Фізіолого-біохімічні особливості накопичення азоту та формування якості зерна у різних генотипів озимої м’якої пшениці

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

УДК 581.1:577.217:633.11

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Фізіолого-біохімічні особливості накопичення азоту та формування якості зерна у різних генотипів озимої м'якої пшениці

03.00.12 - фізіологія рослин

Київ-2009

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у відділах фізіології та екології фотосинтезу та генетичної інженерії Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, м. Київ

Науковий керівник доктор біологічних наук

Кірізій Дмитро Анатолійович,

Інститут фізіології рослин і генетики

НАН України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук,

член-кореспондент НАН України

Швартау Віктор Валентинович,

Інститут фізіології рослин і генетики

НАН України, завідувач відділу

фізіології живлення рослин

доктор біологічних наук, професор

Кур'ята Володимир Григорович,

Вінницький державний педагогічний

університет імені Михайла Коцюбинського,

завідувач кафедри біології

Захист дисертації відбудеться “21” травня 2009 р. о “12” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 при Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 31/17

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 31/17

Автореферат розісланий “15” квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, Мордерер Є.Ю.

доктор біологічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед провідних сільськогосподарських культур пшениця посідає чільне місце і становить основу харчового раціону населення багатьох країн [Моргун, 2006]. Дослідження активності її фотосинтетичного апарату і азотного статусу особливо актуальні, оскільки несуть цінну інформацію про перебіг продукційного процесу та формування якості зерна [Gyuga, Demagante, 2002; Lawlor, 2002; McKendry, McVetty, 1995]. Прoте аналіз цієї інформації утруднюється великим різноманіттям генотипів (сортів, гібридів, ліній), створених у процесі селекції, що різняться за характером росту і розвитку, продуктивністю, якістю, стійкістю до несприятливих чинників довкілля, ефективністю використання добрив та багатьма іншими фізіологічними ознаками [Применение физиологии в селекции пшеницы, 2007].

Проблема взаємодії між фотосинтезом і азотним обміном у рослин пшениці потребує пильного вивчення, оскільки фотосинтез - це основа продуктивності рослинного організму, а особливості асиміляції та розподілу між органами сполук азоту багато в чому визначають вміст білка в зерні, а отже - його харчову і хлібопекарську цінність [Павлов, 1982, Andersson, Johansson, 2006; Arduini, Masoni, 2006; Barbottin, Lecomte, 2005; Tahir, Nakata, 2005]. Разом з тим, добре відома негативна кореляція між врожайністю пшениці та білковістю зерна спонукає дослідників до пошуку шляхів подолання цього протиріччя у зв'язку з вимогами часу про збільшення виробництва продовольства [Моргун та ін., 2008; Triboi, Martre, 2006].

Вирішення зазначених проблем потребує також вивчення особливостей накопичення компонентів білково-клейковинного комплексу (гліадинів та глютенінів) в процесі формування зерна. Якщо формування гліадинових компонентів вивчено досить добре [Попереля, 1996], то розподіл високомолекулярних глютенінів при дозріванні зернівки з'ясований недостатньо.

Тому дослідження зв'язків між асиміляційною активністю фотосинтетичного апарату та процесами накопичення і ремобілізації азоту у рослин пшениці широкого спектра генотипів, що різняться за якістю зерна, продуктивністю, висотою стебла та іншими особливостями продукційного процесу, для пошуку загальних закономірностей їх перебігу є актуальними і необхідними при виборі шляхів подальшого поліпшення цієї важливої продовольчої культури.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась в рамках науково-дослідних тем: „Застосування білкових та ДНК-маркерів для створення сортів озимої м'якої пшениці” (№ державної реєстрації 0104U007104), „Молекулярно-генетичні маркери в дослідженні якості зерна пшениці” (№ державної реєстрації 0106U006462) та „Особливості фотосинтезу і продукційного процесу у високоінтенсивних генотипів озимої пшениці” (№ державної реєстрації 0106U006464).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було з'ясувати фізіолого-біохімічні особливості асиміляції вуглецю і розподілу азоту в процесі формування продуктивності та якості зерна рослин озимої пшениці різних генотипів для виявлення шляхів їх оптимізації.

Для досягнення цієї мети були поставлені такі завдання:

1. Дослідити особливості функціонування фотосинтетичного апарату та ремобілізації азоту в рослинах озимої пшениці, що відносяться до генотипів, контрастних за якістю зерна.

2. Вивчити параметри асиміляції СО₂ листками та накопичення азоту у вегетативних частинах і зерні рослин пшениці, що різняться за висотою стебла і продуктивністю.

3. Провести аналіз зв'язків між характеристиками фотосинтетичного апарату та процесами накопичення і перерозподілу азоту у широкого спектра рослин озимої пшениці різних генотипів для виявлення загальних закономірностей.

4. Дослідити особливості формування комплексу основних запасних білків - гліадинів та високомолекулярних глютенінів у різних за якістю зерна генотипів озимої м'якої пшениці.

Об'єкт дослідження - продукційний процес рослин озимої м'якої пшениці (Triticum aestivum L.) у зв'язку з якістю зерна.

Предмет дослідження - вуглекислотний газообмін листків, накопичення маси надземними органами та вміст і перерозподіл між ними азоту, елементи зернової продуктивності та накопичення азоту в зернівках, формування комплексу гліадинів і високомолекулярних глютенінів у різних за якістю зерна та продуктивністю генотипів озимої м'якої пшениці.

Методи дослідження - вегетаційні досліди за оптимальних умов водного режиму та мінерального живлення, морфометричні, газометричні, біохімічні, електрофорез у ПААГ.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше показано, що високий вміст азоту, а отже і білка, в зерні озимої м'якої пшениці може формуватися кількома шляхами, в основі яких лежать співвідношення між процесами фотосинтезу, депонування азотовмісних сполук у стеблі та їх ремобілізації при наливанні зерна, а також додаткове поглинання азоту рослиною в період після цвітіння.

Виявлено тісні позитивні зв'язки між інтенсивністю фотосинтезу, накопиченням азоту у листках та стеблах рослин пшениці різних генотипів у фазу цвітіння та кількістю цього елемента в зерні з усього колоса за повної стиглості. пшениця озимий фотосинтетичний азот

Показано, що зернівки високобілкового сорту характеризуються більшим загальним числом електрофоретичних компонентів у спектрі високомолекулярних глютенінів та більшим числом субодиниць з високим показником якості за Пейном, що свідчить про підвищену активність процесів запасання азотовмісних сполук протягом формування зернівки порівняно із низькобілковим сортом.

Практичне значення одержаних результатів. Дослідженнями фізіолого-біохімічних елементів продукційного процесу та формування якості зерна рослин озимої м'якої пшениці 9 генотипів виявлено ланки, фізіолого-генетична оптимізація яких може сприяти подальшому поліпшенню якості та підвищенню врожайності цієї найважливішої продовольчої культури.

До таких ознак відносяться: підвищення депонувальної здатності стебла та інтенсивності фотосинтезу у фази колосіння - цвітіння, подовження активного функціонування фотосинтетичного апарату та підтримання здатності до поглинання азоту в період наливання зерна, підвищення ефективності ремобілізації азотовмісних сполук із вегетативних органів наприкінці вегетації, розширення спектра високомолекулярних глютенінів у зерні та збільшення субодиниць, що відповідають високим показникам якості.

Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто опрацював спеціальну літературу та оволодів необхідними методами досліджень. Особиста участь дисертанта полягає у проведенні вегетаційних дослідів та лабораторних аналізів фізіолого-біохімічних показників, опрацюванні отриманих результатів та підготовці матеріалів до друку разом із науковим керівником. Матеріали дисертаційної роботи одержані здобувачем особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на семінарах відділу генетичної інженерії, на X конференції молодих вчених «Сучасний стан і пріоритети розвитку фізіології рослин, генетики та біотехнології» (Київ, 2007), Міжнародній науково-практичній конференції «Екологія: наука, освіта, природоохоронна діяльність» (Умань, 2007), III Міжнародній науковій конференції студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології» (Львів, 2007), VI Міжнародній науково-практичній конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Шевченківська весна» (Київ, 2008), II Всеукраїнській науково-практичній конференції «Географія та екологія: наука і освіта» (Умань, 2008).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 8 наукових праць, з яких 3 статті у фахових періодичних виданнях та 5 у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, 4 розділів експериментальної частини, узагальнення отриманих результатів, висновків та списку використаної літератури, який включає 204 найменування. Матеріал дисертації викладений на 139 сторінках, ілюстрований 18 таблицями та 21 рисунком.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Огляд літератури

Проаналізовано та узагальнено відомості щодо зв'язків між фотосинтезом, накопиченням азоту в органах рослин пшениці та його ремобілізацією в зерно, а також обговорюються основні показники якості зерна і його білково-клейковинного комплексу.

Матеріали і методи досліджень

Представлені у дисертації експериментальні дані одержано в процесі досліджень, які проводили у 2006-2008 рр. у відділах генетичної інженерії і фізіології та екології фотосинтезу Інституту фізіології рослин і генетики НАН України. З колекції Інституту, створеної під керівництвом академіка НАН України В.В. Моргуна, було взято 9 генотипів озимої м'якої пшениці, контрастних за продуктивністю та якістю зерна: MVM 52-91 (СІАН,Угорщина), Пивна (Інститут фізіології рослин і генетики НАН України), Київська остиста високобілкова (Інститут фізіології рослин і генетики НАН України), Українка 0246 (Миронівський інститут пшениці, старий сорт), Панна (Селекційно-генетичний інститут УААН), Шарада (Краснодарський науково-дослідний інститут сільського господарства), Альбатрос одеський (Селекційно-генетичний інститут УААН), Перлина Лісостепу (Білоцерківська дослідно-селекційна станція ІЦБ УААН), Polka (СІАН,Угорщина).

Рослини вирощували в умовах вегетаційних дослідів. Для цього на ділянках Дослідного сільськогосподарського виробництва (смт Глеваха) відбирали зразки озимої пшениці на початку весняного відростання (перша половина квітня) так, щоби якнайменше травмувати кореневу систему, і висаджували в посудини на 10 кг ґрунту з додаванням 10 г нітроамофоски на посудину. В одну посудину висаджували по 20 рослин. Посудини розміщували на стелажі вегетаційного майданчика ІФРГ НАН України. У фазу виходу в трубку всі рослини підживлювали KNO₃ та K₂HPO₄ з поливною водою в розрахунку по 2 г кожної солі на посудину. Вологість ґрунту підтримували на рівні 60-70 % ПВ шляхом поливу зверху і в трубку. Досліди закладали у 5-кратній повторності.

У фазу цвітіння відбирали проби на визначення маси сухої речовини по органах головного пагона та вмісту в ній загального азоту. Рослини зрізали на рівні ґрунту і розділяли на органи. Проби фіксували у сушильній шафі при 90 ^оС і досушували до постійної ваги при 60 ^оС. Наприкінці вегетації з настанням повної стиглості зерна визначали розподіл маси сухої речовини по органах, вміст у ній азоту та елементи зернової продуктивності (масу зерна з колоса, кількість зерен у колосі та масу 1000 зерен). Проби відбирали у 3-разовій повторності.

У фази колосіння, цвітіння та молочної стиглості визначали інтенсивність фотосинтезу, фотодихання, темнового дихання і транспірації невідокремлених від рослин прапорцевих листків. Показники газообміну реєстрували за контрольованих умов на установці, змонтованій на базі оптико-акустичного інфрачервоного газоаналізатора ГІАМ-5М, увімкненого за диференційною схемою. Розрахунки проводили згідно зі стандартними методиками (Мокроносов, 1989).

У фазу цвітіння визначали вміст у прапорцевих листках хлорофілів a та b і суми каротиноїдів. Визначення проводили безмацераційним методом шляхом екстракції пігментів із висічок диметилсульфоксидом при 67 ^оС із наступним визначенням коефіцієнтів поглинання отриманих розчинів на спектрофотометрі СФ-26. Розрахунки вмісту хлорофілів та каротиноїдів проводили згідно з методикою Вельбурна (1994).

Визначення вмісту загального азоту в рослинному матеріалі проводили згідно з методикою Х.М. Починка (1976). Для перерахунку вмісту азоту в зерні на білок використовували коефіцієнт 5,7.

Електрофоретичне розділення високомолекулярних глютенінів проводили в 12,5 % ПААГ за методом Леммлі (1970). Електрофоретичне розділення гліадинів проводили у 8 % ПААГ за методом ISTA в модифікації Поперелі (1980). Ідентифікацію алелей ВМ глютенінів здійснювали за каталогом, створеним Пейном і Лоуренсом (1983). Гліадинові блоки описували за каталогом Поперелі (1996).

Отримані результати оброблені статистично за загальноприйнятими методиками (Доспєхов, 1985) та за допомогою комп'ютерної програми Microsoft Excel.

Результати досліджень

ПРОДУКТИВНІСТЬ І ОСОБЛИВОСТІ РОЗПОДІЛУ АЗОТУ У РОСЛИН ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ РІЗНИХ ГЕНОТИПІВ

Активність фотосинтетичного апарату та особливості ремобілізації азоту протягом достигання у контрастних за якістю зерна генотипів озимої пшениці. Для досліджень особливостей асиміляції СО₂ та ремобілізації азоту в рослинах озимої пшениці, контрастних за якістю зерна, були залучені такі генотипи: MVM 52-91 (високобілкова), Пивна (низькобілкова), Київська остиста високобілкова. Оскільки рослини досліджуваних генотипів різнилися за скоростиглістю, вимірювання показників газообміну та відбір зразків для біохімічних аналізів проводили на кожному генотипі окремо по досягненні ним відповідної фази розвитку.

Виявлено, що інтенсивність фотосинтезу листків рослин сорту MVM 52-91 в усі досліджені фази вегетації була вищою, ніж у Пивної та Київської остистої високобілкової (рис. 1). У рослин останньої інтенсивність фотосинтезу у фазу цвітіння практично не відрізнялась від цього показника у Пивної, а у фази колосіння та молочної стиглості була меншою. Слід зазначити, що у рослин всіх трьох досліджених генотипів відбувалося поступове зменшення інтенсивності фотосинтезу від фази колосіння до молочної стиглості, проте найповільнішим цей процес був у листках сорту MVM 52-91. Інтенсивність транспірації листків знаходилась у тісній відповідності до інтенсивності фотосинтезу, що непрямо свідчить про відсутність продихового лімітування інтенсивності вуглекислотного газообміну рослин досліджених генотипів за оптимальних умов вологозабезпечення.

За сумарним вмістом у прапорцевих листках основних фотосинтетичних пігментів - хлорофілів і каротиноїдів - сорт MVM 52-91 також мав помітну перевагу над Пивною та Київською остистою високобілковою. Ці результати дозволяють дійти висновку про уповільнене старіння листків сорту MVM 52-91 порівняно до Пивної та Київської остистої високобілкової, а також про підтримання їхньої активності на вищому рівні в період наливу зерна.

Продуктивність рослин у розрахунку на один головний пагін була найбільшою у рослин сорту Пивна (табл. 1). Це спостерігалося як за масою зерна з колоса, так і за масою всіх частин пагона. Продуктивність Київської остистої високобілкової була дещо меншою, а найнижчою маса зерна та всіх частин пагона була у рослин сорту MVM 52-91. А от за вмістом азоту в зерні рослин досліджених генотипів озимої пшениці картина була протилежною: найвищим цей показник був у MVM 52-91, трохи меншим у Київської остистої високобілкової і майже вдвічі нижчим - у Пивної (табл. 2). За вмістом азоту в листках у фазу цвітіння суттєвої різниці між генотипами не спостерігалось, проте Київська остиста високобілкова вирізнялася підвищеним вмістом азоту у стеблі та колосі, а у Пивної ці показники були найменшими. При достиганні зерна відбувалося різке зменшення вмісту азоту в листках, стеблах та структурних елементах колоса, що супроводжувалося накопиченням азоту в зерні. Для детальнішого аналізу фізіологічних особливостей азотного обміну у рослин генотипів озимої пшениці, контрастних за продуктивністю та білковістю зерна, ґрунтуючись на даних розподілу маси сухої речовини за органами і вмісту в ній азоту, були розраховані кількості азоту, що накопичуються окремими частинами пагона та цілим пагоном у фазу цвітіння та за повної стиглості (табл. 3).

Таблиця 1 Показники продуктивності рослин озимої пшениці (над рискою - у фазу цвітіння, під рискою - за повної стиглості)

Генотип	Маса сухої речовини головного пагона, г
	Листки	Стебло	Елементи колоса	Зерно
MVM 52-91	0,297 ± 0,02 0,200 ± 0,01	0,898 ± 0,06 0,605 ± 0,04	0,310 ± 0,02 0,450 ± 0,03	1,185±0,08
Пивна	0,475 ± 0,03 0,355 ± 0,02	1,278 ± 0,09 0,875 ± 0,06	0,560 ± 0,04 0,630 ± 0,04	2,000±0,14
Київська остиста високобілкова	0,460 ± 0,03 0,295 ± 0,02	1,171 ± 0,08 0,775 ± 0,05	0,395 ± 0,03 0,445 ± 0,03	1,570±0,11

Звідси були отримані коефіцієнти ремобілізації азоту за формулами:

К_р = (N_п - n)/N_п

К_рз = (N_п - n)/N_з,

де N_п - кількість азоту в цілому пагоні в період цвітіння;

n - залишок азоту у вегетативних частинах рослини за повної стиглості;

N_з - кількість азоту в зерні з усього колоса.

Таблиця 2 Вміст азоту в частинах головного пагона озимої пшениці (над рискою - у фазу цвітіння, під рискою - за повної стиглості)

Генотип	Вміст азоту в сухій речовині, %
	Листки	Стебло	Елементи колоса	Зерно
MVM 52-91	3,20 ± 0,22 0,67 ± 0,04	1,79 ± 0,12 0,33 ± 0,02	1,93 ± 0,13 1,0 ± 0,07	3,2 ± 0,22
Пивна	3,10 ± 0,21 0,71 ± 0,05	1,42 ± 0,09 0,37 ± 0,02	1,69 ± 0,11 0,68 ± 0,04	1,63 ± 0,11
Київська остиста високобілкова	3,13 ± 0,2 0,88 ± 0,06	2,22 ± 0,15 0,23 ± 0,01	2,34 ± 0,16 0,48 ± 0,03	2,9 ± 0,20

К_р показує яка частка азоту, накопиченого у вегетативних частинах на час цвітіння, відтекла із них протягом достигання. Показник К_рз (запропонований нами) свідчить, яка частка азоту, що накопичився у стиглому зерні, була ремобілізована із вегетативних частин рослини. Із табл. 3 видно, що у MVM 52-91 та Пивної, які суттєво різнилися за білковістю, К_р був практично однаковим, а у Київської остистої високобілкової помітно вищим. Натомість К_рз у MVM 52-91 був найменшим, а у Пивної та Київської остистої високобілкової різнився мало.

Ці результати свідчать, що у MVM 52-91 значна частка азоту, який накопичується у стиглому зерні, обумовлена його додатковим поглинанням у період молочної - молочно-воскової стиглості. Адже лише тільки 63 % загальної кількості азоту в зерні походило від ремобілізації цього елемента з вегетативних частин. Вірогідно, що підвищена фотосинтетична активність листків у рослин цього сорту у фазу молочної стиглості та високий вміст фотосинтетичних пігментів були обумовлені затримкою азотовмісних сполук у листках завдяки додатковому надходженню азоту в період наливу зерна.

Іншими за стратегією формування високої білковості були рослини Київської остистої високобілкової. Вони поглинали азот переважно до фази цвітіння, формували його великі запаси у листках та стеблах (суттєво більші, ніж у MVM 52-91) і ефективно ремобілізовували у зерно. Близькі значення коефіцієнтів К_р і К_рз (0,87 і 0,95 відповідно) у рослин цього генотипу свідчать, що майже весь азот зернівки був ремобілізований саме з вегетативних органів, а їх високий рівень відображає підвищену ефективність цього процесу.

Таблиця 3 Показники перерозподілу азоту між частинами головного пагона пшениці (над рискою - у фазу цвітіння, під рискою - за повної стиглості)

Генотип	Кількість азоту в частинах пагона, мг	Кількість азоту в цілому пагоні, мг	Коефіцієнти ремобілізації
	Листки	Стебло	Елементи колоса	Зерно		Кр	Крз
MVM 52-91	9,5 1,3	16,1 2,0	6,0 4,5	37,9	31,6 45,8	0,75	0,63
Пивна	14,7 2,5	18,1 3,2	9,5 4,3	32,6	42,3 42,6	0,76	0,99
Київська остиста високобілкова	14,4 2,6	26,0 1,8	9,2 2,1	52,0	49,6 52,0	0,87	0,95
НІР0,05	0,9 0,2	1,7 0,2	0,8 0,3	4,1	4,2 4,4	0,09	0,12

У низькобілкового сорту Пивна високе значення К_рз (0,99) також свідчить про відсутність додаткового поглинання азоту після цвітіння. Менше значення К_р у сорту Пивна (0,76) порівняно із Київською остистою високобілковою відображає нижчу ефективність ремобілізації, іншими словами, що значна частка азоту залишилася у вегетативних органах і за повної стиглості. Отже, у Пивної, як і Київської остистої високобілкової, майже весь азот зернівок надходить із запасу, тимчасово депонованого у вегетативних органах до початку їх наливу, однак ступінь використання цього запасу у Пивної значно менший, тому й вміст азоту в зерні був нижчим. До того ж фотосинтетичний апарат у Пивної, активність якого була вищою, ніж у Київської остистої високобілкової, очевидно, працював на постачання зернівок вуглеводами, що обумовило додаткове "розбавляння" азотовмісних сполук крохмалем.

Фотосинтез і накопичення азоту у рослин озимої пшениці різних генотипів. З метою вивчення характеристик фотосинтетичного апарату та накопичення азоту у вегетативних частинах і зерні у рослин пшениці, що різняться за висотою стебла і продуктивністю, у дослід були залучені рослини таких сортів: Українка 0246 (високорослий, старий сорт), Панна (середньорослий) і Шарада (короткостебловий).

Досліджені сорти пшениці різнилися за інтенсивністю видимого фотосинтезу (рис. 2, а) і фотодихання (рис. 2, б), причому відмінності спостерігалися як за значеннями вимірюваних показників, так і за їхньою динамікою. Хоча інтенсивність видимого фотосинтезу листків сортів Панна і Шарада була практично однаковою, розрахунки справжнього фотосинтезу (сума видимого фотосинтезу і дихання на світлі) свідчать, що у Панни цей показник був вищим, ніж у Шаради (рис. 2, в).

Це підтверджують також дані з провідності мезофілу для СО₂, розраховані на основі одночасного вимірювання інтенсивності видимого фотосинтезу і транспірації (рис. 2, г). Провідність мезофілу прапорцевих листків рослин сорту Панна у фазу молочної стиглості була найбільшою серед досліджених генотипів. У рослин сорту Українка 0246 цей показник був найменшим, а рослини сорту Шарада займали проміжне положення. Виходячи з цих даних, а також результатів визначення вмісту фотосинтетичних пігментів, можна розташувати досліджені сорти за активністю фотосинтетичного апарату листків у такому порядку: Панна > Шарада > Українка 0246.

Маса сухої речовини головного пагона у фазу цвітіння була найбільшою у рослин сорту Панна, а найменшою - у Шаради (рис. 3). За повної стиглості спостерігалося зменшення маси листків і стебла порівняно із фазою цвітіння внаслідок ремобілізації пластичних речовин у зерно в процесі його наливу. Зернова продуктивність головного пагона також була найбільшою у Панни. Маса зерна з колоса у сортів Українка 0246 та Шарада була меншою, ніж у Панни, тоді як між собою вони різнились несуттєво. Менша зернова продуктивність цих сортів порівняно із Панною була обумовлена різними причинами. Так, у рослин сорту Українка 0246 маса 1000 зерен практично не відрізнялась від Панни - 41 ± 2 і 43 ± 2 г відповідно. Проте середня кількість зерен у колосі головного пагона рослин першого сорту становила 27 шт., тоді як у другого - 39 шт. Стосовно Шаради зазначимо, що кількість зерен у колосі головного пагона цього сорту була більшою, ніж в Українки 0246 - 33 шт., проте маса 1000 зерен була нижчою - 31 ± 2 г.

Кількість азоту, накопиченого в органах головного пагона, у фазу цвітіння була найбільшою у Панни, а найменшою - в Українки 0246 (рис. 4). В період наливу зерна кількість азоту в листках, стеблі та колоскових лусках зменшувалася у 3-5 разів (залежно від сорту) внаслідок його ремобілізації. При цьому у рослин сортів Панна та Українка 0246 кількість азоту в усьому пагоні за повної стиглості (враховуючи і зерно) була суттєво вищою, ніж у фазу цвітіння, а у Шаради різниці між цими показниками практично не було. Отримані дані свідчать, що у рослин пшениці сортів Панна та Українка 0246 процеси поглинання азоту тривали і після проходження ними фази цвітіння, тоді як у Шаради вони призупинилися і відбувався лише перерозподіл між органами азоту, асимільованого до цвітіння.

Таким чином, серед трьох досліджених генотипів озимої пшениці найкраще збалансованим за асиміляцією вуглецю та азоту був сорт Панна, у якого висока інтенсивність фотосинтезу поєднувалась з посиленим накопиченням азоту в рослині до фази цвітіння та ефективною ремобілізацією цього елемента в період наливу зерна, доповненою додатковим його поглинанням. У поєднанні з високою зерновою продуктивністю кількість азоту, а отже і білка, який містився в зерні з цілого колоса, у цього сорту була найбільшою (див. рис. 4). Незбалансованість за цими показниками рослин сорту Українка 0246 полягала у зниженій інтенсивності фотосинтезу, а рослин сорту Шарада - у слабкому поглинанні азоту в період наливу зерна. В результаті у цих сортів зернова продуктивність та кількість азоту в зерні з усього колоса були суттєво меншими порівняно із сортом Панна.

ВМІСТ АЗОТУ ТА ФУНКЦІОНАЛЬНА АКТИВНІСТЬ ЛИСТКІВ І СТЕБЛА ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ

З метою пошуку зв'язків між асиміляційною діяльністю та процесами накопичення і перерозподілу азоту для виявлення загальних закономірностей у рослин озимої пшениці різних генотипів був проаналізований масив даних, отриманих за однією схемою проведення дослідів на рослинах всіх 9 генотипів. Показано існування досить тісного зв'язку між вмістом азоту в листках рослин пшениці у фазу цвітіння і таким важливим фізіологічним показником як вміст суми хлорофілів (рис. 5, а). Слід зазначити, що аналогічні закономірності добре відомі з літератури і знайдені для широкого спектра генотипів та умов вирощування.

Наші результати свідчать, по-перше, що навіть за уніфікації умов мінерального живлення існують генотипні варіації вмісту азоту в листках, яким також відповідають відмінності за вмістом хлорофілу, і, по-друге, що фізіологічне підґрунтя цієї залежності має сортоспецифічний характер, принаймні для озимої м'якої пшениці.

Не менш тісний зв'язок виявлено у наших дослідах між вмістом азоту в листку та інтенсивністю поглинання ним СО₂ (рис. 5, б). На відміну від попередньої це менш досліджена закономірність, хоча її обґрунтування також очевидне. Адже майже половину вмісту розчинного білка в листку становить рибулозобісфосфаткарбоксилаза/оксигеназа (РБФК/О) - фермент, який власне і каталізує реакцію фіксації вуглекислого газу в органічні сполуки [Lawlor, 2002]. Звідси випливає, по-перше, що саме азотовмісні сполуки, і в першу чергу білки, забезпечують виконання листком його основної функції - фотосинтетичної, а по-друге, в рослин озимої м'якої пшениці існують генотипні відмінності за вмістом цих сполук, що й відбивається на таких важливих показниках функціонального стану листків як вміст хлорофілу та інтенсивність асиміляції СО₂.

Дуже тісний зв'язок був виявлений у наших дослідах між вмістом азоту в листках та його вмістом у колосі у фазу цвітіння (рис. 5, в). Оскільки вміст азоту в органі чи тканині певною мірою характеризує активність метаболічних процесів, які в них відбуваються (якщо це не орган запасання), можна стверджувати, що функціональний стан колоса, який у фазу цвітіння знаходиться в максимумі, безпосередньо залежить від функціонального стану листків. Це й не дивно, адже метаболічні процеси у колосі забезпечуються речовинами та енергією переважно за рахунок асимілятів, що надходять з листків.

Зазначимо, що всі три розглянуті залежності найкраще апроксимуються функціями одного типу - ступеневими, що непрямо свідчить про подібність механізмів, на яких вони ґрунтуються. Це, перш за все, кількість білка, переважно ферментативного, що забезпечує синтез відповідних сполук або протікання певних фізіологічних процесів, які обумовлюють варіювання досліджених нами фізіологічних показників. Отже, вміст азоту в листках добре узгоджується з їх власною функціональною активністю та інтенсивністю метаболічних процесів у колосі в період цвітіння, для якого листки є головними постачальниками асимілятів.

На відміну від листків, основна фізіологічна функція яких асиміляційна, стебло в період цвітіння виконує дві головні функції - транспортну та депонувальну. І дійсно, в наших дослідах був виявлений позитивний зв'язок між кількістю азоту в стеблі пшениці у фазу цвітіння та кількістю цього елемента у зерні з усього колоса головного пагона за повної стиглості (рис. 5, г). Проте цей зв'язок був не такий тісний, як у розглянутих вище випадках, що обумовлено додатковим поглинанням рослинами азоту з ґрунту після цвітіння, інтенсивність якого значною мірою залежить від генотипних особливостей. Однак, отриманий нами коефіцієнт кореляції (r = 0,82) свідчить про суттєвий внесок стебла у формування азотного індексу продуктивності. Адже останній визначається не лише вмістом азоту в сухій речовині зернівки, а й масою зерна з усього колоса. Азотний індекс продуктивності, розрахований нами як відношення кількості азоту в зерні до його кількості в усьому пагоні (з колосом включно) за повної стиглості, був найвищим у Київської остистої високобілкової (0,88), а найнижчим - у Пивної (0,77). У рослин інших досліджених нами генотипів він коливався від 0,79 до 0,85.

Отже, можна стверджувати, що вміст азоту у вегетативних органах рослин озимої пшениці у фазу цвітіння тісно корелює з з їхньою функціональною активністю. Азотовмісні сполуки листків забезпечують функціонування асиміляційного апарату та підтримку метаболічної активності колоса. Кількість азоту у стеблі характеризує його депонувальну здатність, яка відіграє суттєву роль у формуванні азотного індексу продуктивності.

Разом з тим, слід зауважити, що хоча фізіологічною основою накопичення білка в зерні, безсумнівно, є асиміляція і перерозподіл азотовмісних сполук між органами рослини пшениці протягом її онтогенезу, хлібопекарська якість зерна не завжди визначається загальним вмістом білка. Певну роль при цьому відіграє співвідношення різних форм білка - в першу чергу гліадинів і високомолекулярних глютенінів, які становлять основу білково-клейковинного комплексу.

Тому виявивши згадані вище закономірності зв'язків таких важливих фізіологічних показників як асиміляційна діяльність фотосинтетичного апарату рослин пшениці та накопичення в них азоту з наступною ремобілізацією цього елемента в зерно, що визначає його загальну білковість, ми вирішили дослідити особливості накопичення окремих субодиниць гліадинів і високомолекулярних глютенінів, які визначають якість борошна у різних генотипів озимої м'якої пшениці. Крім того, як засвідчив аналіз літературних даних, динаміка утворення субодиниць високомолекулярних глютенінів протягом визрівання зерна у контрастних за його якістю сортів пшениці вивчена недостатньо. Така інформація буде корисною для подальшого пошуку шляхів подолання протиріччя між якістю зерна пшениці та її врожайністю.

УТВОРЕННЯ ТА НАКОПИЧЕННЯ ВИСОКОМОЛЕКУЛЯРНИХ ГЛЮТЕНІНІВ У ПРОЦЕСІ ФОРМУВАННЯ ЗЕРНІВКИ ПШЕНИЦІ

Дослідження особливостей формування комплексу високомолекулярних глютенінів у різних за якістю зерна рослин озимої м'якої пшениці проводили на зразках зерна 7 генотипів: Альбатрос одеський, Панна, Українка 0246, MVM 52-91, Київська остиста високобілкова, Пивна, Перлина Лісостепу.

Аналіз формул генетичного контролю синтезу ВМ глютенінів показав, що всі досліджені генотипи мають алель Glu D1d, що відповідає показнику якості (ПЯ) 4 бали. Майже всі генотипи, що відповідають сильній пшениці, характеризуються наявністю алелей Glu A1a або Glu A1b та Glu В1b з ПЯ 3. Проте сорти Перлина Лісостепу та Пивна мають алель Glu В1с з ПЯ 2, що обумовлює зниження вмісту білка в зерні.

На рис. 6 представлені електрофореграми глютенінів двох сортів озимої м'якої пшениці: з високою якістю зерна - сорт МVM 52-91, та із низьким вмістом білка в зерні - сорт Пивна. Кожний електрофоретичний спектр характеризує одну зернівку відповідного сорту у різні строки дозрівання зерна.

На електрофореграмах глютенінів зрілого зерна спостерігали 20 білкових компонентів у сорту Пивна і 23 компоненти у сорту MVM 52-91. У кожному спектрі визначено субодиниці, що відповідають високомолекулярним (R_f 0,12-0,48) та низькомолекулярним (R_f 0,53-0,94) глютенінам. Число компонентів ВМ глютенінів у зерні різних сортів не однакове: у Пивної - 9, у MVM 52-91 - 10. На 7-й день після запилення у зернівках Пивної у складі ВМ глютенінів спостерігалось 2 компоненти слабкої інтенсивності - R_f 0,11, 0,44, а у MVM 52-91 - 5 компонентів слабкої інтенсивності з R_f 0,11, 0,31, 0,35, 0,4, 0,45, які представляють субодиниці локусу Glu D1 і Glu В1. На 12-й день дозрівання зерна кількість субодиниць у спектрі збільшується і представлені вони інтенсивніше (R_f 0,11, 0,22 (0,23), 0,3 (0,33), 0,34, 0,36, 0,38, 0,41, 0,42, 0,44 (0,45)). При цьому у сорту МVM 52-91 з високою якістю зерна білкових компонентів у спектрі на 12-й день після запилення більше (9), ніж у низькобілкового сорту Пивна (6).

У сорту МVM 52-91 більшість білкових компонентів синтезувались раніше, ніж у Пивної. Слід також зазначити, що зерно сорту Пивна мало субодиниці з низькою якістю Glu B1с з ПЯ 2 бали, які з'являлися на 20-й день. Переважна кількість білкових субодиниць ВМ глютеніну з'явились до 20-го дня. Для субодиниць локусу Glu D1, які синтезувались на ранніх етапах дозрівання, накопичення було найбільшим.

Таким чином, нашими дослідами показано, що високобілковий сорт характеризується більшим загальним числом електрофоретичних компонентів у спектрі ВМ глютенінів та більшим числом субодиниць з високим показником якості за Пейном, що свідчить про підвищену активність процесів запасання азотовмісних сполук на всіх етапах формування зернівки порівняно з низькобілковим сортом.

УЗАГАЛЬНЕННЯ

Проаналізовано та узагальнено основні експериментальні дані, отримані в процесі виконання роботи. Наголошується, що системний підхід до підвищення якості зерна пшениці повинен включати заходи з покращення поглинання і розподілу азоту між органами рослини, інтенсифікації роботи фотосинтетичного апарату та її узгодження з ремобілізацією азотовмісних сполук із вегетативних частин у зерно в процесі його наливу в плані підтримання здатності до поглинання азоту в період росту зернівок. Необхідне також підвищення ефективності ремобілізації азоту із вегетативних органів наприкінці вегетації та оптимізація фракціонування білків у зерні для покращення хлібопекарської якості борошна.

ВИСНОВКИ

1. Накопичення азотовмісних сполук у зерні пшениці визначається взаємодією фотосинтетичного апарату рослини та процесів накопичення азоту у вегетативних органах до фази цвітіння, ремобілізації цього елемента з вегетативних частин протягом наливання зерна та додатковим поглинанням із ґрунту в період після цвітіння.

2. Високий вміст білка в зерні у рослин озимої пшениці різних генотипів може забезпечуватись кількома шляхами, що характеризуються неоднаковим співвідношенням ремобілізації та додаткового поглинання азоту в період наливання зерна. Рослини сорту MVM 52-91 мали невисокий коефіцієнт ремобілізації, проте підвищену активність фотосинтетичного апарату і додаткове надходження азоту в зерно після цвітіння, тоді як рослини Київської остистої високобілкової накопичували багато азоту у стеблі до фази цвітіння і ефективно ремобілізовували його у зерно.

3. Низькобілковий, але врожайний сорт Пивна характеризувався нижчим вмістом азоту у вегетативних органах у фазу цвітіння, ніж високобілкові генотипи, та меншою ефективністю його ремобілізації. Однак асиміляція СО₂ була досить активною, що зумовило розбавляння азотовмісних сполук у зерні вуглеводами та високу зернову продуктивність.

4. Кількість азоту, що накопичується в зерні з усього колоса, обумовлена збалансованістю процесів фотосинтезу та поглинання і перерозподілу азоту в рослині, яка була найкращою у середньорослого високопродуктивного сорту Панна. Невисока інтенсивність фотосинтезу у високорослого сорту Українка 0246 чи слабке поглинання азоту в період наливання зерна у короткостеблового сорту Шарада призводили до зменшення їхньої зернової продуктивності та накопичення азоту в зерні з цілого колоса порівняно із сортом Панна.

5. Для дев'яти генотипів озимої м'якої пшениці, що різнилися за якістю зерна, висотою та продуктивністю, у фазу цвітіння виявлено тісні кореляційні зв'язки між вмістом азоту в листках і вмістом хлорофілу, інтенсивністю фотосинтезу, а також вмістом азоту в колосі.

6. Депонувальна здатність стебла пшениці має важливе значення для формування азотного індексу врожаю, про що свідчить суттєва кореляція між кількістю цього елемента у стеблі в період цвітіння та кількістю азоту в зерні з усього колоса за повної стиглості.

7. Високобілковий сорт MVM 52-91 характеризувався більшим загальним числом електрофоретичних компонентів у спектрі ВМ глютенінів та більшим числом субодиниць з високим показником якості за Пейном порівняно із низькобілковим сортом Пивна, що свідчить про високу активність процесів запасання азотовмісних сполук у сорту з високим вмістом білка на всіх етапах формування зернівки.

8. Фізіолого-генетична оптимізація у рослин пшениці таких процесів як підвищення депонувальної здатності стебла та інтенсивності фотосинтезу у фази колосіння - цвітіння, подовження активного функціонування фотосинтетичного апарату та підтримання здатності до поглинання азоту в період наливання зерна, підвищення ефективності ремобілізації азотовмісних сполук із вегетативних органів наприкінці вегетації, розширення спектра високомолекулярних глютенінів у зерні та збільшення субодиниць, що відповідають високим показникам якості, будуть сприяти подальшому поліпшенню якості зерна та підвищенню врожайності цієї найважливішої продовольчої культури.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Кірізій Д.А. Продуктивність та особливості реутилізації азоту в контрастних за якістю зерна рослин озимої пшениці різних генотипів / Д.А. Кірізій, Л.О. Лісневич, В.М. Починок // Физиология и биохимия культурных растений. - 2008. - Т. 40, № 1. - С. 23-32. (Особистий внесок здобувача 60 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис статті).

Кірізій Д.А. Фотосинтез і накопичення азоту у рослин озимої пшениці різних генотипів / Д.А. Кірізій, В.М. Починок // Физиология и биохимия культурных растений. - 2008. - Т. 40, № 4. - С. 338-345. (Особистий внесок здобувача 70 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис статті).

Кірізій Д.А. Вміст азоту та функціональна активність листків і стебел озимої пшениці різних генотипів / Д.А. Кірізій, В.М. Починок // Физиология и биохимия культурных растений. - 2008. - Т. 40, № 5. - С. 403-410. (Особистий внесок здобувача 70 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис статті ).

Кірізій Д.А. Роль фотосинтетичного апарату та характеру перерозподілу азоту у формуванні якості зерна пшениці / Д.А. Кірізій, В.М. Починок, П.Л. Рижикова // Тези міжнародної науково-практичної конференції «Екологія: наука, освіта, природоохоронна діяльність». - Умань. - 2007. - С. 29. (Особистий внесок здобувача 70 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис тез).

Починок В.М. Фотосинтез та реутилізація азоту у різних за якістю зерна генотипів озимої пшениці / В.М. Починок // Тези III міжнародної наукової конференції студентів і аспірантів «Молодь та поступ біології» (23-27 квітня 2007 р.). - Львів. - 2007. - С. 167-168. (Особистий внесок здобувача 100 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис тез).

Починок В.М., Лісневич Л.О., Кірізій Д.А. Фізіолого-біохімічні особливості різних за якістю зерна генотипів озимої м'якої пшениці / В.М. Починок, Л.О. Лісневич, Д.А. Кірізій // Тези доп. X конференції молодих вчених «Сучасний стан і пріоритети розвитку фізіології рослин, генетики та біотехнології» (25-26 жовтня 2007 р.). - Київ. - 2007. - С. 56-57. (Особистий внесок здобувача 60 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис тез).

Починок В.М. Особливості вуглекислотного газообміну та формування зернової продуктивності сортів озимої пшениці / В.М. Починок, Д.А. Кірізій // Тези доп. VI Міжнародної науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених «Шевченківська весна». - (Київ, 20-23 березня 2008 р.). - Київ. - 2008. - С. 88-90. (Особистий внесок здобувача 70 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис тез).

Починок В.М. Фізіологічні особливості формування продуктивності та якості зерна озимої пшениці / В.М. Починок, Д.А. Кірізій // Тези доп. II Всеукраїнської науково-практичної конференції «Географія та екологія: наука і освіта». - (Умань 17-18 квітня 2008 р.). - Умань. - 2008. - С. 175-176. (Особистий внесок здобувача 70 %, проводив вегетаційний дослід, визначав фізіологічні та біохімічні показники, брав участь у обговоренні результатів, оформив рукопис тез).

АНОТАЦІЯ

Починок В.М. Фізіолого-біохімічні особливості накопичення азоту та формування якості зерна у різних генотипів озимої м'якої пшениці. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 - фізіологія рослин. Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, 2009.

Дисертація присвячена вивченню фізіолого-біохімічних особливостей асиміляції вуглецю і розподілу азоту в процесі формування продуктивності та якості зерна рослин озимої пшениці різних генотипів для виявлення шляхів їх оптимізації.

Показано, що високий вміст азоту, а отже і білка, в зерні озимої м'якої пшениці може формуватися кількома шляхами, в основі яких лежать співвідношення між процесами фотосинтезу, депонування азотовмісних сполук у стеблі та їх ремобілізації при наливанні зерна, а також додаткове поглинання азоту рослиною в період після цвітіння.

Виявлено тісні позитивні зв'язки між інтенсивністю фотосинтезу, накопиченням азоту у листках та стеблах рослин пшениці різних генотипів у фазу цвітіння та кількістю цього елемента в зерні з усього колоса за повної стиглості.

Зернівки високобілкового сорту характеризувалися більшим загальним числом електрофоретичних компонентів у спектрі високомолекулярних глютенінів та більшим числом субодиниць з високим показником якості за Пейном, що свідчить про підвищену активність процесів запасання азотовмісних сполук протягом формування зернівки порівняно із низькобілковим сортом.

Ключові слова: Triticum aestivum L., озима пшениця, фотосинтез, вміст азоту, ремобілізація, продуктивність, глютеніни.

АННОТАЦИЯ

Починок В.М. Физиолого-биохимические особенности накопления азота и формирования качества зерна у различных генотипов озимой мягкой пшеницы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.12 - физиология растений. Институт физиологии растений и генетики НАН Украины, Киев, 2009.

Диссертация посвящена изучению физиолого-биохимических особенностей ассимиляции углерода и распределения азота в процессе формирования продуктивности и качества зерна растений озимой пшеницы различных генотипов для выявления путей их оптимизации.

Показано, что высокое содержание азота, а следовательно и белка, в зерне озимой мягкой пшеницы может формироваться несколькими путями, в основе которых лежат соотношения между процессами фотосинтеза, депонирования азотсодержащих соединений в стебле и их ремобилизации при наливе зерна, а также дополнительное поглощение азота растением в период после цветения.

Выявлены тесные положительные связи между интенсивностью фотосинтеза, накоплением азота в листьях и стеблях растений пшеницы различных генотипов в фазу цветения и количеством этого элемента в зерне со всего колоса при полной спелости.

Зерновки высокобелкового сорта характеризовались бльшим общим числом электрофоретических компонентов в спектре высокомолекулярных глютенинов и бльшим числом субъединиц с высоким показателем качества по Пейну, что свидетельствует о повышенной активности процессов запасания азотсодержащих соединений во время формирования зерновки по сравнению с низкобелковым сортом.

Ключевые слова: Triticum aestivum L., озимая пшеница, фотосинтез, содержание азота, ремобилизация, продуктивность, глютенины.

SUMMARY

Pochinok V.M. Physiological-Biochemical Peculiarities of Nitrogen Accumulation and Formation of Grain Quality in Different Genotypes of Winter Bread Wheat. - Manuscript.

Thesis for a candidate degree in Biology, speciality 03.00.12 - Plant Physiology - Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2009.

The thesis is devoted to investigation of physiological and biochemical peculiarities of carbon assimilation and nitrogen allocation in plant production process and formation of grain quality of different wheat genotypes for revelation of the ways of their optimization.

It has been shown that high nitrogen content, and hence protein, in the grain of winter bread wheat can be formed by different ways, that are based on the ratio between photosynthetic processes, accumulation of nitrogen compounds in stem and their remobilization during grain filling, and additional nitrogen absorption also.

The close positive correlations between net assimilation rate, nitrogen accumulation in leaves and stems of plants of different wheat genotypes in stage of flowering, and quantity of this element in grain of whole ear at complete ripeness have been revealed.

The grains of high protein variety were characterized by higher number of electrophoretic components in the high molecular glutenins spectrum and higher number of subunits with high index of grain quality by Payne. This is the evidence of enhanced activity of nitrogen compounds accumulation during grain formation in comparison to low protein variety.

Key words: Triticum aestivum L., winter wheat, photosynthesis, nitrogen content, remobilization, productivity, glutenins.

Размещено на Allbest.ru

...