(003636); заявл. 30.01.2007; опубл. 27.10.2008,-Бюл. №30.-3 с.

Заказ № 494. Подписано в печать 15.02.2012. Тираж 100. Усл. печ.л. 1,28. Бумага офсетная. Отпечатано с оригинал-макета предоставленного автором.

Отпечатано в ООО «СТРИНГ» 424002, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Кремлевская, 31

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Шарапов, Эбрар Махмутович, Йошкар-Ола

61 12-6/569

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Шарапов Эбрар Махмутович

ВЛИЯНИЕ ПРИРОДНЫХ ИНГИБИТОРОВ ПОКРОВОВ ЗЕРНА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ НА ЭТИОЛОГИЮ ЭНЗИМО-МИКОЗНОГО ИСТОЩЕНИЯ СЕМЯН

Специальность 06. 01. 07. - «Защита растений»

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Г. С. Марьин

Йошкар-Ола, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................3

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................7

2. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ................35

2.1. Почвенно-климатические условия Республики Марий Эл....................35

2.2. Погодные условия вегетационных периодов в годы исследований......38

2.3. Методика исследований.............................................................................44

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................62

3. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ И ЭМИС НА ФИТОСАНИТАРНОЕ СОСТОЯНИЕ ПОСЕВОВ, ПОТЕРИ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ.........................................................................62

3.2. Потери урожая от энзимо-микозного истощения семян........................69

3.3. Изменение показателей качества зерна....................................................76

4. ЭТИОЛОГИЯ ЗАБОЛЕВАНИЯ ЭМИС.........................................................82

4.1. Ингибиторы прорастания семян сельскохозяйственных культур..........82

4.2. Состав ингибирующего комплекса, выделенного из покровов.............92

семян яровой пшеницы......................................................................................92

4.3. Влияние природных ингибиторов покровов зерна пшеницы..............100

на активность фермента а-амилазы...............................................................100

4.4. Результаты ингибирования грибов, находящихся на............................107

поверхности зерна пшеницы...........................................................................107

4.5. Проникновение ингибирующего комплекса внутрь зерна...................117

4.6. Влияние ингибирующего комплекса на всхожесть и урожайность зерна. 123

5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА...................125

ТЕХНОЛОГИИ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ ПШЕНИЦЫ...........................................125

ВЫВОДЫ.............................................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................131

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время энзимо-микозное истощение семян (ЭМИС) трактуется как стрессоустойчивость зерновых культур к абиотическим факторам, в частности, к сочетанию температурного режима и влажности. Развитие заболевания ЭМИС сопровождается сильной оводнен-ностью поверхности зерна, которая вызывает набухание белка и крахмала, что нарушает ультраструктурную организацию клеточных органелл и приводит к «биологическому травмированию» покровов зерна и потере продуктов гидролиза через эти участки. Последние становятся «открытыми воротами» для внедрения патогенных микроорганизмов (Темирбекова, 2000). При дождливой погоде заболевание сопровождается прорастанием зерна в колосе (Дунин, 1978). Установлено (Bilbao, 1966), что в зерне содержатся вещества, которые способны снижать активность амилаз. Различают две амилазы в зерне: «а-амилазу созревания» и «а-амилазу прорастания». Регулирование активности «а-амилазы созревания» во время покоя зерна контролируется белковым ингибитором, который образует с этим ферментом комплекс (Василевская, 1997). Признано, что фактор пассивного иммунитета в растениях представлен различными химическими соединениями небелковой природы, которые называют природными, ингибиторами. Механизм реактивации этого комплекса неизвестен, но предполагается, что в условиях высокой влажности воздуха происходит разрыв ингибиторного комплекса. У различных растений природные ингибиторы отличаются друг от друга, способны приостанавливать прорастание (Henneguine, 1967; Кефели, 1974), и играют заметную роль в сохранении покоя семян (Evenari, 1949).

Однако в этиологии ЭМИС влияние природных ингибиторов покровов зерна яровой пшеницы не выяснено. Поэтому изучение роли этих агентов пассивного химического иммунитета в этиологии заболевания ЭМИС востребовано в практике защиты растений и является актуальным.

Цель исследований. Цель работы - исследовать роль эндогенных природных ингибиторов небелковой природы, способных регулировать актив-

ность ферментов амилолитического комплекса в условиях увлажнения и в этиологии заболевания ЭМИС. Задачи исследований:

1. Изучить связь между активностью а-амилазы и высотой растений яровой пшеницы.

2. Установить качественный состав природного ингибирующего комплекса покровов зерна пшеницы (ИНК).

3. Выявить влияние ИНК покровов пшеницы на рост грибов поверхности зерна, а также на «а-амилазу созревания» и «а-амилазу прорастания».

4. Установить роль ИНК в механизме реактивации ферментов амилолитического комплекса в зависимости от условий увлажнения как источников этиологии заболевания ЭМИС.

5. Изучить возможность использования препарата на основе ИНК для

борьбы с заболеваниями ЭМИС.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Возделывание яровой пшеницы на фоне органического вещества в виде навоза и соломы и обработка во время вегетации препаратом ТУР

влияют на активность фермента а-амилазы.

2. Ингибирующий комплекс, выделенный из отрубей пшеницы, подавляет фермент а-амилазу и снижает активность энзимо-микозного истощения семян при возделывании яровой пшеницы.

3. Уменьшение количества ингибирующего комплекса в зерне яровой пшеницы в условиях увлажнения сопровождается активацией а- амилазы и развитием заболевания энзимо-микозного истощения семян.

Объект исследования. Органическое вещество зерна, участвующее в регуляции активности ферментов амилолитического комплекса в этиологии

заболевания ЭМИС яровой пшеницы.

Предмет исследования. ИНК покровов зерна яровой пшеницы небелковой природы как элемент регуляции активности а-амилазы в этиологии заболевания ЭМИС.

Научная новизна заключается в обнаружении блокирования ферментов амилолитического комплекса ингибитором небелковой природы, входящим в состав ИНК зерна яровой пшеницы и изучении кинетики ингибирова-ния фермента а-амилазы различного биологического происхождения: зерна яровой пшеницы, грибов поверхности зерна с органическим небелковым ингибитором. Выявлена зависимость активности «а-амилазы прорастания» от содержания ИНК. На основе ингибирования а-амилазы выдвинута концепция бифункциональной биологической роли ИНК зерна. Установлено, что ИНК является элементом механизма блокированного состояния фермента а-амилаза яровой пшеницы.

Практическая ценность заключается в том, что из отрубей пшеницы получен препарат «Орол», который влияет на заболевание ЭМИС и обладает сильным антимикоцидным действием. Для контроля качества зерна разработаны: способ регистрации ингибирования фермента а- амилазы зерна и способ изучения кинетики ингибирования фермента а- амилазы зерна путем модификации прибора ПЧП-3.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедры «Защита растений» Марийского государственного университета, межрегиональных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола 2004, 2005, 2006), научно-практических конференциях международной научной школы «Наука и инновация» (Йошкар-Ола, 2007, 2008), международных научно-практических конференциях «Актуальные вопросы совершенства технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2007, 2008).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных статьях объемом 3,65 п. л. (доля личного участия 1,3 п. л.) в т. ч. в 3 статьях в реферируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ для публикации

материалов кандидатских диссертации, патент РФ №2336701 РФ, МПК31 А2Ю 2/36.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Г. С. Марьину, всем сотрудникам кафедры защиты растений Марийского государственного университета за помощь в проведении исследований и оформлении диссертационной работы, а также сотрудникам кафедры органической химии, кафедры биохимии и молекулярной биологии Марийского государственного университета.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В практике сельскохозяйственного производства, как отмечает С.К. Темир-бекова, нередки такие случаи, когда потери зерна составляют 50 и более процентов. Такие факты подтверждают в течение последних 70 лет такие исследователи как академик Н.Г. Холодный, 1949; народный академик Т.С. Мальцев, 1967; выдающийся советский селекционер академик И.П. Лукьяненко, 1970; фитопа-толог академик М.С. Дунин 1978 г. В большинстве случаев эти потери связаны с явлением энзимо-микозного истощения зерна, которое давно было известно в различных регионах под названием «медвяная роса» или «истекание» зерна во время созревания и уборки. «Истекание» зерна часто встречается в Нечерноземной зоне, в Западной Сибири, причиняя большой ущерб зерновому хозяйству при одновременном ухудшении качества зерна (Холодный, 1949; Мурашкинский, 1924; Бурякова, 1975; Дунин, Темирбекова, 1978; Темирбе-кова, 1981; Алимов, 1987)

Раньше, по мнению С.К. Темирбековой терминами «истекание», «отекание» и другими отмечались лишь некоторые симптомы сложного патологического процесса, который обусловливается комплексом таких факторов, как, увлажнение колоса и зерна, активизация гидролитических и окислительных ферментов зерна, развитие микрофлоры колоса и зерна. Поэтому в целях более емкого и точного обозначения этиологии и патогенеза этого комплекса М.С. Дуниным и С.КТемирбековой (1978) предложен термин энзимо-микозное истощение семян (ЭМИС).

Несмотря на столь большой ущерб, причины его возникновения из-за ссылки на неблагоприятные условия вегетации просто не изучались.

Часто величину ущерба этого заболевания отождествляют заболеваниями колоса, которые наблюдается при ЭМИСе. Многим практикам кажется, что ущербы незначительны. Однако, сложность заболевание состоит в том, что оно протекает в две, а иногда в три стадии, и ущерб носит возрастающий

характер. Еще профессор К. Е. Мурашинский в 1924 году отмечает, что в Западной Сибири ущерб от этой болезни на озимой ржи превышает 60%.

Развитие энзимо-микозного истощения семян пшеницы начинается под влиянием неблагоприятных погодных условий (длительные атмосферные осадки, сильные росы, сырой туман и благоприятная температура) в период цветения, налива, созревания зерна, а также и во время уборки. Академик Н.Г. Холодный в 1949 году писал: «Дождь при одних условиях является благодеянием для земледельца, при других - становится для него подлинным бедствием, причиняющим сельскому хозяйству огромные убытки. Так, например, если в период созревания зерна ржи, пшеницы, ячменя и других колосовых культур в течение нескольких дней стоит пасмурная влажная погода с длительными, хотя бы и слабыми дождями, то наступает явление, которое народ образно называет «истеканием» зерна».

Академиком Н.Г. Холодным и его сотрудником И.В. Маргарой (1931, 1932) было отмечено вымывание дождевой водой органических веществ из наземных органов высших растений. Н.Г. Холодный (1949, 1957) уделил много внимания явлению снижения урожая зерновых культур, обусловленного дождливой погодой. Он писал: «Это явление хорошо знакомо крестьянам и агрономам, и хотя оно приносит! народному хозяйству значительные убытки, все же остается до сих пор неисследованным. Это явление представляет не только практический интерес, оно достойно внимания и в теоретическом отношении, поскольку остаются неизвестными причины, вызывающие в этом случае нарушение нормального физиологического процесса созревания и недостаточное накопление в семенах крахмала и других запасных веществ».

Они делали опыты по локализованному дождеванию отдельно колосьев ржи, пшеницы и ячменя без смачивания листьев и стеблей, и, наоборот, дождевание стеблей и листьев, без смачивания колосьев. Сотрудники академика Холодного выявили, что явление «отекания» зерна зависит главным образом от смачивания колосьев. Они отмечают, что у растений, колосья которых были защищены и дождь действовал только на листья и стебли, урожай снизил-

ся на 4,7 %, а растения, у которых действию дождя подвергались все части, снижали урожай на 48,5 %. И, наконец, растения, у которых дождеванию подвергались только колосья, дали наибольшее снижение урожая - на 66,1% (Холодный, 1949).

Исследования стекающей с колосьев дождевой воды они показали присутствие в ней сахара. Однако, дождевание в разные периоды зрелости растений дало неодинаковые результаты в отношении конечного снижения урожая. Дождевание в фазе ранней молочной спелости приводило к снижению урожая упомянутых культур от 21,9 до 48,5 %, а дождевание на более поздней фазе молочной спелости - от 16,4 до 25,8 (Холодный, 1949).

Таким образом, делает он вывод, что неблагоприятные погодные условия (повышенная влажность и температура) приводят к значительным сдвигам биохимических процессов при формировании и после созревания зерна. При этом происходит вымывание из зерна органических веществ, что ухудшает его качедальней, ухудшению мукомольных и хлебопекарных качеств).

В дальнейшем, благодаря результатами исследований Э. И. Буряковой, М. С. Дунина (1971,) и С. К. Темирбековой (1978), было установлено, что потери питательных веществ при истекании зерна обусловлены не только эк-зоосмотическими процессами, а в значительно большей мере новообразованиями растворимых веществ в результате гидролиза полимеризованных продуктов фотосинтеза. При этом как они отмечают, что в результате гидролитических процессов в клетках зерновок повышается осмотическое давление, приводящее к эндоосмосу воды и увеличению гидроосмотического давления. Все это приводит к образованию микротрещин в клеточных стенках и разрывов в семенных оболочках. Через них сахаристая жидкость выдавливается на поверхность зерна и чешуек колосков. Все это создает питательный субстрат, стимулирующий рост и проявление патогенных свойств альтернарии, фуза-риума и других грибов (Бурякова, 1975; Дунин, 1974; 1975; 1976; Дунин, Те-мирбекова, 1978; 1981; 1990; Темирбекова, 1996).

Таким образом, как отмечает С.К. Темирбекова, ЭМИС начинается как неинфекционный патологический процесс под воздействием абиотических факторов, а затем усугубляется факторами биотического (инфекционного) характера. Исследователи отмечают, что величина истекания зависит от сортовой принадлежности растения и технологии возделывания культуры.

Исследования И. В. Маргары (1936) показали различную устойчивость к истеканию, как у сортов ржи, так и ячменя. В дальнейшем другие исследователи потери эти оценили в количественном отношение. У ячменя, например, при одинаковых условиях дождевания одни сорта снижали урожайность зерна на 1,5-10 %, другие - на 20,5-28,5 %. С. Д. Гребенников (1949) отмечал, что наиболее сильно «истекание» отражается на белозерных пшеницах (Вашингтон, Альбидум 3700). Сорта Фильгия, Диамант и Китченер, Сибирские сорта Мильтурум 321, Смена показали среднюю устойчивость. По наблюдениям (Гешеле, 1971) сорт озимой ржи Вятка теряет сухое вещество в дождливые и туманные годы сильнее, чем другие сорта озимой ржи, издавна культивируемые в местных условиях.

Этиологию (причины возникновения болезни) и основные особенности патогенеза (физиолого-биохимические и другие механизмы) углеводно-белкового истощения зерна можно охарактеризовать как сопряженные патологические процессы, вызывающие проявление ЭМИС в две стадии (Дунин,

Темирбекова, 1978).

По мнению академика М.СгДунина представлять этиологию и патогенез энзимо-микозного истощения семян только как следствие патологического повышения активности ферментов зерна было бы ошибочным. Первая стадия болезни сопровождается развитием микозной (И стадии) болезни, где интенсивно участвуют полупаразитные и сапротрофные грибы, виды альтернарии, гельминтоспориума, септории, кладоспориума и фузариума. Споры их, всегда в большом количестве содержащиеся в воздухе, заселяют пленки колосьев и поверхность зерновок. Высокая влажность, благоприятная температура (20-30°С) и образующиеся водорастворимые продукты метаболизма энзим-

ной стадии, заставляют набухать зерно и образовывать микротрещины. Через эти трещины выходит на поверхность зерновок, пленок колоса продукты энзимного разложения и служат для возбудителей болезней идеальным питательным субстратом.

В литературе имеются различные сведения по этиологии болезней колосьев пшеницы. Например Пересыпкин 1979, считаетчто заболевания р