Роль лектинів у регуляції утворення та функціонування фітобактеріальних симбіозів і асоціацій

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Національна академія наук України

Інститут фізіології рослин і генетики

03.00.12 - Фізіологія рослин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук

Роль лектинів у регуляції утворення та функціонування фітобактеріальних симбіозів і асоціацій

Кириченко Олена Василівна

Київ 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України, м. Київ

Науковий консультант: доктор біологічних наук, професор,

Коць Сергій Ярославович

Інститут фізіології рослин і генетики НАНУ,завідувач відділу симбіотичної азотфіксації

Офіційні опоненти:

доктор біол. наук, професор, член-кореспондент НАНУ,

Мусатенко Людмила Іванівна,

Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАНУ,

завідувач відділу фітогормонології

доктор біологічних наук, професор,

Таран Наталія Юріївна,

Київський національний університет

ім. Тараса Шевченка

завідувач кафедри фізіології і екології рослин

доктор біологічних наук, професор

Терек Ольга Іштванівна,

Львівський національний університет ім. Івана Франка,

завідувач кафедри фізіології і екології рослин

Захист відбудеться «15» грудня 2011 р. о 1000 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 9 листопада 2011 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради,

доктор біологічних наук Є.Ю. Мордерер

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Біологічна азотфіксація є фундаментальним науковим напрямом, розробка якого набуває особливої актуальності для впровадження у практику виробництва елементів екологічно безпечного землеробства, пов'язаних із поповненням запасів зв'язаного азоту ґрунтів, підвищенням їхньої родючості, одержанням якісної рослинної продукції (Старченков и др., 1984; Патика та ін., 2003). Азотфіксувальні мікроорганізми завдяки здатності засвоювати молекулярний азот атмосфери є джерелом біологічного азоту для рослин і ґрунту (Посыпанов, 2000; Тихонович, 2005; Черемисов, 2006; Gupta et al., 2002; Lupwayi, 2005). На особливу увагу заслуговує розробка шляхів інтенсифікації біологічної азотфіксації, спрямованих на максимальну реалізацію потенційних, генетично детермінованих можливостей азотфіксувальних мікроорганізмів (Волкогон, 2005; Коць и др., 2007). Отже, необхідно впроваджувати такі технологічні прийоми, які б підвищували продуктивність сільськогосподарських культур насамперед внаслідок реалізації біологічного потенціалу партнерів фітобактеріальних симбіозів і асоціацій. Це можливо лише за умови з'ясування сутності фізіолого-біохімічних процесів, які сприяють посиленому синтезу та функціонуванню ферментного нітрогеназного комплексу, відповідального за зв'язування азоту (Патика та ін., 2003; Коць та ін., 2010).

Продуктивність фітобактеріальних симбіозів і асоціацій значною мірою визначається спрямованістю та балансом молекулярних взаємодій рослин і ґрунтових мікроорганізмів, які сприяють формуванню в кореневій зоні пулу необхідних елементів живлення, збагачують ризосферу біологічно активними речовинами. Спектр останніх обумовлений рослинними і мікробними метаболітами (El-Shannawi, 2001) - регуляторними сполуками, що визначають ефективність утворення та функціонування симбіотичних систем. Використовуючи регуляторні речовини, можна впливати на взаємодію рослин і мікроорганізмів у напрямі поліпшення умов реалізації продуктивного потенціалу фітобактеріальних симбіозів і асоціацій. За даними українських учених (Волкогон та ін., 2006), застосування біологічно активних речовин може суттєво активізувати розвиток спонтанних азотфіксувальних мікроорганізмів і навіть замінити бактеризацію насіння. Можливості практичного застосування таких сполук суттєво розширюються при їх комплексному використанні з бактеріальними препаратами.

Регуляторними молекулами вищих рослин і ґрунтових азотфіксувальних мікроорганізмів при формуванні та функціонуванні фітобактеріальних симбіозів і асоціацій є бактеріальні полісахариди й рослинні лектини (Коць та ін., 2007; Rudiger, Gabius, 2001; Laus et al., 2006).

Лектини - група білків (глікопротеїнів), які об'єднані за здатністю обернено зв'язувати вуглеводи і вуглеводні детермінанти глікозильованих біополімерів, не викликаючи їх хімічних перетворень. Універсальність специфічного лектин-рецепторного розпізнавання (вуглевод-білкового, білок-білкового) лежить в основі взаємозв'язків і функціонування живих організмів та систем. На цій властивості лектинів ґрунтуються фізіологічні функції та прояв біологічних ефектів даних білків, що обумовлює їх роль як регуляторних молекул, зокрема при формуванні й функціонуванні фітобактеріальних симбіозів і асоціацій. Використання лектинів на практиці потребує фундаментальних досліджень білків даного класу, тому одночасний розвиток екстенсивного (створення й розширення бази білків-лектинів) та інтенсивного (оцінка біологічної активності лектинів) напрямів лектинології є актуальними питаннями сьогодення. Важливим є застосування лектинів і лектиновмісних екстрактів для регулювання фізіологічних процесів рослин, підвищення їх адаптаційної пластичності, продуктивності, покращення фітосанітарного стану ґрунту. Не зважаючи на актуальність таких досліджень, даний напрям тільки набуває свого розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках науково-дослідної роботи відділу симбіотичної азотфіксації Інституту фізіології рослин і генетики Національної академії наук України (ІФРГ НАНУ) протягом 2000-2010 рр. за темами «Вивчити процеси взаємодії бульбочкових бактерій із рослиною-хазяїном та розробити заходи підвищення продуктивності бобових культур за рахунок максимального використання біологічного азоту» на 2001-2005 рр. (р/№ 0101U000627) і «Дослідити фізіологічні процеси функціонування бобово-ризобіального симбіозу і розробити методи його інтенсифікації» на 2006-2010 рр. (р/№ 0106U006461). Робота підтримана Грантом Президії НАН України для молодих дослідників на виконання проекту «Симбіотична система соя-Bradyrhizobium japonicum: від молекул до азотфіксуючої бульбочки» у 2001 р. (№ 43/79 від 16.02.2001).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було з'ясування спектру біологічної активності лектинів бобових і зернових культур щодо рослин, ґрунтових азотфіксувальних мікроорганізмів, патогенних грибів, який визначає роль аглютинінів як регуляторних молекул при утворенні та функціонуванні фітобактеріальних систем, а також обґрунтування фізіологічних основ застосування лектинів і комплексних лектин-бактеріальних композицій в агробіотехнології.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити наступні завдання:

1. Дослідити роль лектинів як рецепторних молекул при взаємодії рослини-хазяїна з азотфіксувальними бактеріями.

2. Оцінити вплив лектину при передпосівній обробці насіння на ріст, розвиток і продуктивність рослин сої та пшениці, а також функціональну активність (азотфіксувальну, рістстимулювальну) ризосферної мікрофлори.

3. Визначити роль екзогенного лектину як можливого адаптогену за нормальних умов росту рослин та дії УФ-опромінення як абіотичного стресору. лектин фітобактеріальний симбіоз продуктивність рослина

4. Оцінити вплив лектинів на проростання спор, ріст деяких фітопатогенів та ступінь ураження рослин хворобами.

5. З'ясувати роль гаптена як модулятора біологічної активності лектину та лектин-бактеріальної композиції на рівні молекул, рослин і мікроорганізмів, фітобактеріальної асоціації.

6. Дослідити можливість створення та визначити основні напрями фізіологічної дії лектин-бактеріальних композицій на компоненти системи «рослина-ґрунт-бактерії».

Об'єкт дослідження. Біологічна активність лектинів сої, гороху, пшениці щодо рослин і ґрунтових мікроорганізмів при утворенні та функціонуванні симбіотичних бобово-ризобіальних систем: рослини сої (Glycine max L. (Merr.)), гороху (Pisum sativum L.) і бульбочкові бактерії (Bradyrhizobium japonicum штами 634б, 631; Bradyrhizobium sp. (Lupinus) штам 359а, Rhizobium leguminosarum bv. viciae штами 240б, 263б, 70; Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli 215а; Sinorhizobium meliloti 441); асоціативних систем: рослини пшениці (Triticum aestivum L.) й ризосферні мікроорганізми (Azotobacter chroococcum штами Т79, Т71; Azospirillum brasilense 410; Agrobacterium radiobacter 204, а також Pseudomonas fluorescens штами 267, 33); патогенних систем: рослини томату (Lycopersicum esculentum Mill) і фітопатогенні гриби (Alternaria sp., Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, а також Fusarium solani, Fusarium moniliforma, Pseudoperonospora cubensis (Curt.) et Rostov).

Предмет дослідження. Фізіолого-біохімічні реакції рослин, ґрунтових азотфіксувальних мікроорганізмів і фітопатогенних грибів на дію лектинів і лектин-бактеріальних композицій в умовах in vitro та in situ.

Методи дослідження. Фізіологічні (вегетаційні та польові дослідження, біотестування), біохімічні (оцінка вмісту цитокінінів і ауксинів, хлорофілу, РНК, флавоноїдів й ендогенної лектинової, пероксидазної, каталазної, нітрогеназної активностей), імунологічні (реакції гемаглютинації - РГА, гальмування гемаглютинації - РГГА), мікробіологічні (аналіз ризосферного ґрунту, оцінка росту бактерій і грибів in vitro), фітопатологічні (визначення розвитку захворювання рослин), статистичні (оцінка вірогідності отриманих результатів).

Наукова новизна отриманих результатів. Розширено уявлення про регуляторну роль фітолектинів на клітинному, організменному й системному рівнях організації фітобактеріальних симбіозів і асоціацій, яка обумовлена спектром біологічної активності аглютинінів (біоефекторної, рістрегуляторної, адаптогенної, фунгітоксичної, комунікативної) щодо компонентів системи «рослина-ґрунт-мікроорганізми» та характеризується полівекторною і пролонгованою дією лектинів на рослини й ґрунтові мікроорганізми in vitro та in situ.

Показано, що ступінь спорідненості фітолектинів до азотфіксувальних мікроорганізмів in vitro є показником специфічності симбіопартнерів і здатності утворювати функціональний азотфіксувальний симбіоз in situ. Вперше запропоновано використовувати оцінку лектин-бактеріальної взаємодії як основу для створення лектин-бактеріальних композицій за принципом максимальної комплементарності компонентів. Вперше обґрунтовано фізіологічні основи створення та доведено ефективність дії лектин-бактеріальних композицій за передпосівної обробки насіння пшениці, сої, гороху. Наявність позитивного зв'язку фотосинтетичної та ендогенної лектинової активностей листків рослин і нітрогеназної активності кореневих бульбочок й ризосферних діазотрофів за дії екзогенного лектину і лектин-бактеріальної композиції на насіння свідчить про залучення лектину до координації інтегральних фізіологічних процесів фотосинтезу й азотфіксації в фітобактеріальних симбіозах і асоціаціях.

Вперше показано, що фітолектини за дії на насіння активізують проростання насіння, ріст рослин, змінюють перебіг їх метаболічних процесів, формування вегетативної маси й урожаю, а також розвиток і функціональну здатність (нітрогеназну, рістстимулювальну) мікрофлори ґрунту. Виявлено, що аглютинін пшеничних зародків при передпосівній обробці насіння підвищує вміст і змінює співвідношення ендогенних цитокінінів і ауксинів, флавоноїдів і пероксидази як компонентів ІОК-оксидазної системи контролю у листках пшениці, наслідком чого є відмінності у реалізації морфогенетичної програми розвитку рослин, що контролюється даними фітогормонами.

Вперше показано, що при передпосівній обробці насіння лектином і лектин-бактеріальною композицією збільшується рівень ендогенних лектинів, флавоноїдів, активність антиоксидантних ферментів у листках, що свідчить про підвищення захисного потенціалу і швидкості індукованої відповіді рослини на дію зовнішніх чинників. Встановлено, що лектини проявляють захисний ефект щодо інфікованих патогенами рослин, характер якого є неспецифічним до рослини і специфічним до фітопатогену та максимально вираженим на ранніх етапах розвитку хвороби.

Вперше показано, що N-ацетил-D-глюкозамін - гаптен аглютиніну зародків пшениці - частково знімає, але не виключає повністю біоефекти екзогенного лектину на компоненти системи «рослина-ґрунт-мікроорганізми», що є доказом лектинової природи їх виникнення на всіх рівнях організації фітобактеріальної асоціації. Встановлено, що глюкозамін за дії на насіння проявляє регуляторну активність, результатом якої є підвищення продуктивності рослин, стимуляція розвитку азотфіксувальних ризосферних мікроорганізмів, а також бактерій A. chroococcum Т79 у монокультурі та лектин-бактеріальній композиції.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено способи посилення симбіотичного потенціалу ризобій та бактеріального навантаження інокулюму при виготовленні добрив, які передбачають використання в якості біологічно активних речовин лектинів (патент України № 55620А від 15.04.2003. Бюл. № 4) і ризобіальних екзометаболітів (патент України № 62819А від 15.12.2003. Бюл. № 12).

Пропонується використовувати ступінь спорідненості фітолектину до бактерій в умовах in vitro для прогнозування ефективності азотфіксувальних систем in situ та створення лектин-бактеріальних композицій за принципом максимальної комплементарності компонентів. Рекомендовано застосовувати лектин-бактеріальні композиції з лектином у концентраціях (5-20 мкг/мл), які є ефективними й економічно виправданими за рахунок зменшення в них діючої концентрації аглютиніну, для передпосівної обробки насіння бобових (соя, горох) і зернових (пшениця яра, озима) культур із метою підвищення їх продуктивності та покращення екологічного стану ґрунту.

Одним із ефективних біотехнологічних прийомів підвищення продуктивності продовольчих культур є застосування чистих фітолектинів як біологічно активних речовин широкого спектру дії для передпосівної обробки насіння й обприскування рослин по вегетації. Пропонується використовувати фітолектини як фактори підвищення неспецифічної стійкості рослин до дії абіотичних (УФ-опромінення) і біотичних (фітопатогени) чинників середовища. Спосіб використання лектинів для обмеження розвитку хвороб овочевих культур захищений патентом України на корисну модель № 41723. від 10.06.2009. Бюл. № 11.

Пропонується використовувати азотфіксувальні бактерії Azotobacter chroococcum T79 при вирощуванні ярої пшениці (патент України на корисну модель № 59561 від 25.05.2011. Бюл. № 10) та як один із компонентів при виготовленні комплексних бактеріальних добрив (патент України на винахід № 62820А від 15.12.2003. Бюл. № 12) і лектин-бактеріальних композицій (Кириченко, Коць, 2011). Показано можливість використання глюкозаміну як вуглеводної речовини рістрегуляторної дії для передпосівної обробки насіння ярої пшениці й активації бактеріального компоненту інокуляційної суспензії.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно розроблено напрями, програму і план досліджень дисертаційної роботи, проаналізовано наукову літературу з тематики досліджень, обґрунтовано методологію й алгоритм проведення дослідів, виконано основну частину й узагальнено експериментальні результати, проведено їхню статистичну обробку та порівняльний аналіз із літературними даними, підготовлено та опубліковано матеріали досліджень і патентування розробок, сформульовано висновки. Основні результати роботи отримані автором самостійно. У виконанні окремих експериментів брали участь співробітники Інституту захисту рослин НААНУ (ІЗР НААНУ; фітопатологічні дослідження), Інституту клітинної біології та генетичної інженерії НАНУ (оцінка протекторної дії АЗП за умов УФ-опромінення), кафедри ГІС та технологій і кафедри зберігання та переробки зерна НУБіП (польові досліди, оцінка якості зерна), а також співробітники відділів фізіології та екології фотосинтезу (визначення інтенсивності фотосинтезу), генетичної інженерії (оцінка вмісту РНК, польові досліди), мутагенезу (польові досліди), симбіотичної азотфіксації (оцінка активності антиоксидантних ферментів, вмісту фітогормонів, вегетаційні, польові досліди) ІФРГ НАНУ, яким автор висловлює щиру подяку. Результати сумісних досліджень відображено у спільних публікаціях, авторство здобувача в яких становить 40-90 %.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати за матеріалами дисертації були представлені на міжнародних та вітчизняних наукових і науково-практичних конференціях: «Онтогенез рослин, біологічна фіксація молекулярного азоту та азотний метаболізм» (Україна, Тернопіль, 2001), «Новые технологии получения и применения биологически активных веществ» (Україна, Сімферополь, 2002), ESNA XXXII Annual Мeeting (Poland, Warsaw, 2002), 11 Inter. Congress on Molecular Plant-Microbe Interaction (Russia, S.-Petersburg, 2003), «Живлення рослин: теорія і практика» (Україна, Київ, 2005), «Стратегия защиты растений в III тысячелетии» (Білорусь, Мінськ, 2006), «Фактори експериментальної еволюції організмів» (Україна, Алушта, 2006), ESNA XXXVII Annual Мeeting (Russia, Dubnа, 2007), «Фундаментальные и прикладные аспекты исследования симбиотических систем» (Росія, Саратов, 2007), «Досягнення і проблеми генетики, селекції та біотехнології» (Україна, Алушта, 2007), ESNA XXXVIII Annual Мeeting (Poland, Krakow, 2008), ХІІ з'їзді товариства мікробіологів України (Україна, Ужгород, 2009), IV з'їзді Українського товариства фізіологів рослин (Україна, Київ, 2009), ESNA ХХХІХ Annual Meeting (Czech Repablic, Brno, 2009), V Між. науково-практичній конференції «Современные проблемы народно-хозяйственного комплекса» (Росія, Москва, 2011), Науково-практичній конференції «Мікробні препарати в сільському господарстві» виставка «Агро 2011» (Україна, Київ, 2011), VІІ з'їзді товариства фізіологів рослин Росії (Росія, Нижній Новгород, 2011), 4th Congress of FEMS (Geneva, Switzerland, 2011).

Публікації. Результати досліджень опубліковано у 57 роботах у вітчизняних і закордонних виданнях, з яких 32 - статті у фахових виданнях, 18 - статті, тези, матеріали конференцій, 5 - патенти України, 2 - колективні монографії.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 404 сторінках комп'ютерного тексту, складається зі вступу, 8 розділів, узагальнення, висновків, списку використаної літератури (436 джерел), додатків (20). Робота містить 110 таблиць, 13 рисунків, 4 схеми.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ

У розділі висвітлено сучасні уявлення щодо фізіологічної ролі лектинів у рослинах, екзогенної дії лектинів на вищі рослини і мікроорганізми та намічено аспекти практичного застосування даних білків. Представлено огляд літературних джерел з різних напрямів використання агрономічно корисних азотфіксувальних ґрунтових мікроорганізмів і шляхів інтенсифікації симбіотичного потенціалу фітобактеріальних симбіозів і асоціацій з метою підвищення їхньої продуктивності.

МАТЕРІАЛИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Дослідження проводили з рослинами сої (Glycine max L. (Merr.)) сорту Мар'яна, гороху (Pisum sativum L.) сорту Схід, ярої пшениці (Triticum aestivum L.) сортів Рання 93 та Колективна 3, озимої пшениці сортів Київська 8, Ятрань 60, Подолянка, Поліська 90, пшениці-дворучки сорту Зимоярка, рослинами томату (Lycopersicuт esculentuт Mill.) сортів Аміко, Іскорка, Флора, а також різними групами мікроорганізмів - бульбочковими бактеріями, вільноіснуючими ґрунтовими діазотрофами (колекція мікроорганізмів відділу симбіотичної азотфіксації ІФРГ НАНУ), патогенними грибами (колекції ІМВ ім. Д.К. Заболотного НАНУ та ІЗР НААНУ). У дослідах використовували комерційні препарати лектинів насіння сої, гороху, аглютиніну зародків пшениці (АЗП) та гаптен АЗП N-ацетил-D-глюкозамін («Лектинотест», м. Львів).

Вегетаційні та мікровегетаційні досліди проводили протягом 2000-2010 рр. на дослідному майданчику й у вегетаційному будиночку ІФРГ НАНУ та у теплиці ІЗР НААНУ. Польові досліди - протягом 2002-2008 рр. на базі науково-виробничого відділу ІФРГ НАНУ (смт. Глеваха, Київська обл., площа ділянки 10 м2), Українського інституту експертизи сортів рослин (Київська обл., смт. Бородянка, площа ділянки 50 м2), Київського науково-дослідного центру (Київська обл., смт. Борова, площа ділянки 5-10 м2) та полях СГ ТОВ Гостролуччя (Київська обл., Баришевський район, площа 2 га) відповідно до вимог державного випробування (Трибель та ін., 2001). Обробку насіння розчинами лектинів і лектин-бактеріальними композиціями здійснювали з розрахунку 100 мл препарату на гектарну норму насіння, контролем було насіння, змочене водою. Ефективність захисної дії лектинів за ураження рослин патогенами оцінювали (за Голишин, 1974) при обприскуванні рослин у основні фази вегетації.

Визначали фізіологічні показники розвитку рослин, бульбочкоутворюючу (нодуляційну) здатність ризобій (за кількістю бульбочок на рослині) і нітрогеназну активність кореневих бульбочок ацетиленовим методом (Нardy et al., 1968) на хроматографі «Chromatograf-504», «Mera Elwro», Польща). Ефективність бобово-ризобіальних симбіозів визначали за масою кореневих бульбочок, вегетативною масою і урожайністю рослин. Для оцінки загальної кількості олігоазотрофів у зразках ризосферного ґрунту застосовували метод граничних розведень водної суспензії ґрунту з наступним її висівом вглиб агаризованого середовища Ешбі та підрахунком колоній, що виросли (Антипчук, 2005). Фотосинтетичну активність рослин - за допомогою оптико-акустичного інфрачервоного газоаналізатора (Гуляев и др., 1983). Рістактивуючу здатність ризосферного ґрунту - методом фітотестів (тест-об'єкт - редис або крес-салат) (Гродзинський, 1991).

У листках рослин у різні фази вегетації визначали вміст РНК (Nagy et al., 1988), цитокінінів та ІОК (Савинский и др., 1991), флавоноїдів (Георгиевский и др., 1990; Carrao-Panizzi et al., 2002), хлорофілу (Hiscox, Israelstam, 1979), ендогенну лектинову активність за модифікованою нами (Маличенко и др., 1994) методикою (Rigas, Osgood, 1955), пероксидазну активність (Починок, 1976) з урахуванням рекомендацій (Salzwedel, Dazzo, 1993), які розроблені для визначення ферменту in vitro, каталазну ативність (Frensis, Alexander, 1972). Білки з лектиновою активністю виділяли з рослинного матеріалу (проростки (пагін і корінець), листки, коріння, бульбочки, бутони, насіння). Вміст білку в препаратах оцінювали за різницею в поглинанні світла в УФ-області спектра при довжині хвилі 235 та 280 нм на приладі «Specord M40» («Carl Zеiss Jena», Німеччина) (Whitaker, Einar, 1980). Лектинову активність тестували в РГА (Луцик и др., 1983) та виражали в ОА/50 мкл, ОА/мг білку і сумарним балом. Одиниця аглютинації (ОА) - величина, обернена до титру аглютинації, представляла фактичну лектинову активність (ФЛА). Сумарний бал - сума балів реакції однієї проби, за якими оцінюється характер осаду в лунках імунологічного планшету в ході її розведення при визначенні гемаглютинувальної активності одного зразка. Питому лектинову активність (ПЛА) виражали в одиницях аглютинації на 1 мг білку (ОА/мг). Титр аглютинації та ПЛА є відносними показниками кількісного вмісту лектину в зразках (Ямалеева, 2001). Ступінь взаємодії лектинів із культурами мікроорганізмів та різними компонентами у композиціях (гаптеном, бактеріями) визначали в РГГА (Луцик и др., 1983). Мікробіологічні дослідження проводили в стерильних умовах, використовуючи методи колодязів, фільтрів, посіву газоном, титрування культур, тощо. Фунгітоксичну активність лектинів визначали методом первинної оцінки у краплях на предметних скельцях (Голишин, 1976). Статистичну обробку результатів здійснювали методом дисперсійного аналізу (Доспєхов, 1985) та з використанням пакетів комп'ютерних програм Microsoft Exel'03 і Statgraphics Рlus (V. 3.0).

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ

ЗНАЧЕННЯ ФІТОЛЕКТИНІВ У ВСТАНОВЛЕННІ СПЕЦИФІЧНОСТІ СИМБІОНТІВ ПРИ ФОРМУВАННІ АЗОТФІКСУВАЛЬНИХ

ФІТОБАКТЕРІАЛЬНИХ СИСТЕМ

Одним із молекулярних механізмів ранніх етапів формування симбіозів і асоціацій є вуглевод-білкова й білок-білкова взаємодії рослин та мікроорганізмів, які реалізуються за участю лектинів.

Комплементарна взаємодія лектинів бобових рослин із бульбочковими бактеріями як один із показників специфічності симбіонтів. Оцінка ступеню комплементарності фітолектинів до суспензій гомо- і гетерологічних рослинам бульбочкових бактерій і ризосферних діазотрофів in vitro показала різний рівень спорідненості компонентів (рис. 1). Низький відсоток зв'язування лектину з бактеріями (10-40 %), який є характерним для гетерологічних до рослини бульбочкових бактерій і ґрунтових діазотрофів, вказує на неспецифічний характер їх взаємодії та нездатність утворити функціональний азотфіксувальний симбіоз. Висока комплементарність лектину до бактерій (60-90 %), яка характерна для гомологічних до рослини ризобій свідчить про специфічність потенційних симбіопартнерів.

Визначення сумісності бобових рослин і бульбочкових бактерій на рівні лектин-бактеріальної взаємодії (рис. 1) та цілісних організмів (рослини сої-гомо-, гетерологічні ризобії, табл. 1) засвідчило, що тільки ті бактерії, які характеризувалися максимальною спорідненістю до лектину рослини-хазяїна, утворювали на її коренях повноцінні функціональні бульбочки з високою нітрогеназною активністю.

Отже, оцінка спорідненості фітолектину до бактерій в умовах in vitro може бути одним із показників тест-системи визначення сумісних симбіопартнерів, здатних утворювати функціональний азотфіксувальний симбіоз in situ.

РИС. 1. Ступінь взаємодії лектинів насіння гороху (А), сої (Б), аглютиніну зародків пшениці (В) з азотфіксувальними мікроорганізмами

(на осі ординат - % зв'язування лектином бактерій у РГГА)

1- Rhizobium leguminosarum bv. viciae 263б, 2 - R. leguminosarum bv. viciae 70,

3 -Rhizobium leguminosarum bv. phaseoli 215a, 4 - Sinorhizobium meliloti 441,

5 - Bradyrhizobium sp. (Lupinus) 359a, 6 - Bradyrhizobium japonicum 634б,

7 - Azotobacter chroococcum Т71, 8 - A. chroococcum Т79,

9 - Agrobacterium radiobacter 204, 10 - Azospirillum brasilense 410.

Таблиця 1.

Формування та функціонування симбіозу сої з гомо- і гетерологічними бульбочковими бактеріями (фаза трьох справжніх листків)

Варант	Взаємодія бактерій з лектином сої, %	Бульбочки на рослину	Нітрогеназна активність
		кількість шт.	маса, мг	мкмоль С2Н4/ (рослину х год)	мкмоль С2Н4/ (г бульбочок х год)
Вода	-	1±0	6,8±2,3	-	-
634б	60-87,5	39±2	97,8±6,0	3,17±0,75	34,46±3,28
359а	40-62,5	1±0	4,5±1,7	-	-
263б	10-25	8±2	25,5±5,7	-	-

Примітка: Вода - контроль; 634б - B. japonicum 634б - гомологічні до рослин сої, 359а, 263б відповідно B. sp. (Lupinus) 359a, R. leguminosarum bv. viciae 263б - гетерологічні до рослин сої.

Особливості взаємодії фітолектинів і діазотрофів. Первинна взаємодія мікробних клітин із фітолектинами in situ відбувається в зоні проростання насіння та ризосфері, куди лектини потрапляють із насіннєвими і кореневими екзометаболітами і безпосередньо впливають на ґрунтові мікроорганізми. Дослідження впливу лектинів на ріст культур ґрунтових бактерій in vitro засвідчило відмінності у ростовій реакції мікроорганізмів (табл. 2).

Таблиця 2.

Вплив фітолектинів на ріст культур ґрунтових мікроорганізмів на агаризованих живильних середовищах (зони активації росту, мм; "-" відсутні)

Варіант	Лектин, мкг/мл
	сої	гороху	пшениці
	5	100	5	100	5	100
B. japonicum 634б	4,7±0,6	5,0±0,5	5,3±0,6	2,0±0,0	-	-
S. meliloti 441	-	-	4,3±0,6	7,0±1,0	-	-
R. leguminosarum bv. viciae 263б	-	-	5,7±0,6	9,0±0,5	-	-
A. chroococcum Т79	10,3±0,5	6,7±0,3	9,0±0,5	10,0±0,0	10,0±0,0	8,3±0,7
A. brasilense 410	9,0±1,0	11,0±0,5	5,0±0,0	-	5,0±0,5	7,3±0,7

Виявлено певну специфічність у парах лектин рослини-хазяїна - гомологічні бульбочкові бактерії. Найбільше стимулювання росту зафіксовано у A. chroococcum T79: зони активації росту культури були максимальними, що може свідчити про більшу адаптованість азотобактеру як вільноіснуючого виду ризосферних бактерій до кореневих виділень різних рослин. Дане припущення підтверджується результатами оцінки ПЦР-аналізу генів nifH та 16S рРНК, завдяки якій у популяції ґрунтових мікроорганізмів ідентифіковані широко розповсюджені й активні за азотфіксацією бактерії роду Azotobacter (Burgmann et al., 2005). Нами виявлено максимальний ступінь взаємодії (до 45 %) даних бактерій порівняно до інших діазотрофів (10 %) із АЗП в умовах in vitro (рис.1), що свідчить про ефективність асоціацій пшениця-азотобактер in situ (Кириченко и др., 2010; патент України № 59561, 2011).

Принцип максимальної комплементарності лектину і азотфіксувальних бактерій покладено в основу створення нового класу лектин-бактеріальних композицій: Bralec (бралек) (B. japonicum 634б + лектин насіння сої), Rhizolec (ризолек) (R. leguminosarum bv. viciae 240б + лектин насіння гороху) та Azolec (азолек) (A. chroococcum Т79 + АЗП).

Показано (табл. 3), що за сумісної інкубації азотфіксувальних бактерій з максимально комплементарним до них фітолектином in vitro збільшується кількість колонієутворюючих одиниць (КУО) мікроорганізмів у культурі, що свідчить про можливість використання аглютинінів як рістрегуляторних сполук для мікроорганізмів з метою підвищення інокуляційного навантаження при виготовленні бактеріальних препаратів.

Отже, в умовах in vitro встановлено селективність взаємодії фітолектинів із азотфіксувальними мікроорганізмами, особливості їх впливу на ріст бактеріальних культур, що виявляє один із аспектів фізіологічної ролі лектинів - компонентів кореневих екзометаболітів рослин як екологічних факторів щодо ґрунтової мікрофлори in situ.

Таблиця 3.

Вплив рослинного лектину на чисельність (КУО - кількість колонієутворюючих одиниць) мікроорганізмів при сумісній інкубації

Варіант	Кількість КУО / мл суспензії
	шт.	%
A. chroococcum T79	(2,7±0,2) х 105	100
Azolec (A. chroococcum T79 + АЗП)	(7,7 ±0,7) х 105	285
B. japonicum 634б	(2,3 ±0,2) х 107	100
Bralec (B. japonicum 634б + лектин сої)	(4,9 ±0,5) х 107	213

ФІТОЛЕКТИНИ ЯК ПРИРОДНІ РЕГУЛЯТОРИ РОСТУ РОСЛИН

Вплив фітолектинів при обробці насіння на розвиток рослин у ранні фази онтогенезу. Експериментальний матеріал, отриманий в лабораторних (проростки) і мікровегетаційних (вік рослин до 30 діб) дослідах (стерильні/напівстерильні умови) виявив біологічну активність фітолектинів при передпосівній обробці насіння, в результаті якої відбувалась стимуляція проростання насіння й росту проростків. Прояв рістрегуляторного ефекту визначався діючою концентрацією лектину, його вуглеводною специфічністю, сортовою відмінністю рослин. Так, активність АЗП щодо сортів озимої пшениці максимально проявлялася на стадії формування проростків, для ярої - на стадії виходу насіння зі стану спокою. Встановлені відмінності пов'язані з особливостями фізіологічного розвитку рослин: для підготовки до зимівлі озима пшениця повинна сформувати потужні рослини, а для ярої навесні позитивним є прискорення появи сходів і їхня масова схожість. При цьому не виявлено чіткої специфічності у рістрегуляторній активності лектинів щодо рослин і мікроорганізмів, глюкозоспецифічні лектини проявляли вищу активність, ніж галактозоспецифічні.

Особливості розвитку та продуктивність рослин сої за дії екзогенного лектину на насіння. Стимулювальний ефект екзогенного лектину сої при передпосівній обробці насіння щодо росту й розвитку рослин підтверджено у вегетаційних і польових дослідах (піщана, ґрунтова культури; напівстерильні/нестерильні умови; повна вегетація рослин). Встановлено максимально ефективні діючі концентрації лектину (5, 500 мкг/мл), які сприяли росту та підвищували продуктивність рослин сої (рис. 2А, табл. 4).

Інтенсивність формування маси та урожаю рослинами пшениці ярої за умов передпосівної обробки насіння специфічним лектином. Результати вегетаційних і польових (ґрунтова культура; нестерильні умови; повна вегетація рослин) дослідів засвідчили рістстимулювальну дію АЗП у концентраціях 10 і 40 мкг/мл за передпосівної обробки насіння пшениці, проявом якої був активний ріст рослин, формування вегетативної маси, особливо кореневої системи, та урожаю зерна (рис. 2Б, табл. 4).

Практичним результатом даних досліджень може бути використання в агробіотехнології способу передпосівної обробки насіння сої та пшениці розчинами лектинів із метою підвищення урожайності даних культур.

РИС. 2. Ріст рослин сої (А) та формування надземної маси рослинами пшениці ярої (Б, середнє за 3 роки) за передпосівної обробки насіння специфічним лектином

Таблиця 4.

Урожай рослин пшениці ярої та сої за дії специфічних лектинів на насіння (польові досліди, Київська обл., смт. Глеваха)

Варіант	Урожай зерна/насіння, ц/га	Прибавка до контролю
		ц/га	%
Пшениця яра сорту Рання 93, 2003 р., пряме комбайнування
Вода (контроль)	32,5±0,7	-	-
АЗП 40 мкг/мл	38,3±1,8*	+ 5,8	+17,9
НІР 0,05	4,7
Пшениця-дворучка сорту Зимоярка, 2007 р., пряме комбайнування
Вода (контроль)	36,8±1,4	-	-
АЗП 40 мкг/мл	45,0±0,8*	+8,20	+22,3
НІР 0,05	2,9
Соя сорту Мар'яна, 2002-2003 рр., ручне збирання
Вода (контроль)	31,7±0,9		-
Лектин сої 500 мкг/мл	35,9±1,8*	+4,2	+13,3
Лектин сої 5 мкг/мл	35,0±2,0*	+3,3	+10,4
НІР 0,05	2,7

Примітка: * - достовірно (Р?0,05) до контролю (обробка насіння водою).

ЕНДОГЕННА ЛЕКТИНОВА АКТИВНІСТЬ РОСЛИН ЗА ДІЇ ЕКЗОГЕННОГО ЛЕКТИНУ НА НАСІННЯ

Гемаглютинувальна активність ендогенного лектину в різних органах рослин сої. Дослідження фізіологічної ролі та значення лектинів у онтогенезі рослин потребує визначення функціональної активності, специфічності й органолокалізації ендогенних лектинів. Оцінка ендогенної лектинової активності (ЕЛА) в різних органах (листки, коріння, бутони) рослин сої за дії на насіння специфічного лектину показала підвищення даного показника і його динамічність протягом онтогенезу. Зміна рівня ЕЛА залежала від діючої концентрації екзогенного лектину (5, 50, 500 мкг/мл). ЕЛА листків суттєво перевищувала таку коренів, що може вказувати на включення лектину до регуляції метаболічних процесів у надземній частині рослини. Наявність ЕЛА в бутонах пов'язана з участю лектинів у закладанні генеративних органів: рослини, які мали високу лектинову активність генеративних органів формували й більшу кількість насінин.

Лектинова активність насіння сої. Насіння сої широко використовують як продукти харчування людей і годівлі тварин, тому актуальним є питання оцінки впливу лектинів насіння на їхню харчову цінність, оскільки високий вміст білків даного класу призводить до її зниження. Нами показано, що застосування очищеного лектину сої та композицій із високим вмістом білку (50, 500 мкг/мл) для обробки насіння приводить до підвищення рівня ЕЛА в насінні урожаю порівняно з посівним насінням, контрольним варіантом (обробка водою) та варіантом із інокуляцією ризобіями. Композиція з лектином 5 мкг/мл не чинила такої дії. Отже, для передпосівної обробки насіння ми пропонуємо лектин-бактеріальну композицію або лектин сої у концентрації 5 мкг/мл, яка сприяє підвищенню урожаю рослин (табл. 4), є економічно виправданою й екологічно безпечною.

Лектинова активність проростків ярої та озимої пшениці. Порівняльна оцінка ЕЛА в проростках ярої та озимої пшениці при обробці насіння АЗП засвідчила відмінності у накопиченні білків лектинової природи. Максимальною ЕЛА характеризувались проростки ярої пшениці сортів Рання 93 і Колективна 3 у порівнянні з озимою сортів Київська 8 і Ятрань 60, але на дію АЗП більш чутливими виявилися сорти озимої пшениці, ЕЛА яких перевищувала контроль в 4,5 і 8 разів, тоді як для ярої - вдвічі. ЕЛА корінців суттєво переважала ЕЛА пагонів, що підтверджує активний синтез і локалізацію ендогенних лектинів у меристематичних тканинах корінців проростків. Отже, передпосівна обробка насіння екзогенним лектином змінює вміст, активність та перерозподіл ендогенного лектинового пулу в різних органах рослин.

Кількісні зміни вмісту РНК та лектинової активності в листках пшениці за дії лектину на насіння. Рістрегуляторна активність фітолектинів щодо рослин, згідно нашого припущення, може бути обумовлена індукторною здатністю лектинів як чинників білкової природи щодо функціональної активності генів у процесі онтогенезу рослин, про що свідчить підвищення активності ендогенного лектинового пулу в рослинах протягом онтогенезу. Нами встановлено (табл. 5) підвищення вмісту сумарної РНК, яке супроводжувалося збільшенням ЕЛА в листках вегетуючих рослин пшениці при обробці насіння АЗП. Отже, екзогенний АЗП здатен індукувати кількісні зміни синтезованої сумарної РНК, що спряжено з ендогенною лектиновою активністю. Позитивні зміни морфофізіологічних показників розвитку рослин пшениці можуть бути відображенням змін у реалізації їх генетичної програми розвитку. Біологічна активність екзогенного лектину пригнічувалася гаптеном N-ацетил-D-глюкозаміном, про що свідчить зниження у варіанті лектин+гаптен (Л+Г) рівня синтезованої в клітинах листків РНК на 57 % і ЕЛА на 29 % порівняно до варіанту з АЗП (табл. 5). ЕЛА у варіанті з обробкою насіння лектин-бактеріальною композицією перевищувала контроль на 25 % і дорівнювала показнику у варіанті з композицією Л+Г. Аналогічний характер дії лектинових композицій на зміну ЕЛА пов'язаний з частковим зв'язуванням АЗП іншим компонентом (гаптеном або бактеріями) за рахунок чого зменшується частка вільного лектину. При цьому обробка насіння Azolec не приводила до підвищення рівня РНК, що може пояснюватись опосередкованою дією лектину на рослину, яка відбувається через бактеріальну клітину, за рахунок чого послаблюється прямий ефект АЗП на синтез рослинної РНК.

Отримані результати є одним із доказів індукторної здатності екзогенного АЗП та свідчать про пролонгований ефект лектину щодо рослини, який опосередкований варіюваннями активності ендогенного лектинового пулу у вегетативних органах пшениці. Не виключено також, що екзогенні лектини задіяні у трансдукції сигналів різних метаболічних шляхів.

Таблиця 5.

Лектинова активність і загальна кількість РНК у листках пшениці ярої за дії екзогенного лектину (АЗП) на насіння (фаза трубкування)

Варіант	Лектинова активність	Кількість РНК
	ОА/50мкл	ОА/мг білку	%	мкг/г тканини	%
Вода (контроль)	16	197,3±0,2	100	90,416±5,458	100
АЗП	32	304,6±1,5	154	220,306±8,335	244
Л+Г	16	247,5±3,5	125	168,602±8,970	187
Azolec	16	246,3±0,2	125	93,441±2,172	103

Примітка: дивись тут і надалі: ОА - одиниця аглютинації;

АЗП - аглютинін зародків пшениці, Л+Г - лектин+гаптен N-ацетил-D-глюкозамін, Azolec - АЗП+бактерії A. chroococcum T79.

Зміна рівня ендогенних цитокінінів і ауксинів у листках пшениці за дії лектину на насіння. Рістрегуляторна активність екзогенного лектину щодо рослини може бути пов'язана також і з залученням лектинів разом із фітогормонами до регуляції процесів росту та розвитку рослин (Безрукова и др., 2004, Rudiger, Gabius, 2001; Khosrowshahli et al., 2002). Нами показано, що за дії АЗП суттєво підвищувався рівень ендогенних цитокінінів і ауксинів у листках пшениці: зеатину й зеатинрибозиду - в 2,4 й 3,4 рази, ІОК - удвічі. Співвідношення цитокініни:ІОК, якщо кількість цитокінінів прийняти за одиницю (ц=1, табл. 6), становило 1:1,5, що вказує на зростання долі цитокінінів відносно ауксинів (у контролі 1:2,2). Отже, за дії АЗП на насіння відбувається зміна співвідношення кількості фітогормонів даних класів у напрямі накопичення цитокінінів (при перевазі запасної форми), що свідчить про їх активний синтез і транспортування по рослині. Під впливом глюкозаміну зміна вмісту фітогормонів проявлялась у суттєвому підвищенні рівня ІОК - в 3,2 рази, зеатину й зеатинрибозиду - відповідно в 2,0 і 2,5 рази. Співвідношення гормонів становило 1:2,9. При передпосівній обробці насіння композицією Л+Г зростав рівень ІОК і цитокінінів - відповідно в 1,7 і 2,0 рази. В загальному пулі останніх максимально (в 4,3 рази) збільшувалась доля активної форми зеатину, який перевищував вміст зеатинрибозиду в 2,4 рази. Такий баланс активної і зв'язаної форм цитокінінів на тлі зростання ІОК менше, ніж удвічі, відрізняє рослини даного варіанту від інших і вказує на суттєві відмінності в їхньому фітогормональному балансі.

Таблиця 6.

Вміст фітогормонів цитокінінової й ауксинової природи в листках пшениці ярої за дії АЗП і N-ацетил-D-глюкозаміну на насіння (фаза трубкування)

Варіант	Зеатин	Зеатин-рибозид	Зеатин + зеатин-рибозид	ІОК	Спввідно-шення цитокініни: ауксини (ц=1)
	мкг/г	мкг/г	мкг/г	мкг/г
Вода	0,70±0,04	1,39±0,07	2,09±0,05	4,48±0,22	1:2,2
Глюкозамін	1,41±0,13	3,46±0,25	4,88±0,12	14,35±0,72	1:2,9
АЗП	1,70±0,09	4,70±0,24	6,40±0,16	9,47±0,49	1:1,5
Л+Г	2,96±0,15	1,24±0,06	4,19±0,21	7,62±0,38	1:1,8

Отже, в результаті впливу на ендогенний рівень фітогормонів цитокінінової й ауксинової природи АЗП і глюкозамін можуть залучатися до загальної системи регуляції різноманітних фізіологічних процесів, що контролюються даними гормонами. На користь цього свідчать результати оцінки фізіолого-біохімічних показників розвитку рослин й азотфіксувальної здатності ризосферних мікроорганізмів пшениці (табл. 7). Суттєве підвищення рівня цитокінінів, відмічене за дії АЗП, супроводжувалось і максимальним збільшенням вмісту хлорофілу, який перевищував контроль на 28 %, а показники у варіантах із аміноцукром і Л+Г - на 10 і 20 % відповідно. Рослини, насіння яких обробляли глюкозаміном, більш активно формували вегетативну масу, особливо кореневу систему (табл. 7): маса коренів перевищувала контроль на 46 %, показник варіанту з АЗП - на 25 %; надземна маса - відповідно на 33 і 12 %. Відмічені нами особливості фізіологічного розвитку рослин є наслідком впливу глюкозаміну на вміст фітогормонів у бік суттєвішого підвищення рівня ІОК, ніж цитокінінів. За сумісної дії Л+Г вміст цитокінінів підвищувався лише в 1,7 рази і в листках пшениці зафіксовано мінімальний вміст хлорофілу порівняно до інших дослідних варіантів. Однак, у наступну фазу вегетації пшениці (колосіння) вміст хлорофілу підвищувався до рівня варіанту з дією АЗП, що, вірогідно, відбулося в результаті змін рівня активної та зв'язаної форм цитокінінів у напрямі максимального накопичення активного зеатину.

Таблиця 7.

Вміст хлорофілу та формування вегетативної маси рослинами і азотфіксувальна активність ризосферних мікроорганізмів пшениці ярої

№	Фаза розвитку рослин
	трубкування	колосіння	трубкування
	Вміст хлорофілу	Маса	Нітрогеназна активність мікроорганізмів
	мг/г листків	%	мг/г листків	%	рослини	надземної частини	кореня	нмоль С2Н4/ (рослину х год)	%
					г	%	г	%	г	%
1	1,73±0,01	100	2,34±0,02	100	5,66±0,19	100	4,06±0,26	100	1,60±0,12	100	1,42±0,25	100
2	2,04±0,04	118	2,84±0,01	123	7,74±1,10	137	5,40±0,70	133	2,34±0,40	146	3,16±0,50	223
3	2,21±0,04	128	3,09±0,09	132	6,86±0,26	121	4,93±0,26	121	1,93±0,25	121	2,33±0,13	164
4	1,86±0,01	108	3,11±0,02	133	6,70±0,43	118	4,20±0,29	103	2,50±0,57	156	2,45±0,25	173

Примітка: № -обробка насіння: 1-водою (контроль), 2-N-ацетил-D-глюкозаміном, 3-АЗП, 4 - Л+Г

Таблиця 8.

Формування елементів структури урожаю рослинами пшениці ярої за умов передпосівної обробки насіння лектином, гаптеном і композицією лектин+гаптен (вегетаційні досліди, середнє за 3 роки)

Варіант	Маса колоса	Кількість зерен у колосі	Маса зерен колоса
	г	%	штук	%	г	%
Вода (контроль)	1,19±0,08	100	23±2	100	0,88±0,07	100
N-ацетил-D-глюкозамін	1,49±0,16*	125	27±3	120	1,07±0,09*	122
АЗП	1,49±0,09*	125	29±3	126	1,11±0,07*	126
Л+Г	1,31±0,07**	110	26±2	115	0,97±0,03**	110

Примітка: * - різниця вірогідна (Р<0,05) порівняно до контролю (обробка насіння водою), ** - до варіанту з лектином

Оцінка азотфіксувальної активності ризосферних мікроорганізмів пшениці свідчить про її підвищення у варіантах із обробкою насіння глюкозаміном, лектином і композицією Л+Г у 2,2; 1,6 та 1,7 рази відповідно (табл. 7). Такі зміни можуть бути обумовлені, по-перше, високим рівнем ІОК в рослинах, в результаті чого активно формується коренева система - місце контакту та життєдіяльності мікроорганізмів; по-друге - високим вмістом цитокінінів, які контролюють рівень хлорофілу в листках та інтенсивність фотосинтетичних процесів. Стимуляція фотосинтезу сприяє збільшенню кількості фотоасимілятів, основна частина яких формує продуктивний потенціал (табл. 8), а частина з кореневими метаболітами надходить до ґрунту та визначає розвиток і фізіологічну активність ризосферної мікрофлори (табл. 7). Максимальні показники нітрогеназної активності в ризосфері рослин варіанту з глюкозаміном можуть пояснюватися здатністю речовин вуглеводної природи індукувати азотфіксацію ризосферних бактерій (Burgmann et al., 2005).

Рослини варіантів із обробкою насіння глюкозаміном, АЗП і Л+Г формували колоски, які за масою були більшими за контроль на 25, 25 і 10 % відповідно. Кількість і маса зерен у колосі рослин даних варіантів перевищували контроль відповідно на 20 і 22 %, 26 і 26 % та 15 і 10 %. За дії гаптену на АЗП пригнічувалась біологічна активність аглютиніну, що проявлялось у кардинальній зміні вмісту цитокінінів й ауксинів у листках рослин порівняно до варіанту з дією лектину (табл. 6) і зниженні зернової продуктивності пшениці (табл. 8). У листках рослин цитокініни регулюють синтез хлорофілу й інтенсивність фотосинтезу (Чернядьев, 2009), активність ДНК-залежної РНК-полімерази, результатом чого є активація синтезу РНК і білку (Дерфлинг, 1985). Збільшення вмісту даних гормонів сприяє формуванню генеративних органів та урожаю пшениці, зокрема за рахунок збільшення кількості зерен у колосі (Гусаковская и др., 2000).

Отже, встановлені нами відмінності у метаболізмі рослин пшениці за дії АЗП на насіння можуть бути результатом участі АЗП у зміні гормонального пулу рослин, відображенням якого є суттєве підвищення вмісту цитокінінів й ІОК. Отримані нами результати, а також роботи інших авторів (Безрукова и др., 2002; 2004; Авальбаев и др., 2003; Кильдибекова, 2003; Edelman, Wang, 1978; Loris et al., 1998) свідчать на корись участі екзогенного лектину в загальній системі регуляції розвитку рослин на гормональному рівні, яка здійснюється за рахунок безпосередньої взаємодії лектинів із фітогормонами за гідрофобними центрами зв'язування, зміни ендогенного балансу фітогормонів у напрямі підвищення рівня цитокінінів і ауксинів, а також мітогенної активності таких лектинів як АЗП, ФГА, КонА.

УЧАСТЬ ЛЕКТИНІВ У АКТИВАЦІЇ СИСТЕМИ ЗАХИСТУ РОСЛИН

Адаптогенна роль лектину пшениці. Протекторна дія лектину пшениці за умов УФ-опромінення на ранньому етапі онтогенезу рослин. У відповідь на дію факторів навколишнього середовища у рослинах відбуваються метаболічні зміни, спрямованість більшості з яких слід розглядати як універсальну захисну реакцію організму. Фітолектини приймають участь в адаптаційних процесах рослин у стресових умовах і є однією з ланок неспецифічної системи їх захисту (Шакирова, 2001; Комарова и др., 2003; Адамовская и др., 2005; Гараева и др., 2006; Khurtsidze et al., 2000; Bezverkhova et al., 2002; Karavaev et al., 2002; Keburia, 2006).

З метою визначення захисної ролі екзогенного лектину при передпосівній обробці насіння за дії абіотичного стресу (УФ-опромінення) проведено оцінку зміни ендогенної лектинової активності й рівня флавоноїдів як індуцибельних протекторів рослин і перехоплювачів вільних радикалів у тижневих проростках пшениці ярої за обробки її насіння АЗП. Показано, що УФ-опромінення збільшувало ЕЛА пагонів і корінців проростків відповідно у 1,3-3,2 та 1,2-1,3 рази порівняно до неопромінених проростків пшениці й у 1,2-2,7 та 1,2-3,7 рази порівняно до контролю (обробка насіння водою) (рис. 3), що свідчить про активацію екзогенним лектином ендогенного лектинового пулу у відповідь на стрес. При цьому також відмічено (рис. 4) зростання вмісту флавоноїдів, зокрема флаванонів, флавонолів, халконів, флавонів, ізофлавонів, антоцианідинів, що свідчить про рівень потенціалу захисних можливостей і швидкість індукованої відповіді рослини на стрес-фактор (УФ-промені). Протекторна активність лектину щодо проростків пшениці в умовах УФ-опромінення залежала від діючої концентрації білку: 1 і 5 мкг/мл чинили менш виражену дію, 10 і 20 мкг/мл - максимальний ефект (рис. 3, 4).

РИС. 3. Лектинова активність у пагонах (І) і корінцях (ІІ) проростків пшениці ярої за дії АЗП (А) та АЗП і УФ-опромінення (Б).

Примітка: на рис. 3,  4: Обробка насіння водою (контроль) - 1, розчинами АЗП у концентрації 1, 5, 10, 20 мкг/мл відповідно - 2, 3, 4, 5. Класи флавоноїдів за інтенсивністю поглинання світла при 350-235 нм: аурони (280-235), флавоноли, халкони (380-330, 280-235),  флавони, ізофлавони, флаванони (310-235 нм) (Георгиевский и др., 1990)

РИС. 4. Інтенсивність поглинання світла в УФ-області спектра спиртовими екстрактами флавоноїдів, виділеними із проростків пшениці ярої сорту Рання 93 за дії АЗП на насіння та УФ-опромінення на проростки

Отже, встановлене нами підвищення рівня ендогенної лектинової активності та флавоноїдів у проростках пшениці за дії УФ-опромінення свідчить про активацію екзогенним лектином неферментативних молекулярних компонентів неспецифічної системи захисту рослин і дозволяє розглядати лектин як адаптоген - сполуку, що корегує адаптаційну здатність рослин.

Вплив передпосівної обробки насіння лектиновими чинниками на вміст флавоноїдних сполук у листках пшениці. Флавоноїди є найбільш поширеною групою фенольних сполук рослин, які приймають участь в окислювально-відновних процесах (Запрометов, 1992; Шапошников, 2003) і визначають імунітет рослин (Гуща и др., 2002; Загоскина и др., 2005) Окрім того, флавоноїди та пероксидаза є складовими ІОК-оксидазної системи контролю рівня активної ендогенної ІОК, оскільки в катаболізмі як флавоноїдів, так і індолів (ІОК) у рослинах приймають участь пероксидази (Запрометов, 1992). Флавоноїди як альтернативні субстрати для пероксидази перешкоджають перетворенню ауксинів на інертні метаболіти, здійснюючи захист активної форми ІОК від інактивації пероксидазами. Нами показано зміни рівня флавоноїдів у листках пшениці в залежності від фаз онтогенезу та дії на насіння АЗП, глюкозаміну і композиції Л+Г (табл. 9). Максимальними вони були на початкових етапах онтогенезу (сходи, кущіння, трубкування) і менш вираженими у фазу цвітіння пшениці. За дії лектину вміст флавоноїдів зростав у 1,5 рази порівняно до контролю. Глюкозамін підвищував рівень флавоноїдів у 1,3 рази. У композиції з лектином глюкозамін пригнічував біоефект АЗП.

Таблиця 9.

Сумарний вміст флавоноїдів у перерахунку на рутин і абсолютно суху рослинну сировину (листки пшениці ярої)

Подобные документы

• Вплив важких металів на ріст, розвиток та інші фізіологічні процеси у рослин

  Важкі метали в навколишньому середовищі. Їх хімічні властивості і роль для живої природи. Вплив важких металів на ріст і розвиток рослин. Важкі метали - забруднювачі навколишнього середовища. Межі витривалості навантаження важкими металами.
  
  реферат [28,7 K], добавлен 31.03.2007
  

• Біологічний контроль збудників хвороб рослин

  Шляхи розповсюдження вірусів рослин в природі та роль факторів навколишнього середовища. Кількісна характеристика вірусів рослин. Віруси, що ушкоджують широке коло рослин, боротьба із вірусними хворобами рослин. Дія бактеріальних препаратів і біогумату.
  
  курсовая работа [584,5 K], добавлен 21.09.2010
  

• Вплив міського урбанізованого середовища на ріст, розвиток та фізіолого-біохімічний стан газонних трав

  Класифікація газонів. Джерела забруднення та забруднюючі речовини міського середовища. Газонні трави в озелененні промислових територій. Правила утримання зелених насаджень сучасних міст. Функціонування систем життєдіяльності газонних видів рослин.
  
  курсовая работа [154,1 K], добавлен 28.03.2015
  

• Специфіка морфогенезу органів рослинного організму протягом різних фаз онтогенезу та умов росту та розвитку рослин

  Фази вегетації рослин. Умови росту й розвитку рослин. Ріст та розвиток стебла. Морфологія коренів, глибина і ширина їхнього проникнення у ґрунт. Морфогенез генеративних органів. Вегетативні органи квіткових рослин. Фаза колосіння у злаків і осоки.
  
  курсовая работа [64,0 K], добавлен 22.01.2015
  

• Вплив антропогенного навантаження на функціонування глутатіонової системи у насінні представників роду Acer L

  Основні джерела антропогенного забруднення довкілля. Вплив важких металів на фізіолого-біохімічні процеси рослин, зміни в них за впливу полютантів. Структура та властивості, функції глутатіон-залежних ферментів в насінні представників роду Acer L.
  
  дипломная работа [950,6 K], добавлен 11.03.2015
  

• Вплив тривалості фотоперіоду на нітратний обмін у рослин різних фотоперіодичних груп

  Характер зміни вмісту нітратів у фотоперіодичному циклі у листках довгоденних і короткоденних рослин за сприятливих фотоперіодичних умов. Фотохімічна активність хлоропластів, вміст никотинамидадениндинуклеотидфосфату у рослин різних фотоперіодичних груп.
  
  автореферат [47,7 K], добавлен 11.04.2009
  

• Вплив іонів міді, кадмію та заліза на активність та ізоферментний спектр гваякол пероксидази тютюну

  Дія стресу, викликаного іонами важких металів. Дослідження змін активності гваякол пероксидази та ізоферментного спектру гваякол пероксидази рослин тютюну в умовах стресу, викликаного важкими металами. Роль антиоксидантної системи в захисті рослин.
  
  курсовая работа [1,6 M], добавлен 31.12.2013
  

• Пігментосинтезувальна активність бактеріальних та дріжджових клітин за дії важких металів

  Продигіозин - один з декількох вторинних бактеріальних метаболітів у якому метоксибіпірольний фрагмент включений у дипірометиленову структуру. Дослідження впливу концентраційного ряду іонів металів на інтенсивність кольору пігменту у мікроорганізмів.
  
  статья [327,4 K], добавлен 19.09.2017
  

• Біосинтез гіберелінів

  Дослідження властивостей гіберелінів, групи гормонів рослин, які регулюють ріст і різноманітні процеси розвитку. Характеристика етапів синтезу гіберелінів. Огляд методу зануреного культивування грибів фузарій. Вплив аерації та температури на біосинтез.
  
  реферат [961,4 K], добавлен 10.01.2014
  

• Трансгенні рослини стійкі до шкідників і хвороб. Трансгенні рослини і біобезпека

  Одержання рослин, стійких до гербіцидів, комах-шкідників, до вірусних та грибних хвороб. Перенесення гену синтезу інсектицидного протоксину. Підвищення стійкості рослин до бактеріальних хвороб шляхом генної інженерії. Трансгенні рослини і біобезпека.
  
  контрольная работа [55,9 K], добавлен 25.10.2013
  

• Вікові особливості емоційно-больового стресу та вмісту мікро- і макроелементів у щурів під впливом загального охолодження

  Вплив попереднього періодичного помірного загального охолодження щурів-самців у віці 3 та 6 місяців на формування та наслідки емоційно-больового стресу при визначенні функціонального стану церебральних механізмів регуляції загальної активності.
  
  автореферат [58,6 K], добавлен 12.02.2014
  

• Механізми раннього ембріонального розвитку

  Будова і рівні регуляції репродуктивної системи ссавців. Доімплантаційний розвиток та роль стероїдних гормонів в імплантаційних процесах. Фізіологічні та молекулярні механізми імплантації. Роль білкових ростових факторів у становленні вагітності.
  
  реферат [48,8 K], добавлен 09.02.2011
  

• Умовні рефлекси

  Основі регуляції різноманітної діяльності організму. Функції нервової та ендокринної систем. Реакція організму на будь-яке подразнення. Механізм утворення умовних рефлексів. Роль підкіркових структур та кори великого мозку. Гальмування умовних рефлексів.
  
  реферат [30,7 K], добавлен 30.03.2012
  

• Плоди та насіння

  Плід як видозмінена в результаті запліднення квітка, його внутрішня структура, напрямки видозмінення. Типи плодів за формою, розмірами, забарвленням, вмістом води, кількістю насіння, характером розкривання, та визначення їх відмінних особливостей.
  
  презентация [2,2 M], добавлен 25.08.2013
  

• Пігментосинтезувальна активність бактеріальних та дріжджових клітин за дії важких металів

  Наявність хромофора, що складається із низки кон’югованих подвійних зв’язків, кількість яких визначає характер забарвлення пігменту - одне зі специфічних особливостей каротиноїдів. Піоцианін - антибіотик, активний проти всіх грампозитивних бактерій.
  
  статья [426,3 K], добавлен 21.09.2017
  

• Бактеріальні біоплівки

  Організація бактеріальних біоплівок та процес їх утворення. Використання атомно силової мікроскопії для дослідження біоплівок, поширення їх у природі та методи штучного вирощування. Стійкість біоплівкових бактерій до дії антибіотиків і стресових чинників.
  
  реферат [1,7 M], добавлен 25.01.2015
  

• Як виростити нову рослину з насінини

  Проведення наукового експерименту з метою визначення умов, необхідних для пророщування насінини. Вплив повітря, освітлення, вологості ґрунту, температурного режиму на зростання та розвиток рослин. Термін збереження насінням здатності до пророщування.
  
  презентация [229,9 K], добавлен 10.01.2012
  

• Хвороби та шкідники квіткових рослин

  Умови вирощування та опис квіткових рослин: дельфініума, гвоздики садової, петунії. Характерні хвороби для даних квіткових рослин (борошниста роса, бактеріальна гниль, плямистісь). Заходи захисту рослин від дельфініумової мухи, трипсу, слимаків.
  
  реферат [39,8 K], добавлен 24.02.2011
  

• Значення водоростей у природі та житті людини

  Поняття водоростей як збірної групи нижчих рослин, життя якої пов'язане головним чином з водним середовищем. Основні відділи рослин: евгленові, синьо-зелені, жовто-зелені, золотисті, діатомові, пірофітові та червоні. Роль водоростей у житті людини.
  
  реферат [13,8 K], добавлен 11.04.2012
  

• Лікарські рослини в ботанічному саду. Агробіостанція херсонського державного університету

  Вплив лікарських рослин на діяльність систем організму людини. Дослідження лікарської флори на території агробіостанції Херсонського державного університету. Аналіз та характеристика життєвих форм родин та видів культивованих та дикорослих рослин.
  
  курсовая работа [33,0 K], добавлен 27.08.2014
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам