Влияние регуляторов роста на активность амилолитических ферментов в зерне яровой пшеницы

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

ВЛИЯНИЕ РЕГУЛЯТОРОВ РОСТА НА АКТИВНОСТЬ АМИЛОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ В ЗЕРНЕ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ

И.И. Серегина¹, М. Анка², Н.Н. Новиков³,

С.Л. Белопухов⁴, И.И. Дмитревская⁵

Аннотация. Актуальность и цели. Известно, что одним из основных показателей биохимических изменений, происходящих при прорастании семян, является усиление ферментативной активности амилолитического комплекса. В связи с этим целью проведенных исследований явилось изучение ферментативной активности различных изоформ амилазного комплекса зерна яровой мягкой пшеницы сорта Дарья в состоянии покоя и при прорастании в зависимости от применения регуляторов роста. В результате исследований были изучены следующие вопросы: влияние биорегуляторов роста растений на активность изоформ а-амилаз и р-амилаз в покоящемся и пророщенном зерне. Материалы и методы. В условиях полевых опытов выращивали яровую пшеницу (Ttriticum aestivum L.) сорта Дарья при использовании фолиарной обработки растений различными регуляторами роста в течение вегетационного периода. После уборки урожая в полученном зерне пшеницы для оценки качества семенного материала определяли активность кислых, нейтральных и щелочных изоформ амилолитического комплекса в покоящемся и пророщенном зерне. Результаты. Установлено, что активность изоформ амилазных ферментов зависела от применяемых в течение вегетационного периода регуляторов роста. Установлено, что в покоящемся зерне наибольшую эффективность на активность изоформ а-амилаз проявили биопрепарат Харди, а также смесь препаратов Харди и Феровит, что определяет хорошие семенные качества зерна яровой пшеницы. Использование защитно-стимулирующего комплексного биопрепарата и регулятора роста Феровит при выращивании яровой пшеницы оказало существенное действие на активность изоформ а-амилаз при проращивании полученного зерна, что определяет высокий уровень растворимости эндосперма и способствует улучшению ростовых функций проростков. Выявлено, что изменения, происходящие в ферментативной активности амилолитического комплекса зерна пшеницы, определялись разной эффективностью действующего вещества используемых препаратов.

Ключевые слова: яровая пшеница, изоформы а-амилаз, изоформы р-амилаз, биорегуляторы роста растений

Influence of growth regulators on the activity of amylolytic enzymes in spring wheat grain

I.I. Seregina¹, M. Anka², N.N. Novikov³, S.L. Belopukhov⁴, I.I. Dmitrevskaya⁵

Abstract. Background. It is known that one of the main indicators of biochemical changes occurring during seed germination is an increase in the enzymatic activity of the amylolytic complex. In this regard, the purpose of the studies was to study the enzymatic activity of various isoforms of the amylase complex of grains of spring soft wheat variety Darya at rest and during germination, depending on the use of growth regulators. As a result of the research, the following issues were studied: the effect of plant growth bioregulators on the activity of a-amylase and P-amylase isoforms in dormant and germinated grain. Materials and methods. Under the conditions of field experiments, spring wheat (Ttriticum aestivum L.) of the Darya variety was grown using foliar treatment of plants with various growth regulators during the growing season. After harvesting, the activity of acidic, neutral and alkaline isoforms of the amylolytic complex in dormant and germinated grain was determined in the resulting wheat grain to assess the quality of the seed material. Results. It was found that the activity of isoforms of amylase enzymes depended on the growth regulators used during the growing season. It was found that in the dormant grain, the biological preparation Hardy and, as well as a mixture of Hardy and Ferovit preparations, showed the highest efficiency on the activity of a-amylase isoforms, which determines the good seed quality of spring wheat grain. The use of a protective-stimulating complex biological product and growth regulator Ferovit in the cultivation of spring wheat had a significant effect on the activity of a-amylase isoforms during the germination of the resulting grain, which determines the high level of endosperm solubility and improves the growth functions of seedlings. It was revealed that the changes occurring in the enzymatic activity of the amylolytic complex of wheat grain were determined by the different effectiveness of the active substance of the drugs used.

Keywords: spring wheat, a-amylase isoforms, p-amylase isoforms, plant growthbioregulators

зерно яровая мягкая пшеница ферментативный регулятор рост

Введение

Известно, что интенсивность процессов перехода семян из состояния покоя в активное состояние зависит от внешних условий и характеристик, обусловленных сортовыми особенностями выращиваемой культуры. Активность протекания процессов набухания семян определяется физиолого-биохимическими реакциями, связанными с прорастанием, а также внешними воздействиями, которым они подвергаются перед посевом. При прорастании семян происходит распад сложных запасных высокомолекулярных материалов в эндосперме на более простые растворимые низкомолекулярные вещества. Под влиянием соответствующих ферментов осуществляется синтез высокомолекулярных соединений, характерных для конкретного растения и необходимых для прорастания и формирования новых тканей и органов нового растения [1-5]. При прорастании семян содержание ферментов существенно возрастает, что связано с усилением интенсивности дыхания. При дыхании зерна происходит полное и частичное окисление углеводов, что способствует разрушению структуры эндосперма семени. Таким образом, в процессе проращивания происходит перестройка ферментного комплекса цельного зерна и изменение активности гидролитических и амилолитических ферментных комплексов. В связи с этим одним из основных показателей биохимических изменений, сопровождающих прорастание семян, является усиление ферментативной активности амилолитического комплекса и в первую очередь а-амилазы [1-4, 6].

На активность а-амилаз зерна при прорастании существенное влияние оказывают фитогормоны растений, минеральные удобрения, синтетические регуляторы роста, микроэлементы [6-8]. Показано, что применение минеральных удобрений, микроэлементов и регуляторов роста способствует активизации биохимических процессов в созревающем зерне, влияя на процессы формирования его качества и в прорастающем зерне, стимулируя процессы прорастания [8-11].

Обработку яровых культур проводят различными биопрепаратами с целью стимуляции роста растений, особенно в его ранние сроки, а также с целью создания соответствующих условий для повышения устойчивости к засухе, фитопатогенам и другим стрессовым состояниям [12-15]. Была выявлена высокая эффективность действия регуляторов роста на физиолого-биохимические показатели и фотосинтетический потенциал растений в онтогенезе, что способствовало увеличению урожайности сельскохозяйственных культур [16-18].

В связи с этим целью проведенных исследований явилось изучение ферментативной активности различных изоформ амилазного комплекса зерна яровой мягкой пшеницы сорта Дарья в состоянии покоя и при прорастании в зависимости от применения регуляторов роста. В результате исследований были изучены следующие вопросы: влияние биорегуляторов роста растений на активность изоформ а-амилаз и Р-амилаз в покоящемся и пророщенном зерне.

Материал и методы

Для решения поставленных вопросов был проведен микрополевой опыт на учебном опытном поле РГАУ МСХА имени К. А. Тимирязева. Объектом исследований была яровая мягкая пшеница (Triticum aestivum L.) сорта Дарья. Сорт Дарья является среднеспелым, устойчивым к полеганию, по хлебопекарным качествам относится к ценным сортам пшеницы. Оригинатор сорта РНИУП «Институт земледелия и селекции НАН Беларуси». Для проведения исследований семена пшеницы сорта Дарья были предоставлены ФГБНУ ФИЦ «Немчиновка». Почва опытного участка урбанозем типичный с агрохимической характеристикой: рНксі 6,2 (ГОСТ 26483-85), Нг 0,9 мг-экв/100 г почвы (ГОСТ 26212-91), S 24,3 (ГОСТ 27821-88)., N_4J. 90 мг/кг почвы (по Корнфилду). Обеспеченность подвижными формами фосфора 155 мг/кг почвы (V класс), калия 182 мг/кг почвы (V класс) (по Кирсанову) (ГОСТ Р 54650-2011).

Проведение полевых исследований осуществляли по общепринятым методикам [19]. Общая площадь опытной делянки 1 м². Посев семян проводили из расчета 5 млн всхожих семян на 1 га. Делянки размещали путем организованных повторений. Повторность опыта 4-кратная. Биорегуляторы роста применяли путем фолиарной обработки вегетирующих растений вначале V и VI этапов органогенеза. При обработке исследуемых растений пшеницы использовали растворы регуляторов роста: защитно-стимулирующий комплексный биорегулятор (ЗСК), Феровит, Харди, смесь препаратов Харди Феровит (1:1). В качестве контроля растения обрабатывали дистиллированной водой, той же, что и для приготовления растворов регуляторов роста. После уборки урожая и после уборочного дозревания полученное зерно использовали для лабораторных исследований.

Активность исследуемых ферментов определяли в сухом (покоящемся) зерне и при его проращивании [20]. Изоформы амилаз определяли с использованием 1/15 М фосфатного буфера при рН5,5, рН 7,0, рН 8,0. Процесс проращивания семян проводили в лабораторных условиях в чашках Петри в течение 7 сут и определяли изоформы амилаз посуточно на 3, 5 и 7-е сут. Статистическую обработку полученных результатов исследований проводили с использованием программного комплекса статистического обслуживания «STPAZ» [19].

Результаты и обсуждение

Полученные результаты исследований показали, что под влиянием изучаемых биорегуляторов роста изменяется активность амилолитических ферментов в зерне яровой пшеницы (табл. 1, 2). Было установлено, что в покоящихся семенах пшеницы, не подвергшихся проращиванию, наблюдается очень низкая активность всех изоформ ферментов а-амилаз. Следует отметить, что на этом этапе, во время послеуборочного дозревания, вероятно, преобладают процессы синтеза некоторых запасных веществ в эндосперме семени. Это обусловливает стабильное состояние зерна, что имеет большое значение при его хранении. Выявлено, что применение биорегуляторов роста при выращивании яровой пшеницы способствовало увеличению общей амилолитической активности покоящегося зерна, что определяет интенсификацию процессов гидролиза по мере его прорастания и усиление ростовых процессов.

Таблица 1. Влияние биорегуляторов роста на активность изо форм а-амилаз (мг гидролизованного крахмала за 1 мин в расчете на 1 г сухой массы) в зерне яровой пшеницы

Установлено, что биопрепараты, используемые в период выращивания яровой пшеницы, оказали неодинаковое действие на активность изоформ амилазного комплекса зерна. Максимальная активность кислых изоформ а-амилаз получена при применении биопрепарата Харди (табл. 1). Активность кислых изоформ а-амилаз в данном варианте составила 8,1 мг гидролизованного крахмала за 1 мин в расчете на 1 г сухой массы против 2,6 мг в контрольном варианте (возрастание произошло в 3,1 раза по отношению к контрольному варианту). Использование при выращивании и других регуляторов роста способствовало увеличению активности кислых а-амилаз. Так, возрастание активности кислых а-амилаз по отношению к контрольным вариантам варьировало от 7 % при использовании защитно-стимулирущего комплексного биостимулятора до 65 % при использовании смеси Харди+Феровит. Следует отметить, что применение регулятора роста Феровит привело к увеличению активности только кислых изоформ а-амилаз на 35 % по отношению к контролю. Биопрепараты Харди и смесь Харди и Феровита повышали активность нейтральных и щелочных изоформ а-амилаз, хотя в меньшей степени по сравнению с кислыми изоформами. По отношению к контрольным вариантам выявлено увеличение активности нейтральных изоформ а-амилаз на 69 и 46 % соответственно и щелочных изоформ аамилаз на 35 и 16 % соответственно. Отмечено, что использование защитно-стимулирующего биопрепарата способствовало увеличению активности нейтральных изоформ а-амилаз покоящегося зерна на 15 % и щелочных изоформ а-амилаз на 6 % по отношению к контрольным вариантам. Выявлено, что активность изоформ Р-амилаз под действием биопрепаратов в покоящемся зерне пшеницы снижалась или не изменялась по сравнению с контрольными вариантами (табл. 2). Таким образом, можно сделать вывод, что общая амилазная активность покоящегося зерна возрастала в основном в результате роста активности а-амилаз.

Таблица 2. Влияние регуляторов роста на активность изоформ Р-амилаз (мг гидролизованного крахмала за 1 мин в расчете на 1 г сухой массы) в зерне яровой пшеницы

Было установлено, что при прорастании зерна происходит резкое возрастание активности ферментов амилолитического комплекса (табл. 1, 2). Результаты исследований показали, что на третьи сутки проращивания увеличение активности как изоформ а-амилаз (в 16-55 раз), так и изоформ Р-амилаз (в 1,6-4,1 раз) по сравнению с активностью изоформ амилаз покоящегося зерна. В дальнейшем по мере прохождения процессов прорастания увеличение активности амилазного комплекса семян пшеницы снижалось. Наибольшая активность кислых, нейтральных и щелочных а-амилаз получена на седьмые сутки проращивания семян пшеницы. Биорегуляторы в большинстве вариантов опыта увеличивали активность а-амилаз при прорастании семян, активизируя разные изоформы ферментного комплекса.

При прорастании семян защитно-стимулирующий биостимулятор способствовал увеличению активности кислых, нейтральных и щелочных изоформ а-амилаз, которое на седьмые сутки проращивания зерна по отношению к контрольным вариантам составило 33, 71 и 17 % соответственно (см. табл. 1). При этом активность Р-амилаз возрастала только для кислых изоформ ферментов и на седьмые сутки на 38 % по отношению к контролю (см. табл. 2). Активность нейтральных и щелочных изоформ Р-амилаз снижалась в 1,9 раз и в 2,7 раз соответственно по отношению к контролю.

Применение биопрепарата Феровит способствовало увеличению активности кислых, нейтральных и щелочных а-амилаз пророщенного зерна (см. табл. 2). Выявлено, что активность изоформ а-амилаз возрастала в течение семи суток. Однако интенсивность нарастания активности а-амилаз к седьмым суткам снижалась. Так, увеличение активности кислых изоформ а-амилаз на третьи сутки при использовании Феровита произошло в 2,4 раза, на седьмые сутки в 1,9 раз. Активность нейтральных изоформ а-амилаз увеличилась в 1,8 и 1,7 раз, щелочных изоформ а-амилаз в 1,6 и 1,1 раз соответственно по отношению к контрольному варианту. Действие препарата Феровит на активность изоформ Р-амилаз было похожим на действие органоминерального биостимулятора (см. табл. 2). Так, активность кислых изоформ Р-амилаз возрастала на 26 %, нейтральных и щелочных изоформ Р-амилаз снижалась на 26 и 58 % соответственно по отношению к контрольным вариантам.

Применение препарата Харди при прорастании зерна не оказало значительного влияния на активность изоформ а-амилаз (см. табл. 1). Активность кислых изоформ а-амилаз возрастала достоверно на третьи и пятые сутки, но к седьмым суткам активность изоформ не изменяется достоверно, хотя ее величина выше, чем в контрольном варианте. Активность нейтральных а-амилаз возрастала, достоверно начиная только с третьих суток. Активность щелочных изоформ а-амилаз проявляется положительно только на третьи сутки и затем опять снижается (см. табл. 1). Активность всех изоформ Р-амилаз при использовании регулятора роста Харди снижалась к седьмым суткам проращивания семян (см. табл. 2). Вероятно, что такое действие данного биопрепарата обусловлено недостаточным количеством действующего вещества при его применении. В данном случае рекомендуется использовать большую дозу для опрыскивания вегетирующих растений, а также большее количество обработок при выращивании яровой пшеницы.

Применение смеси двух препаратов Харди+Феровит способствовало увеличению активности изоформ а-амилаз, которое было ниже, чем эффективность отдельно препарата Феровит и выше, чем действие препарата Харди (см. табл. 1). При этом активность ферментного комплекса Р-амилаз снижалась для кислых, нейтральных и щелочных изоформ (см. табл. 2).

Таким образом, проведенные исследования позволили изучить эффективность последействия регуляторов роста различной природы на активность амилиотического комплекса зерна яровой пшеницы покоящегося зерна, а также при его прорастании. Было выявлено, что эффективность действия препаратов на активность ферментного комплекса амилаз отличалась в покоящемся зерне и при прорастании и зависела от активного компонента, входящего в состав изучаемого регулятора роста. В покоящемся зерне наибольшую эффективность влияния на активность изоформ а-амилаз проявил биопрепарат Харди, а также смесь препаратов Харди и Феровит. Однако при проращивании эффективность препарата Харди оказалась самая низкая. Использование органоминерального биостимулятора и регулятора Феровит оказало существенное действие на активность изоформ а-амилаз при проращивании зерна, что определяет высокий уровень растворимости эндосперма и способствует улучшению ростовых функций проростков и энергии их роста.

Заключение