КИЇВСЬКИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ТАРАСА
ШЕВЧЕНКА
КОЖУКАЛО
Валентина Євгенівна
УДК 581.19.577.152.24
Вплив мембрано-активних адаптогенів на ферменти
вуглеводного обміну цукрових буряків
03.00.12 – фізіологія рослин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі фізіології рослин і біотехнології в рослинництві Національного аграрного університету
Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор
БУЛАХ Анатолій Андрійович,
Національний аграрний університет,
завідувач кафедри фізіології рослин і біо- технології в рослинництві
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук,
старший науковий співробітник
ПРОЦКО Рада Феодосіївна,
Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного
НАН України, провідний науковий
співробітник
кандидат сільськогосподарських наук,
старший науковий співробітник
ГОНТАРЕНКО Світлана Миколаївна,
Інститут цукрових буряків,
провідний науковий співробітник
Провідна установа: Львівський державний університет
ім. Івана Франка
Захист відбудеться “ 22 ” червня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.24 Київського університету імені Тараса Шевченка за адресою: 252127, Київ, проспект Глушкова, 2, корпус 12, біофак, ауд.215; Поштова адреса: Київ 252033, вул. Володимирська, 58.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського університету ім. Тараса Шевченка за адресою: вул. Володимирська, 58.
Автореферат розісланий “ 20 ” травня 1999р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Брайон О.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. У системі заходів підвищення продуктивності сільськогосподарських культур велика роль належить використанню біологічно активних речовин. З їх появою стало можливим регулювати фізіологічні процеси у рослин, мобілізувати закладені в їх геномі природою і селекцією потенційні можливості, що реалізуються в умовах інтенсивних технологій.
Основними критеріями ефективності біологічно активних речовин є такі інтегральні показники, як ріст і продуктивність сільськогосподарських рослин. Однак для цілеспрямованого їх використання необхідні знання про вплив цих речовин на основні метаболічні шляхи, результати досліджень, які спрямовані на розкриття механізму дії та вивчення морфогенетичної активності препаратів. Дослідження керування онтогенезом рослин шляхом спрямованого впливу на перебіг фізіологічних процесів, пов’язаних з їх ростом, темпом розвитку, нагромадженням метаболітів, стійкістю до несприятливих умов середовища та іншими функціями, на сучасному етапі є одним з важливих і перспективних напрямів фізіології рослин.
В цьому плані ми вивчали рістрегулюючі сполуки – етамон та тримекс. Етамон в літературі характеризується як стимулятор росту широкого спектру дії з досить високою стабільністю [Жирмунская Н.К. и др., 1991; Приходько Н.В. и др., 1997]. Діюча речовина – диметил фосфорнокислий диметил-біс холін. Препарат пройшов токсиколого-гігієнічні випробування і отримав позитивну оцінку експертної ради. Під час досліджень проявив себе як мембрано-активна сполука з вираженими антистресовими властивостями та здатністю посилювати ріст кореневої системи [Жирмунская Н.К. и др.. 1991; Присяжнюк Л.Н., 1995].
Тримекс- новий перспективний регулятор росту, синтезований в Інституті біоорганічної хімії, є похідною піридину. В 1994 році цей препарат пройшов перевірку на озимій пшениці і проявив себе як мембрано-активна сполука з антистресовими властивостями [Присяжнюк Л.Н., 1995]. На посівах цукрового буряка використовується вперше.
Цукровий буряк в Україні є однією з найважливих продовольчих сільськогосподарських культур. Особливості фізіологічного розвитку даної культури дають можливість вивчати дію рістрегулюючих сполук не тільки на таки інтегральні показники, як ріст і розвиток, але і простежити формування важливого якісного показника – цукоронакопичення. В 1991-1992 рр. проводилися комплексні дослідження дії етамону на продуктивність цукрових буряків [Приходько Н.В. и др., 1997]. Але при цьому не вивчався вплив цих речовин на біохімічні процеси, що приймають участь у цукронакопиченні. Проте знання про них є необхідною умовою для подальшої розробки засобів збільшення цукристості та продуктивності цієї культури.
Мета і завдання досліджень. Основною метою роботи було вивчення впливу синтетичних біологічно активних сполук – етамону та тримексу (при включенні їх в композиційні суміші для обробки насіння) на активність ключових ферментів вуглеводного обміну та ростові процеси, які забезпечують продуктивність цукрових буряків.
Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі завдання:
1) з’ясувати специфіку дії передпосівної обробки насіння етамоном та тримексом на процеси росту і розвитку цукрових буряків;
2) дослідити зв’язок між активністю сахарозофосфатсинтази та динамікою нагромадження вуглеводів в листках цукрових буряків під впливом досліджуваних речовин;
3) вивчити вплив обробки насіння етамоном і тримексом на ферменти метаболізму сахарози в коренеплодах цукрових буряків – сахарозосинтазу та інвертазу;
4) визначити та порівняти морфогенетичну активність досліджуваних препаратів.
Наукова новизна досліджень. Вперше встановлена специфіка дії етамону і тримексу на метаболізм вуглеводів та активність ферментів вуглеводного обміну.
Показано збільшення активності сахарозофосфатсинтази в листях цукрових буряків під впливом цих речовин, що може бути пов’язане з їх стимулюючою дією на ріст кореня і регуляцією активності ферменту кінцевим продуктом реакції за рахунок більш інтенсивного відтоку дисахариду в коренеплід.
Вперше встановлено, що під впливом етамону збільшується активність оберненої сахарозосинтазної реакції.
Виявлено затягнення циклу розвитку цукрових буряків під впливом етамону, про що свідчить висока активність сахарозофосфатсинтази в листях і сахарозосинтази у коренеплодах цукрових буряків в період збору врожаю.
Отримано докази стимулюючої дії етамону і тримексу на активність інвертази в молодих корінцях цукрових буряків.
На підставі модельних дослідів виявлена здатність етамону та тримексу збільшувати кількість клітин, які знаходяться в стадії поділу та встановлено відмінність оптимальних концентрацій досліджених регуляторів росту для досягнення цього ефекту.
Результати досліджень розширюють існуючі уявлення про механізм дії нових рістрегулюючих адаптогенів – етамону і тримексу. Одержані дані характеризують взаємозалежність між активністю ферментів і продуктивністю цукрових буряків та обґрунтовують більш ефективне впровадження нових препаратів у виробництво.
Практичне значення роботи та реалізація результатів досліджень. Одержані дані щодо впливу мембрано-активних адаптогенів на активність ключових ферментів вуглеводневого метаболізму можуть бути використані при розробці ефективних елементів новітніх прогресивних технологій вирощування цукрових буряків та технологічних реґламентів їх практичного застосування.
На основі результатів дослідження запропоновано:
1. Рекомендувати застосовувати обробку насіння етамоном у дозах, що не перевищують 100 мл/т, оскільки більш високі його концентрації можуть призводити до збільшення числа нестандартних коренеплодів.
2. При застосуванні на посівах цукрових буряків етамону доцільно дотримуватись більш пізніх строків збору врожаю.
3. Рекомендуємо при випробуванні нових регуляторів росту на посівах цукрових буряків перед збором врожаю проводити тест на активність ферментів (сахарозосинтази, сахарозофосфатсинтази) для визначення оптимальних строків збирання врожаю та можливості тривалого зберігання коренеплодів.
4. Провести виробничі випробування з метою отримання матеріалів для реєстрації тримексу як регулятора росту, який забезпечує стійке підвищення продуктивності цукрового буряка.
Апробація роботи. Результати досліджень доповідались на щорічних засіданнях Вченої ради факультету агрохімії та ґрунтознавства НАУ(1994-1996 рр.); на наукових конференціях професорсько-викладацького складу та аспірантів НАУ в 1994-1996рр.; на науковій конференції, присвяченій 50-річчю Інституту фізіології рослин та генетики (Київ, 1996); на міжнародній конференції “Регуляторы роста в свекловодстве” (Ін-т цукрових буряків, 1996); на міжнародному симпозіумі “Екологічні та економічні проблеми застосування засобів хімізації” (Умань, 1997); на біохімічному з’їзді НАУ (Київ, 1997).
Особистий внесок дисертанта в одержання результатів, викладених у дисертації. Автором особисто було проведено: аналіз літературних джерел, лабораторні, вегетаційні та польові досліди, фенологічні спостереження, біохімічні і цитологічні аналізи, досліди на культурі тканин. Узагальнено експериментальні дані та проведено їх статистичну обробку.
Дисертант висловлює вдячність старшому науковому співробітнику відділу біохімії рослин Інституту фізіології рослин і генетики АН УССР, к.б.н. В.Д.Сакало; викладачам кафедри фізіології рослин та біотехнології Національного аграрного університету к.б.н. Л.В.Желтоноській та к.б.н. Р.Г.Кіямовій за допомогу в освоєнні методик.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 145 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, огляду літератури, експериментальної частини, обговорення, висновків, пропозицій, списку літератури (301 джерело, з них 118 іноземних). Робота містить 19 рисунків та фотографій, 17 таблиць та 5 додатків.
Публікація результатів досліджень. Основні положення дисертації викладено в п’яти наукових статтях та в одних тезах.
ЗМІСТ РОБОТИ
У розділі “Огляд літератури” на основі літературних джерел висвітлено сучасні уявлення з питань дії біологічно активних речовин на ріст і розвиток рослинного організму та засоби його регуляції, наведено результати досліджень впливу етамону і тримексу на фізіолого-біохімічні показники рослин.
Зроблено ретельний огляд питання про місце вуглеводного обміну в формуванні продуктивності цукрових буряків та розглянуті можливі напрями його регуляції.
Матеріали та методи дослідження. Об’єктом досліджень були рослини цукрових буряків гібриду “Ювілейний”.
Вивчення впливу етамону і тримексу на продуктивність цукрових буряків здійснене на базі науково-дослідного НВО “Еліта” Тернопільської області протягом трьох років (1994 – 1996), за схемою:
1. Контроль (ТМТД 4 кг/т + фуродан 30 л/т).
2. Етамон, 100 мл/т.
3. Тримекс, 2 г/т.
Препарати додавали в суміш фуродана і ТМТД безпосередньо перед обробкою. Передпосівну обробку насіння проводили на малогабаритній машині для обробки насіння.
Вегетаційні та лабораторні досліди виконувались на кафедрі фізіології та біотехнології в рослинництві Національного аграрного університету. Вегетаційний дослід закладали в посудинах місткістю 12 кг з темно-сірим опідзоленим ґрунтом, куди вносили поживну суміш ВНІЦ. Повторність досліду 10-кратна, полив – до 60 % польової вологоємкості.
У дослідах проводили фенологічні спостереження, визначали посівні якості насіння: енергію проростання та схожість (ДСТУ-2292-93), масу 100 рослин у фазах “вилочка” і однієї пари справжніх листків (Методика ВНІЦ, 1995). Цукристість коренів визначали на поточній лінії “Венема” методом холодної дигестії в лабораторії Хоростківського цукрового заводу.
У дисертаційній роботі використовували біохімічні, біотехнологічні та цитогенетичні методи досліджень.
Протягом вегетації визначали у листках та коренеплодах цукрових буряків вміст цукрів за методикою Починка Х.Н. [1976]. Одночасно визначали активність ферментів: сахарозофосфатсинтази (УДФГ: D-фруктозо-6-фосфат-2-глюкозилтранс-фераза – К.Ф. 2.4.1.14) в листках; сахарозосинтази (УДФГ: D-фруктозо-2-глюкозилтрансфераза – К.Ф. 3.2.1.13) – пряма й обернена реакції, та інвертази (УДФГ: В-D-фрукто-фуранозид-фруктогидролаза – К.Ф. 3.2.1.26) кислої й лужної – в коренеплодах цукрових буряків.
Сахарозофосфатсинтазу виділяли з листків середнього ярусу без великих жилок за методом, описаним Fieuw [1987]. Наважку 5г фіксували рідким азотом та розтирали з 30 мл 50мМ Hepes-KOH буфера, рН-7,5, з додаванням 5 ммоль/л MgCl2, 2 – ЕДТА, 10 ммоль/л – ДДТ, 2,0 % ПЕГ-20000 і 2 % нерозчинного полівинілпиролідона, центрифугували 40хв при 9000 g. Інкубаційну суміш об’ємом 0,2 мл витримували 30хв при 370С. Активність ферменту визначали резорциновим методом [Roe, 1934].
Виділення та часткову очистку інвертази і сахарозосинтази з коренеплодів цукрових буряків проводили за методикою, яка описана Сакало В.Д.[1995]. Вміст білка визначали за методом Лоурі [Lowry, 1951], активність кислої та лужної інвертази – за вмістом звільненої фруктози [Somoggi, 1952], активність сахарозосинтази – за методикою Павлінової і Прасолової [1970]. Активність ферментів визначали у мікромолях утвореної сахарози (пряма реакція) і фруктози (обернена реакція) на 1 мг білка за годину.
При вивчені морфогенетичної активності препаратів використовували модельні рослинні об’єкти. Так, дослідження мітотичної активності проводили на 3-денних проростках гороху сорту “Богатир Чеський”. Насіння пророщували в чашках Петрі у водних розчинах з добавками етамону і тримексу в концентраціях 2х10-6 М та 4 х 10-6М. Мітотичний індекс визначали на давлених препаратах [Гостімський, 1974].
Культуру ізольованих експлантатів топінамбура використовували як тест-систему на ауксини [Miller, 1963]. Для досліду брали дві концентрації препарату. Схема досліду була такою:
1. Контроль, без індолілоцетової кислоти (ІОК).
2. Контроль, ІОК 2х10-6М.
3. Тримекс 2х10-6М;
4. Тримекс 4х10-6М;
5. Етамон 2х10-6М;
6. Етамон 4х10-6М.
Експлантати вирощували в термостаті 21 день при 260С і вологості повітря 70-80%. Клітини підраховували в камері Фукса-Розенталя за методом Брауна [Обручева Н.В., 1965]. Досліди закладали 5 разів протягом року у 10-кратній повторності.
Для дослідження цитокінінової активності нами була введена в культуру калусна тканина сої сім’ядольного походження. В стерильних умовах шматочки калуса висаджували на поживне середовище за тією ж схемою, що і в попередньому досліді, але за контроль брали середовище з кінетином [Miller, 1953]. Повторність досліду 12-кратна.
Аналіз літературних джерел і результатів дослідів переконливо свідчать, що ефективність регуляторів росту значною мірою залежить від природних умов [Кулик Г.А., 1995; Гонтаренко С.Н., 1989]. Тому в даному розділі нами розглядаються кліматичні умови, при яких були проведені польові досліди в 1994 – 1996 рр. Математичну обробку результатів досліджень проводили методом дисперсійного аналізу на ЕОМ [Доспехов , 1986], статистичну обробку біохімічних аналізів – з обчислюванням довірчого інтервалу [Кокунин В.А., 1975].
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
1. Продуктивність цукрових буряків при використанні біологічно активних речовин. Енергію проростання та схожість насіння, за даними вегетаційного досліду, найбільш посилювало використання тримексу: ці показники у даному варіанті становили відповідно 67 та 68,3 %, що на 18 % і 10 % вище ніж у контролі. При обробці насіння етамоном енергія проростання та схожість зростали на 9% і 6% відносно до контролю. Аналогічні результати були отримані і в польовому досліді. В середньому за 3 роки польова схожість була вищою на 10,3 % у варіанті з тримексом і на 5,6 % – у варіанті з етамоном порівняно з контролем (65,7%).
Суттєвим показником у визначенні впливу обробки насіння біологічно активними речовинами на ріст і розвиток рослин є динаміка нарощування їх маси. У наших дослідах у фазі “вилочка” найслабші рослини були в контрольному варіанті – 6,2 г, а найбільш розвинуті – у варіанті, де насіння було оброблене етамоном. Різниця з контролем складала 1,6 г, а в варіанті, де насіння обробляли тримексом, – 1,1г. Стимулююча дія регуляторів росту зберігається і в подальших фазах вегетації цукрових буряків, але різниця між варіантами дещо нівелюється.
У ході фенологічних спостережень встановлено, що фаза трьох пар справжніх листків наступає в дослідних варіантах на 3-4 дні раніше, ніж у контрольному. Відмічався і більш інтенсивний розвиток наземної частини рослин. Так, за даними вегетаційного досліду 1994р., маса листя рослин контрольного варіанту на кінець вегетації становила 560 г, дослідних – 640 г (обробка етамоном) і 630 г (обробка тримексом). Така ж закономірність спостерігалась у 1995 р. – на контролі – 688 г, в досліді – відповідно 790 г і 772 г.
Основним критерієм оцінки застосування регуляторів росту є продуктивність культури: врожай коренеплодів та їх цукристість. У середньому за період досліджень збільшення рівня врожайності за рахунок регуляторів росту становило 10-11% (табл.1).
Таблиця 1
Урожайність коренеплодів цукрових буряків при обробці насіння
регуляторами росту
Варіант Урожайність, ц/га
досліду роки проведення дослідів Різниця з контролем
1994 1995 1996 середнє абсолютна, ц/га відносна, %
Контроль 451 301 419 390 – –
Етамон 504х 347х 444 431х + 41 + 10,5
Тримекс 498х 346х 454 433х + 43 + 11,0
НІР 095 13,1 15,7 11,6 16,6
Примітка. х) Р 0,05.
Підвищуючи урожайність, тримекс практично не впливав на вміст цукру в коренеплодах, а при застосуванні етамону спостерігалась тенденція до зниження цукристості: вміст сахарози в коренеплодах у цьому варіанті в усі роки проведення польових дослідів був на 0,3-0,4 % нижчим, ніж у контролі (табл.2). Таким чином, включення в композиційну суміш для обробки насіння цукрових буряків етамону і тримексу забезпечило більший збір цукру з одиниці площі (на 7,3 та 6,8 ц/га) за рахунок збільшення маси коренеплодів.
Таблиця 2
Цукристість коренеплодів цукрових буряків при обробці насіння
регуляторами росту
Варіант Цукристість, % Збір цукру, ц/га
досліду 1994 рік 1995 рік 1996 рік сере-днє 1994 рік 1995 рік 1996 рік сере-днє Різниця з контролем
Контроль 16,5 15,4 15,5 15,8 68,4 46,3 64,9 59,9 –
Етамон 16,2 15,0 15,1 15,4 83,2 52,0 66,6 67,2 + 7,3
Тримекс 16,4 15,2 15,5 15,7 77,2 52,6 70,3 66,7 + 6,8
НСР 095 5,1 4,0 4,3 3,6 4,2
2. Вивчення динаміки накопичення вуглеводів та активність сахарозофосфатсинтази у листках цукрових буряків. Продуктивність цукрових буряків обумовлена динамікою донорно-акцепторних взаємовідносин між органами цілої рослини. Так, зростання коренеплодів і нагромадження в них цукру пов’язане, насамперед, з рівнем синтезу сахарози в листках, який здійснюється за допомогою сахарозофосфатсинтази (СФС). Лист цукрового буряка починає функціонувати як джерело асимілятів після досягнення 40-50 % свого розміру [Giaquinta, 1980]. Саме в цей період в листовій пластинці з’являється СФС, активність якої досягає максимуму в період інтенсивного цукронакопичення [Павлинова О.А., 1986], що підтверджується даними наших досліджень (рис.1). Передпосівна обробка насіння етамоном стимулювала активність ферменту в 1,5-2 рази протягом всієї вегетації. В дослідах з тримексом ефект стимуляції проявляється слабше і має інший пік активності. Так, на відміну від контролю та варіанту з етамоном, пік активності ферменту припадає на фазу 10-12 пар листків і підтримується на такому високому рівні до кінця вегетації.
Фази розвитку: 1 – 4,5 пари листків; 2 – 10-12 пар листків; 3 -за місяць до збирання врожаю; 4 – збір врожаю.
Коливання активності СФС у клітині може регулюватися рівнем її субстратів – моноцукрів [Курсанов А.Л., 1982] та кінцевим продуктом реакції – сахарозою [Pontis, 1980].
Дослідження динаміки накопичення відновлюючих вуглеводів у листках цукрових буряків протягом вегетації показало, що як у контрольному , так і в дослідних варіантах переважає фракція моноцукрів, вміст їх коливається нерівномірно, дещо підвищуючись на кінець вегетації. У дослідах, де в суміш для обробки насіння додавали етамон, сума відновлюючих цукрів була в 1,5-1,7 рази вища, ніж у контрольному варіанті. Збільшення цієї фракції вуглеводів у листовій пластинці супроводжується збільшенням активності СФС. Цей факт можна пояснити регуляцією активності ферменту на рівні субстрату.
У дослідах з тримексом кількість моноцукрів зростала в 1,2-1,4 рази в порівнянні з контролем. Виняток склав лише період технічної стиглості за місяць до збирання врожаю, коли цей показник не мав суттєвої різниці з контролем. Отриманні дані співпадають з динамікою активності СФС, в цей час активність ферменту перебуває на рівні контролю.
У дослідах з етамоном спостерігалась висока активність СФС, але вміст сахарози в листках знижувався (рис.2). Це явище перебуває у тісному зв’язку з дією одного з фізіологічних механізмів регуляції синтезу сахарози у фотосинтезуючих клітинах – відтоком дисахариду в споживаючі органи. У варіанті , де насіння обробляли з використанням тримексу, динаміка вмісту сахарози має таку ж тенденцію, як і в досліді з етамоном, але з менш виявленим ефектом.
Фази розвитку: 1 – 4,5 пари листків; 2 – 10-12 пар листків; 3 -за місяць до збирання врожаю; 4 – збір врожаю
Таким чином, вплив передпосівної обробки насіння етамоном на ключовий фермент синтезу сахарози в листках цукрових буряків – сахарозофосфатсинтазу – проявляється на всіх етапах онтогенезу. В дослідах з тримексом ефективність стимуляції слабша і має суттєве значення тільки у першій половині вегетації та перед збиранням урожаю.
Аналіз показників динаміки вуглеводів у листовій пластинці в варіанті з етамоном дозволяє передбачити можливість регуляції активності СФС на рівні субстрату та продуктом реакції за рахунок більш інтенсивного відтоку сахарози у коренеплід.
3. Вплив обробки насіння етамоном та тримексом на метаболізм сахарози в коренеплодах цукрових буряків. Сахароза – основна транспортна та запасаюча форма вуглеводів у цукрових буряків. Надійшовши до запасаючої паренхіми кореня, приблизно 70 % сахарози відкладається в вакуолях, а решта піддається ферментативному розщепленню і йде на ріст та підтримку життєдіяльності органу [Павлинова О.А., 1986]. Використання сахарози в метаболізмі коренеплоду відбувається за допомогою сахарозосинтази та інвертази.
На ранніх етапах вегетації реакція розщеплення сахарози відбувається лише за рахунок активності інвертази, оскільки активність сахарозосинтази у 10-20-денних проростків відсутня [Дубинина И.М. и др., 1981]. За нашими даними (рис.3), активність кислої інвертази була максимальною у фазу “вилочки”. Саме в цей час передпосівна обробка насіння регуляторами росту стимулювала активність ферменту з 0,5 до 1,4 мкМоль фруктози /1мг білка на годину у варіанті з етамоном і до 1,2 мкМоль – у варіанті з тримексом. Уже через два тижні у фазі 1 пари справжніх листків активність кислої інвертази значно знижувалась як в контрольному, так і в дослідному варіантах. Однак стимулюючий ефект регуляторів у цей період залишається сталим: активність ферменту в варіанті з етамоном перевищувала контроль в 2,4 рази, у варіанті з тримексом – в 2рази. Починаючи з фази 4-5 пар листків і до кінця вегетації, активність кислої інвертази була практично відсутня як в дослідних, так і в контрольному варіантах.
Фази розвитку:
1.-фаза “вилочки”;
2.- 1 пара справжніх листків;
3.- 4,5 пари листків;
4. – 10-12 пар листків;
5. – за місяць до збирання врожаю;
6. – збір врожаю.
Активація кислої інвертази на ранніх етапах розвитку забезпечує постачання моноцукрів для росту молодого коренеплоду, а підтримка її на низькому рівні в другу половину вегетації потрібна для подальшого зберігання сахарози.
За нашими даними лужна інвертаза залишається активною протягом усієї вегетації (рис.4), що може пояснюватись її участю в процесі цукронакопичення [Сакало В.Д. и др., 1995]. На 24-день вегетації, у фазі 1 пари справжніх листків, з’являється помітний пік активності, в той час як активність кислої інвертази спадає. Стимуляція лужної інвертази при використанні єтамону та тримексу спостерігалася тільки у молодих проростках цукрових буряків. У варіанті з етамоном вона зросла в 2,4 рази, з тримексом – у 2 рази порівняно з контролем.
Фази розвитку: 1. – фаза “вилочки”; 2.- 1 пари справжніх листків; 3. – 4,5 пари листків; 4. – 10-12 пар листків; 5. – за місяць до збирання врожаю; 6. – збір врожаю.
Таким чином, вплив передпосівної обробки насіння біологічно активними речовинами на активність інвертази в коренеплоді цукрового буряка проявляється тільки на початку вегетації, що відповідає фізіологічним особливостям розвитку даної культури.
Здатність коренеплоду зберігати високий рівень цукристості є результатом спеціалізації метаболізму клітин кореню, одним з проявів якого є репресія синтезу інвертази і використання сахарози через сахарозосинтазний шлях. У корені, де акумуляція сахарози і ростові процеси відбуваються одночасно, сахарозосинтаза (СС) відіграє ключову роль у розподілі транспортованого з листя дисахариду між накопиченням і використанням для росту.
Проведені дослідження показали, що СС коренів цукрових буряків по-різному реагує на дію досліджуваних препаратів. Так, етамон стимулює активність ферменту, спрямованого на розщеплення дисахариду (рис.5). Відзначалась висока активність ферменту протягом усієї вегетації, тоді як у контрольному варіанті вона досягає максимуму тільки в період інтенсивного цукронагромадження та росту коренеплоду. В фазі 3-4 пари листків активність ферменту, спрямованого на розщеплення сахарози, під впливом етамону збільшується в 2 рази, а в процесі подальшого розвитку дещо зменшується, тоді як у контрольному варіанті відбувається поступове нарощування активності. У фазі технічної стиглості активність ферменту по варіантах не мала суттєвих розбіжностей. Необхідно відзначити, що в цей період у контрольному варіанті спостерігається пік активності з його подальшим зниженням, тоді як у варіанті з етамоном активність ферменту не спадає і залишається високою до кінця вегетації.
Фази розвитку: 1. – 4,5 пар листків; 2. – 10-12 пар листків; 3. – за місяць до збирання врожаю; 4. – збір врожаю.
У реакції синтезу сахарози суттєвих змін активності СС в коренеплодах цукрових буряків при обробці регуляторами росту не виявлено. У варіанті з тримексом активність ферменту як у прямій, так і в зворотній реакціях не мала суттєвих коливань, залишаючись в межах контролю протягом усієї вегетації.
Отже, етамон стимулює активність СС, спрямовану на розщеплення дисахариду. Як наслідок цього процесу, утворюються УДФГ і фруктоза. УДФГ використовується в корені для ростових процесів – синтезу поліцукрів клітинних стінок, фруктоза – в процесі дихання.
4. Перевірка дії єтамону та тримексу на морфогенетичну активність. Аналізуючи результати дослідів, які представлені в попередних розділах, можна припустити, що збільшення врожайності цукрових буряків у дослідних варіантах грунтується на різних механізмах дії етамону і тримексу на рослинний організм.
У літературних джерелах є дані, що апікальна меристема рослини є домінуючим центром регуляції на рівні організму [Горовая А.И., 1988]. Оскільки вплив на генетичний матеріал критичних тканин може визначати наступні зміни всього онтогенезу рослин, ми вивчали дію етамона та тримекса на мітотичну активність модельного об’єкту – апікальної меристеми корінців проростків гороху. Аналіз одержаних даних свідчить про різний вплив досліджених препаратів на процеси поділу клітини. Так, тримекс у концентрації 2х10-6М збільшував кількість клітин, які діляться, з 7,4 до 9,9%. Підвищення концентрації препарату в середовищі не впливало на мітотичну активність тканини. При вирощуванні проростків на середовищі з етамоном число клітин, які діляться, збільшувалося з 7,2 до 9,0 %, а при підвищенні концентрації – до 12,1 %. Мітотична активність у цьому варіанті позитивно корелює з інтенсивністю лінійного росту проростків. Так, із збільшенням в середовищі концентрації препарату збільшувалося число клітин, які діляться, в наслідок чого спостерігалося посилення інтенсивності лінійного росту проростків. Треба відзначити, що в концентраціях 1 х 10-6М етамон та тримекс не проявляли стимулюючої або інгібіторної дії. (рис.6).
1.Контроль (дист. вода)
2. Тримекс 1 х 10-6М
3.Тримекс 2 х 10-6М
4.Тримекс 4 х 10-6М
5. Етамон 1 х 10-6М
6.Етамон 2 х 10-6М
7. Етамон 4 х 10-6М
Рис.6 Лінійний ріст кореня проростків гороху (кривою на рисунку відображена величина мітотичного індексу, %).
Вивчення дії препаратів на ріст експлантатів топінамбура показало, що етамон та тримекс стимулюють ростові процеси в порівнянні з контролем, середовище якого не містить індолілоцетової кислоти, хоча і не проявляють виражену ауксинову активність. Так, маса експлантатів на середовищі з тримексом збільшувалась на 71 %, а при більш високій концентрації – на 40 %. Етамон стимулював ріст зі збільшенням концентрації препарату в середовищі на 100 та 117 %. Чистий приріст маси експлантатів на середовищі з ауксином був в 2,6 рази вищий, ніж з тримексом, і в 2 рази порівняно з етамоном. Слід відзначити, що етамон збільшував масу експлантантів топінамбура на 17 % в порівнянні з тією ж концентрацією тримексу, а при збільшенні вмісту препарату в середовищі ця різниця становила 55 %. Таким чином, етамон проявляє більш виражену ауксинову і морфогенетичну активність, ніж тримекс. Очевидно, що препарати працюють у різних діапазонах оптимальних концентрацій.
При реєстрації росту за біомасою залишається невизначеним, за рахунок чого відбувається ріст – за рахунок збільшення числа клітин чи їх розміру. Підрахунок клітин показав, що в експлантатів топінамбура, які культивували на середовищі з етамоном, число клітин збільшилося в 4 рази порівняно з контролем, який не містив ІОК, а при подальшому збільшенні концентрації – в 4,5 рази. У варіанті з тримексом число клітин в експлантаті збільшується відповідно в 2,4 і в 1,8 рази.
Беручи до уваги дані про мітотичну активність та результати підрахунку клітин, можна стверджувати, що етамон та тримекс обумовлюють стимуляцію росту внаслідок збільшення кількості клітин, які діляться. В дослідах з тримексом ефект стимуляції значно слабший і має інші концентраційні межі.
Результати перевірки препаратів на цитокінінову активність у біотестах на калусній тканині сої показали, що збільшення маси калуса в дослідних варіантах не спостерігається, але відбувається процес активного різогенезу. В дослідах із тримексом з збільшенням дози препарату в середовищі маса калуса дещо зростала, а процес різогенезу суттєво уповільнювався. У варіанті, де в поживне середовище замість кінетину додавали етамон, інтенсивність різогенезу зростала зі збільшенням концентрації препарату.
Узагальнення. Результати проведеної нами роботи свідчать про різні механізми дії етамону та тримексу на рослинний організм. Дані польових дослідів та біохімічних досліджень вказують на те, що збільшення продуктивності цукрових буряків під дією тримекса пов’язане з активізацією метаболізму в перший період вегетації та інтенсифікацією ростових процесів. Про це свідчить: збільшення енергії проростання на 18%, схожості на 10%, зростання активності кислої інвертази в перший період вегетації в 2-2,4 рази, лужної – 2 рази. Активація метаболізму на ранніх фазах розвитку сприяє підготовці молодого коренеплоду до цукоронакопичення. Тримекс стимулює активність СФС в 1,2-1,4 рази на протязі вегетації, але не впливає істотним чином на активність сахарозосинтази, як в напрямку синтезу, так і розщеплення сахарози.
Вплив етамону на посівні якості насіння був дещо слабшим: енергія проростання зростає на 9%, схожість – на 6%, але дія препарату на ферменти вуглеводного обміну була більш виражена, ніж у варіанті з тримексом: активність кислої інвертази збільшувалась в 2,4-2,8, лужної – 2,4 рази, активність СФС в 1,5-2 рази. Специфічним ефектом етамону було зростання активності оберненої сахарозосинтазної реакції у коренеплодах. На відміну від контролю, висока активність цього ферменту зберігалась навіть в період збору врожаю. Така особливість дії етамону свідчить про незавершеність процесу визрівання коренеплодів. Це вказує на потребу більш пізніх строків збирання врожаю цукрових буряків при застосування етамону.
На підставі результатів визначення мітотичної активності тканини, а також біотестів на ауксинову та цитокінінову властивості можна стверджувати, що етамон має сильнішу ніж тримекс, морфогенетичну активність. Препарат стимулює ріст за рахунок збільшення кількості клітин, які діляться. Ймовірно, в наслідок цього активуються процеси, пов’язані з поставкою субстратів для росту. Враховуючи, що в дослідах з етамоном при вивченні його впливу на ферменти вуглеводного обміну спостерігалася висока активність сахарозосинтази в напрямку розщеплення сахарози, а продукт цієї реакції УДФГ використовується для побудови клітинних стінок, можна припустити, що вплив етамону на СС в коренеплоді цукрових буряків є наслідком активації процесів, що стимулюють поставку субстрату для побудови клітинних стінок.
Етамон входить до списку препаратів, дозволених для застосування в сільському господарстві на посівах цукрових буряків, тому необхідно відзначити, що при врахуванні врожаю у польовому досліді 15 % рослин мали нестандартний, розгалужений коренеплід. Враховуючи літературні дані про вплив етамону на ріст кореневої системи [Жирмунская Н.К. и др., 1991] і результати наших дослідів про зростання морфогенетичної активності з підвищенням концентрації препарату, потрібно рекомендувати застосування етамону на посівах цукрових буряків тільки у вузькому діапазоні концентрацій. За максимальну необхідно брати дозу 100 мл/т насіння, оскільки з підвищенням концентрації зростає ймовірність збільшення кількості нестандартних коренеплодів.
ВИСНОВКИ
1. Передпосівна обробка насіння етамоном і тримексом підвищує продуктивність цукрових буряків за рахунок збільшення маси коренеплодів, що забезпечує підвищення збору цукру з одиниці площі на 11-12%.
2. Обробка насіння етамоном та тримексом суттєво впливає на динаміку вуглеводів у листовій пластинці, що супроводжується зростанням активності сахарозофосфатсинтази. Обробка насіння етамоном стимулювала активність сахарозофосфатсинтази в листках у 1,5-2 рази протягом усієї вегетації. В дослідах з тримексом ефект стимуляції виражений слабше.
3. Внаслідок дії досліджених препаратів зростає активність кислої та лужної інвертази у проростках цукрових буряків в 2-2,4 рази.
4. Етамон значно підвищує активність оберненої сахарозосинтазної реакції в коренеплодах цукрових буряків. Про це свідчить зростання активності ферменту на початковій стадії розвитку в 2 рази і підтримка її на високому рівні до кінця вегетації. Обробка насіння тримексом не впливає на активність сахарозосинтази.
5. Встановлена висока активність сахарозофосфатсинтази (на 60% вище, ніж у контролі) та сахарозосинтази (на 40%) під впливом етамону під час вбирання врожаю, що свідчить про незакінчений цикл розвитку рослин цукрового буряку і необхідність дотримання більш пізніх строків збору врожая.
6. Етамон та тримекс по різному впливають на мітотичну активність тканини та мають відмінну морфологічну активність. Препарати працюють у різних діапазонах оптимальних концентрацій.
7. На підставі отриманих даних про підвищення морфогенетичної активності етамону з збільшенням дози препарату вважаємо, що етамон на посівах цукрових буряків слід використовувати в вузькому діапазоні концентрацій (80-100 мл/т насіння).
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Приходько Н.В., Булах А.А., Кожукало В.Є., Варавкін В.О. Етамон – новий високоефективний регулятор росту // Науковий вісник Національного аграрного університету. – 1997. – №2. – С.32-39.
2. Кожукало В.Є. Активність сахарозосинтетази в коренеплодах цукрових буряків у результаті дії екзогенних регуляторів росту // Там же. – 1997. – №2. – С.44-47.
3. Кожукало В.Є. Вплив біологічно активних речовин на динаміку накопичення вуглеводів та активність сахарозофосфатсинтази в листках цукрових буряків // Вісник аграрної науки. – 1998. – №6. – С.77-78.
4. Кожукало В.Є., Булах А.А., Варавкін В.О. Вплив синтетичних регуляторів росту на продуктивність цукрових буряків і активність інвертазного білка // Збірник наукових праць Уманської сільськогосподарської академії. – К.: 1997. – С. 185 – 187.
5. Кожукало В.Є., Варавкін В.О. Вплив передпосівного обрабітку насіння фізіологічно активними речовинами на продуктивність цукрового буряка // ІV Конференція молодих вчених “Актуальні проблеми фізіології рослин і генетики”, Київ, 9-11 жовтня 1996 р.: Тези доп. – К.: ІФРГ НАН України, 1996. – С.55-56. (о.в. 60%)
6. Білоножко М.А., Варавкін В.О., Кожукало В.Є. Вплив гумату калію на продукційні процеси ярого ячменю // Науковий вісник Національного аграрного університету. – 1998. – №10. – С.62-68.
АНОТАЦІЯ
Кожукало В.Є. Вплив мембрано-активних адаптогенів на ферменти вуглеводного обміну цукрових буряків. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. – Київський університет імені Тараса Шевченка, Київ, 1999.
Дисертація присвячена питанням впливу передпосівної обробки насіння біологічно активними речовинами на ферменти вуглеводного обміну цукрових буряків. У роботі розглянуті можливості спрямованого впливу нових синтетичних регуляторів росту на продуктивність даної культури. Встановлено, що досліджувані біологічно активні речовини – етамон та тримекс – збільшують активність сахарозофосфатсинтази в листках цукрових буряків протягом вегетації та призводять до кількісних змін у складі цукрів.
Виявлені розбіжності у дії етамону і тримексу на ферменти метаболізму сахарози в коренеплоді цукрових буряків, які обумовлені відмінностями в морфологічній активності препаратів.
Отримані експериментальні данні є теоретичною передумовою для розробки рекомендацій виробництву по створенню оптимальних технологічних реґламентів застосування етамону і тримексу в практиці сільського господарства.
Ключові слова: цукровий буряк, стимулятори росту рослин, ферменти метаболізму сахарози, обробка насіння
АННОТАЦИЯ
Кожукало В.Е. Влияние мембрано-активных адаптогенов на ферменты углеводного обмена сахарной свеклы. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.12 – физиология растений. – Киевский университет имени Тараса Шевченко, Киев, 1999.
Диссертация посвящена вопросам влияния предпосевной обработки семян биологически активными веществами на ферменты углеводного обмена у сахарной свеклы. В работе рассматриваются возможности направленного использования новых синтетических регуляторов роста – этамона и тримекса – для повышения продуктивности сахарной свеклы. Установлено, что хотя эти вещества относят практически к одной группе соединений, обладающих антистресовыми и мембрано-активными свойствами [Присяжнюк, 1995; Приходько и др., 1997], в тоже время они существенно отличаются по спектру действия на отдельные процессы жизнедеятельности сахарной свеклы. Показаны особенности развития растений сахарной свеклы, семена которых были обработаны этамоном и тримексом. Результаты проведенных исследований дают представления об изменениях, происходящих под влиянием этих препаратов на уровне организма, метаболическом и клеточном уровнях, что необходимо учитывать при формировании технологических регламентов их применения.
Тримекс активизирует процессы роста и развития в первый период вегетации. Под его воздействием полевая всхожесть возрастает на 10,3%, энергия прорастания на 18%, стимулируется развитие листового аппарата, рост корнеплода. Этамон повышает полевую всхожесть на 5,6%, энергию прорастания на 9% и так же стимулирует развитие листового аппарата и рост корнеплода. Оба препарата повышают продуктивность сахарной свеклы за счет увеличения массы корнеплода.
На метаболическом уровне различия в действии препаратов проявляются более четко. Под влиянием тримекса увеличивается активность кислой и щелочной инвертазы в первый период вегетации в 2 раза, что положительно коррелирует с физиологическими особенностями развития данной культуры. Этамон увеличивает активность инвертазы в первую половину вегетации в 2,4 раза, а активность сахарозосинтазы, направленную на расщепление дисахарида – в 2 раза, в то время как тримекс не влиял на активность обратной сахарозосинтазной реакции. Оба препарата увеличивают активность сахарозофосфатсинтазы в листьях сахарной свеклы и, возможно, стимулируют отток сахарозы в корнеплод. В варианте с тримексом эффект стимуляции выражен слабее и пик активности приходится на другие фазы развития растений сахарной свеклы, чем в контроле и варианте с этамоном.
Выявленные различия в действии этамона и тримекса на ферменты метаболизма сахарозы в корнеплоде сахарной свеклы коррелируют с особенностями морфогенетической активности препаратов.
Полученные экспериментальные данные явились теоретической предпосылкой для разработки рекомендации производству по созданию оптимальных технологических регламентов применения этамона и тримекса в практике сельского хозяйства.
Ключевые слова: сахарная свекла, стимуляторы роста растений, ферменты метаболизма сахарозы, обработка семян.
SUMMARY
Kozhukalo V.E. Effect of membrane active substances on enzymes carbohydrat exchange in sugar beet.
The dissertation on competition of biological sciences candidat scientific degree on a speciality 03.00.12 – physiology of plants. – Kyiv state University named after Taras Shevchenko, Kyiv, 1999.
The dissertation is devoted to the questions of influence of processing seed pretreatment by biologically active substances on enzymes carbohydrat exchange in sugar beet. In the work the opportunities of the directed influence of new synthetic regulators of growth on efficiency of sugar beet are examined. It is established, that the investigated biologically active substances – etamon and trimex – raise activity sucrose phosphate synhase in leaves of sugar beet during оntogeny, that results in quantitative changes of structure of sugars.
The distinctions in operation of etamon and trimex on enzymes of sucrose metabolism in sugar beet corn are revealed which are caused by difference in morphogenegical activity of preparations.
The received experimental data were the theoretical precondition for the development of recommendation to manufacture in the way of manufacture of the optimum technological rules of application etamon and trimes in practice of an agriculture.
Key words: sugar beet, plant growth stimulators, enzymes of sucrose metabolism, processing of seed.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
