Содержание к диссертации
Введение
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 5
Глава 2. УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Климат Северного Казахстана 26
Объекты исследования 27
Метода исследований 29
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Глава 3. ВЛИЯНИЕ СУХОВЕЯ И ПОЧВЕННОЙ ЗАСУХИ НА КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ БЕЛКОВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ.
3.1. Влияние суховея и засухи на азотистые соединения и динамика фракционного состава белка в органах яровой пшеницы в течение вегетации 33
3.2. Влияние суховея в различные фенофазы на термостабильность компонентов легкорастворимых белков листьев яровой пшеницы 51
3.3. Влияние почвенной засухи на компонентный состав и термостабильность легкорастворимых белков листьев пшеницы 62
Глава 4. ВЛИЯНИЕ СУХОВЕЯ И ЗАСУХИ В РАЗЛИЧНЫЕ ФЕНОФАЗЫ НА
АКТИВНОСТЬ И ТЕРМОСТАЕЙЛЪНОСТЬ ПЕРОКСИДАЗЫ ЛИСТЬЕВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ
4.1. Влияние суховея на активность и термостабильность пероксидазы листьев яровой пшеницы в различные фенофазы 68
4.2. Влияние почвенной засухи на компонентный состав и термостабильность пероксидазы листьев сортов яровой пшеницы,различающихся по устойчивости ... 83
4.3. Дневная динамика температуры и ее влияние на активность и компонентный состав пероксидазы листьев яровой пшеницы 89
4.4. PI-состав пероксидазы листьев яровой пшеницы в условиях суховея 93
Глава 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Ю5
ВЫВОДЫ 107
ЛИТЕРАТУРА Ї09
- Климат Северного Казахстана
- Влияние суховея и засухи на азотистые соединения и динамика фракционного состава белка в органах яровой пшеницы в течение вегетации
- Влияние суховея на активность и термостабильность пероксидазы листьев яровой пшеницы в различные фенофазы
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на І98І-І985 годы, а также майского и ноябрьского (1982 г.) Пленумов ЦК КПСС по реализации продовольственной программы СССР на период до 1990 года намечено довести среднегодовое производство зерна до 238-243 млн.тонн, в том числе на долю Казахстана приходится 28-29 млн. тонн. В Казахстане основной зерновой культурой является яровая пшеница, возделываемая на обширной территории. За года, прошедшие с начала освоения целинных земель, значительно увеличилось ее производство на севере республики. Казахстан стал второй житницей Советского Союза.
Яровая пшеница, выращиваемая в засушливых районах севера Казахстана, обладает высокими технологическими качествами и большим содержанием белка в зерне. Однако, в условиях этой зоны, отличающейся небольшим количеством осадков и крайне неравномерным их распределением по отдельным периодам вегетации, урожаи яровой пшеницы пока еще сравнительно низкие и неустойчивые. Отсюда возникает необходимость изучения физиоло-го-биохимических особенностей яровой пшеницы в целях вскрытия путей управления устойчивостью и продуктивностью этой культуры.
В целинных областях Казахстана суховеи значительно снижают урожаи зерновых. Поэтому исследование растений в условиях севера Казахстана, а также моделированиям суховея в камерах искусственного климата дает возможность более подробно выявить основные закономерности повреждения от суховея, разработать метода оценки устойчивости сортов пшеницы к этому фактору.
В своей работе мы даем анализ состава и соотношение азотистых соединений, фракционного состава белков, термоустой- чивости легкорастворимых белков и в частности пероксидазы, которые значительно изменяются в процессе роста, развития и при действии различных факторов окружающей среда. В проведенном исследовании наїли были поставлены следующие задачи:
В условиях северного Казахстана изучить особенности динамики основных форм азотистых соединений, фракционный состав белков у яровой пшеницы в связи с сортовой спецификой и зависимости от погодных условий в разные фазы развития.
Изучить в онтогенезе влияние высокой температуры и суховея на компонентный состав легкорастворимых белков листьев пшеницы.
Моделируя условия северных районов Казахстана, более подробно изучить влияние суховея и почвенной засухи на такие лабильные показатели как компонентный состав, активность и термостабильность пероксидазы и легкорастворимых белков.
Определить дневную динамику, активность и компонентный состав пероксидазы у листьев яровой пшеницы в естественных условиях.
Изучить с помощью метода изофокусирования pi- компонентный состав пероксидазы листьев яровой пшеницы при действии на растения высокой температуры.
Работа выполнялась в течение 1970-1982 гг. в лаборатории роста и устойчивости растений Института ботаники АН КазССР / Алма-Ата / и лаборатории биохимии растений Всесоюзного ордена Трудового Красного знамени научно-исследовательского института зернового хозяйства / ВНИИЗХ, Шортанды Целиноградская область/.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
На протяжении жизни каждого растительного организма в процессе эволюции выработались определенные потребности к условиям существования. Вместе с тем, каждый организм обладает способностью к адаптации - приспособлению к меняющимся условиям. И то и другое свойства организма заложены в его наследственной основе. Чем шире способность организма изменять метаболизм в соответствии с меняющимися условиями среды, тем шире его норма реакции и больше его способность к адаптации.
Способность растения переносить неблагоприятные условия может быть заложена в генетической наследственной основе. Частично, эта способность может вырабатываться организмом, не затрагивая генетические механизмы. При воздействии на растение неблагоприятных условий в нем возникает напряженное состояние -стресс. Сила стресса зависит от скорости, с которой возникают неблагоприятные ситуации. При медленном развитии неблагоприятных условий орпанизм легче приспосабливается к ним. Это может даже привести к повышению устойчивости организма (закаливание). В целом реакция растения на изменившиеся условия является комплексной, включающей изменения как биохимических, так и физиологических процессов.
Физиологи обычно различают два типа засухи - атмосферную и почвенную. Суховей рассматривается как особый вид атмосферной засухи. По характеру физиологических нарушений в растениях эти два типа засухи неравноценны и поэтому их следует разграничивать.
Под суховеем принято понимать ветер юго-восточного направления с высокой температурой и низкой влажностью воздуха, губительно сказывающийся на урожае сельскохозяйственных культур.
Причину суховея надлежит искать в термических инверсиях теплого периода года. Статистические данные Леонтьевой показали, что в условиях юго-востока СССР суховеи в подавляющем большинстве были связаны либо непосредственно с областями высокого давления, либо с гребнями и седловинами между двумя антициклонами, причем суховеи, связанные с антициклонами, как правило, отличаются наибольшей продолжительностью.
Многие исследователи - И.А.Стефоновский, А.И.Носотовский, П.А.Генкель и др., изучавшие влияние суховейных явлений на растения, приходят к выводу, что степень повреждения растений атмосферной засухой зависит от содержания в почве доступной влаги. Е.А.Цубербиллер (1959) установил агрометеорологический критерий повреждаемости растений суховеями в виде сочетания дефицита влажности воздуха как комплексного показателя общего состояния атмосферы с определенными запасами влаги в почве,а также вычислена повторяемость суховеев. Им также установлено, что суховей наносят наибольший ущерб урожаю в репродуктивный период (цветения - налив зерна) развития яровой пшеницы. Сопоставляя повторяемость суховеев различной интенсивности с запасами продуктивной влаги в почве в этот период, она определила вероятность повреждения зерна суховеями в различных районах СССР.
В зависимости от того, где находится максимум давления, направления суховеев будет различно. По данным С.В.Сафонова (1956) суховеи разделяются на 3 типа: I - жесткий, Z - сильный, 3 - средний. При жестком суховее температура воздуха от 30 и выше, влажность воздуха от 10 до 30%, скорость ветра от 0-5 м/сек. При сильном суховее температура воздуха от 30и выше, влажность воздуха колеблется от 30 до 50% и скорость ветра от О до 10 м/сек. Во время среднего суховея температура воздуха от 26 до 25, влажность воздуха от 0 до 50%, скорость ветра от ~ 7 -О до 10 м/сек.
Суховеи могут быть беспыльными и пыльными. Беспыльные представляют собой ветры местного происхождения, пыльные суховеи вызываются юго-восточными ветрами периферии антициклона, несущими горячий воздух с юга на север.
Ветры, несущие горячий, сухой, пыльный воздух из степей Казахстана, вызывают весеннюю "мглу", столь характерную для южных областей республики. Развитию "мглы" способствуют малая относительная влажность воздуха, высокая температура и горячие ветры восточных направлений. Для суховеев характерны незначительные суточные колебания температуры, причем высокая температура воздуха сохраняется даже ночью. При засухах без суховеев тоже бывают жаркие, ясные дни с низкой относительной влажностью, однако, ночью в такие дни температура падает значительно ниже и относительная влажность выше,чем при суховее (Каминский, 1954).
За конкретный показатель суховеев для Северного Казахстана мы приняли довольно жесткий погодный комплекс, (данные аг-рометереостанции ВНИИЗХ 1970-1974гг). За дни с суховеем приняты такие дни, когда относительная влажность воздуха в один из сроков наблюдений снижается до 20% и ниже при одновременной скорости ветра не менее 3 м/сек и максимальной температуре воздуха не менее 30.
При скорости ветра не менее 5 м/сек,при том же пределе влажности воздуха, к суховейным относятся также и дни с максимальной температурой воздуха не менее 25.
Этот критерий, как и все другие, конечно, условлен. Вред, который суховей может нанести растениям, определяется не только метеорологическими факторами* но и влагозарядкой почвы, фазой развития и предшествующей закалкой растений; Он различен - a - для той или иной сельскохозяйственной культуры» сорта растения и его засухоустойчивости, продолжительности воздействия суховеев, уровня агротехники и других причин.
Растения при суховее круглые сутки испытывают значительный недостаток влаги в клетках. Относительная влажность воздуха при этом остается низкой, водяные пары почти не конденсируются и роса не оседает на растения. Следовательно, запасы воды в растении не восполняются даже ночью, чего не бывает при засухе. Эти специфические метеорологические условия приводят к тому, что урожай растений при действии суховея снижается значительно больше, чем при засухе. В общем,растения при суховее гибнут от резкого перевеса расхода влаги над приходом.
Однако несмотря на важное значение, в литературе очень мало освещено действие суховея на растения. Многие вопросы влияния суховея на растения еще далеки от разрешения.
Сложность изучения приспособления растений к действию суховея состоит в том, что его влияние на растения многообразно. Например, во многих районах Северного Казахстана, где воз-делывается пшеница, громадный ущерб урожаю наносят периодические суховеи. В центральных и северных районах республики комплекс неблагоприятных метеорологических факторов (температура, влажность, сила ветра) нередко оказывают губительное действие на состояние растений (Бараев, 1976). Необычные природные явления приводят к различным повреждениям растений в зависимости от их биологических особенностей, фазы развития, запасов влаги в почве и т.д. Особенно большой ущерб суховеи наносят в фазы цветения, вызывая череззерницу, и наливе, вызывая "захват зерна" (щуплость), что приводит к резкому снижению урожая и его качества (Мамонов, 1966; Кузьмин, 1970). "Захваченное растение" претерпевает необратимое изменение и не в состоянии в дальней- ~ 9 - шем нормально развиваться, что, вероятно, связано с глубоким нарушением свойств белков, депрессией энзимотический реакций и энергообмена растений. Суховей, в отличие от засухи, действует на растение быстро, так как напряжение метеорологических условий при нем во времени выражено особенно резко.
При выяснении реакции растений к засушливым условиям важное место отводится исследованию азотного обмена, одним из показателей которого являются качественные и количественные изменения в составе азотистых соединений.
Так как в своей работе мы изучали азотный обмен, то более подробно остановимся на влиянии высокой температуры и засухи на этот показатель.
Изучению засухоустойчивости растений в связи с азотным обменом посвящены исследования многих ученых у нас в стране и за рубежом (Петинов, 1961; Старцева, 1965; Волкова, 1969; Павлов,. 1969; Воллейдт,.1970; Иванов, 1970; Савицкая, 1970; Henckel Р., 1970; Deinum В., 1971; Pate J., 1975; Lazarov N., 1974; No-wacki E., 1977, Botha G. et al., 1980; Полимбетова, Мамонов, 1980 и др.).
В литературе известно, что между содержанием форм азота в вегетативных органах на разных фазах развития и их содержанием в зерне существуют определенные зависимости. Было отмечено,что чем выше процент общего азота в листьях, тем больше относительное содержание его в зерне пшеницы и выше белковость.
Особенно сильно эта зависимость проявляется в засушливые годы,начиная с цвешения (Болдырев,1959 и др.)
Имеются также данные о тесной корреляции содержания азота в зерне с уровнем нитратредуктазной активности в первом листе у пшеницы в стадии проростков ( Dolling,loyn, 1977).
На основании изложенного выше, нам казалось интересным - TO) - получить характеристику качественных изменений белков и азотистых соединений при действии на растения повышенной температуры. Повышенная температура без засухи снижает содержание азота в листьях, во всех его фракциях. Количество же белкового азота снижается сильнее, чем небелкового, вследствие чего отношение первого ко второму несколько понижается (Тихомирова,1980). Суховей без почвенной засухи, как и повышенная температура, снижает содержание всех фракций азота в листьях, но отношение белкового азота к небелковому понижается значительно сильнее,чем при действии повышенной температуры (Саймасаев, 1974). Совместное действие засухи и повышенной температуры сильнее снижает содержание всех фракций азота, по сравнению с действием только одной засухи (Старцева,.1965; Тэмп, 1968; Dokic D.,1969, Rawosn Н. et al., 1969; Pate J., 1971; Palfi G., 1971; Про-ценко и др., 1976; Тихомирова, 1982).
Влияние повышенных температур на азотный обмен яровых пшениц исследовала А.М.Волкова (1969). Для этого растения подвергали действию суховея при температуре 35-40, 22 ч и относительной влажности воздуха 20-23% в период конца трубкования - начала цветения. Обнаружено, что высокая температура не оказывает существенного влияния на общее содержание азота в листьях, но вызывает снижение содержания белкового и увеличение небелкового азота. Наиболее сильное снижение белкового и увеличение небелкового азота наблюдалось у менее устойчивых сортов. Причем у прогретых растений отношение белкового азота к небелковому оказалось наиболее пониженным у менее устойчивых сортов.
В.Г.Клименко (1964) изучал количественную изменчивость содержания небелкового, экстрактивного азота и азота плотного остатка (стромы) в органах растений в зависимости от фенофазы. Им показано, что содержание общего азота не зависит от фено- - I г -фазы и его значительно больше в листьях,чем в стеблях некоторых злаковых и бобовых растений. Белковый азот представлен крайне малыми величинами. Содержание небелкового азота в вегетативных и репродуктивных органах растений неодинаково и зависит от фенофазы. В созревших семенах небелковый азот и прежде всего азот плотного остатка представлен крайне малыми величинами, а основной по величине формой является белковый азот. Преимущественное содержание в вегетативных органах небелкового азота не зависит от содержания в них общего азота, количество которого по мере созревания вегетативных органов закономерно снижается. Обнаружено, что в состав экстрактивного небелкового азота входят прежде всего свободные аминокислоты, азотистые вещества неизвестной природы и азот низкомолекулярных пептидов.
При завядании растений содержание азотистых веществ в листьях изменяется. Так, Н.В.Субботина (1962) показала, что в отделенных и неотделенных от растений листьях завядание приводит к увеличению содержания белкового азота, в очень сильно завядших листьях количество белкового азота значительно уменьшается. Автор считает, что увеличение содержания белкового азота, очевидно, происходит за счет аминной и аммиачной форм азота, количество которых падает при завядании листьев. Увеличение белкового азота в листьях при завядании наблюдалось и другими исследователями. Однако следует иметь в виду, что при расчете количества белкового азота на сухую массу его содержание в опытных растениях завышается. Это связано со значительным снижением массы самой клетки при завядании, т.е. и ее сухой массы. В контрольной и опытной навесках будет различное количество клеток, а доля белкового азота в этом случае возрастает, что значительно уменьшает достоверность дан- - T2. - ных. Н.В.Субботина также отмечает, что под влиянием завядания изменяется содержание амидного азота, которое у одних видов увеличивалось, у других уменьшалось, что, безусловно, было связано с природой растений.
В онтогенезе количество азотистых веществ в листьях значительно изменяется, при этом в начальном периоде развития растений листья наиболее богаты азотистыми веществами. По мере развития пшеницы абсолютное содержание азотистых веществ постепенно и неуклонно уменьшается, более заметно это в фазу цветения, что связано, очевидно, с большей затратой их на репродуктивные органы. После цветения снижение азотистых веществ в листьях продолжается почти до конца вегетации, вернее до момента пожелтения их, когда содержание белковых веществ уже почти не изменяется (Болдырев, 1957; Валлейдт, 1970; Сычева, 1971; Mi~ kesell et al., 1971; Shrotriya et al.,1974; Seligmon W. et al., 1975; Lewis 0. et al.,1975; Pate J.,1975; Lea P. et al.,1975; Курсанов, 1976).
Условия возделывания пшеницы также определяют специфику ее азотного обмена. Это показано З.Н.Галачаловой и Т.М.Марусиной (1965), изучавших динамику накопления азота в зерне пшеницы. Ими установлено, что общего и белкового азота содержится значительно больше в южном зерне, чем в северном. Высокая температура, сухость воздуха и почвы в условиях южной зоны оказывают благоприятное действие на синтез белка, и, наоборот, повышенная влажность почвы и умеренно низкая температура воздуха северной зоны ослабляют процессы образования белковых веществ. В зерне пшеницы северной зоны количество белка снижается в фазу полной спелости, тогда как в зерне пшеницы южной зоны этого не происходит. Для растений южной зоны при переходе от фазы молочной к полной спелости зерна характерно уменьшение содер- жания аминного, амидного и аммиачного азота зерна. В зерне пшеницы северной зоны такая закономерность отмечена только по аммиачному азоту; по аминному и амидному азоту в фазу полной спелости, наоборот отмечено увеличение, которое может быть вызвано или гидролизом белка, или торможением процессов его синтеза. Авторы объясняют это тем, что для северной зоны в период созревания зррна характерны низкая температура и высокая влажность воздуха.
Твердые и мягкие пшеницы по-разному реагируют на полив. Так, у твердых пшениц при поливе резко уменьшаются колебания в содержании белкового и аминного азота. Мягкие же пшеницы отличаются меньшей отзывчивостью на поливы (Петинов,1959; Таранов, 1962; Seiberth w. et al.,1970; Singh Т. et al., 1973).
Полив значительно влияет на динамику азотистых соединений. Н.С.Петиновым, И.И.Размаевым (1961) показано, что с возрастом ' содержание общего и белкового азота в листьях пшеницы у поливных вариантов постепенно снижается. Однако небелковых азот в фазу молочной спелости в листьях неполивных растений значительно повышается. Начиная с фазы молочной спелости наблюдается особенно крутой подъем содержания белкового азота в зерне пшеницы этого варианта. В листьях растений, хорошо обеспеченных водой, содержание небелкового азота на протяжении всего периода от трубкования до молочной спелости находится почти на одном уровне, немного повышаясь при созревании. Длительный умеренный водный дефицит стабилизирует изучаемые показатели на пониженном уровне. При возобновлении оптимального полива увеличивается количество всех азотистых веществ, особенно, у устойчивых сортов, что свидетельствует о более интенсивных репарационных процессах у них.
Таким образом, азотный обмен у растений занимает особое место в связи с засухоустойчивостью. Вследствие нарушения в азотном обмене растений при действии суховея и засухи происходит распад белков. Это приводит к дезорганизации структуры протоплазмы, сопровождающейся изменениями в состоянии воды в клетках и далеко идущими нарушениями метаболизма.
Благодаря высокой способности клеток к саморегуляции на каждом этапе возникают по типу обратной связи встречные процессы, приводящие к превращению токсических продуктов в нетоксические соединения запасного характера, в соединения, отличающиеся "выгодными" для растений повышенными гидрофильными свойствами и, наконец, приводящие к таким условиям внутри клеток, когда эти соединения могут быть использованы на ресинтез белка. Все эти процессы можно рассматривать как серию ответных приспособительных реакций растения на уровне азотного обмена.
Для более глубокого понимания сути повреждения растений высокой температурой определенное значение имеет исследование характера структурно-функциональных изменений таких основных биополимеров клетки, как белки (Баданова, 1957; Levitt,1969; Генкель, 1971; Альтергот, 1971; Nainawate et al.,I974; Шмать-ко, 1974; Weidner et al.,I979; и др.).
В проблеме приспособления растении к повышенной температуре и обезвоживанию, как и к другим факторам внешней среда основное внимание уделяется изучению механизмов адаптации (Процен-ко и др.,1976; Удовенко,1979а, 19796). Важное значение ученые придают изменениям белков и определенных ферментных систем (street Н. et al., 1974; Северова и др., 1976; Генкель, 1978).
В одной из работ Я.Белерадек (1964) отмечает, что в случае температурного воздействия зависимость основных свойств цитоплазмы от свойств белковой молекулы и комплексов проявляется наиболее четко. Такую зависимость подтверждают эксперименталь- ные материалы анализа свойств белков, полученные в последние годы усовершенствованными методами. Так, обнаружено много фактов, доказывающих большое значение конформационной лабильности белков для сохранения стабильности клеточного метаболизма, при действии стресса. Довольно многочисленные сведения по этому вопросу приводятся В.Я.Александровым (1975).
В результате закаливания теплом теплоустойчивость белков в листьях пшеницы обчно повышается. Одновременное повышение устойчивости различающихея по чувствительности к тепловому повреждению функций и белков растительной клетки дало основание считать, что при закаливании приводится в действие единый механизм, стабилизирующий различные системы внутриклеточных белков (Барабальчук, 1969; Клячко, 1969; Щербакова,1971,1973).
Можно полагать, что увеличение термостабильности белков растений при закалках обуславливались либо различиями внутренней среды (изменение рН, накопление защитных веществ, комплек-сообразование и пр.), либо свойствами самих белков, а возможно, и обеими причинами.
Вероятно, причины устойчивости растений следует искать не в механизмах метаболизма, а в способах его перестройки в зависимости от факторов окружающей среды.
В связи с этим важная роль в устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды отводится белкам (Павлов, 1967; Клячко, Кулаева, 1969; Иванов, Баронова, 1970; Непсев1,1970; Street Н. et al., 1974; Евдокимов,1975; Salageanu V., 1976; Рахманкулов и др., 1980). Весьма ответственным этапом в изучении белков в вегетативных и репродуктивных органах пшеницы является выделение и фракционирование.
Фракционный состав может служить одной из физико-химических характеристик белкового комплекса, так как неодинаковая способность белка растворяться сзязана с его строением, составом и характером связи с другими веществами в клетке (Годник и др.,_1970). Более того, соотношение белковых фракций не случайно; каждый орган, каждая культура характеризуется определенным соотношением фракций. Она изменяется под влиянием внешних факторов и может служить показателем реакции организма на изменение условий внешней среды (Меньшикова, Ахунбаев, 1964; Shi-omi N. et al.,I972; Саймасаев и др., 1977; Новоселова и др., 1981; Ибрагимов и др., 1981).
В условиях засухи происходят количественные изменения в содержании последовательно экстрагируемых различными растворителями белковых фракций. Так, по Н.А.Гусеву (1968),при сильной засухе в листьях уменьшается количество неэкстрагируемых, спирто- и щелочерастворимых белков. В условиях жесткой засухи, по данным А.В.Старцевой (1965), содержание водорастворимых белков снижается, а в условиях смягченной засухи, наоборот, повышается. Сходные результаты получены Т.В.Олейниковой и др. (1970), которые обнаружили, что при засухе количество водо- и солерастворимых белков увеличивается у исследуемых видов пшеницы. Число фракций щелоче- и спирторастворимых белков, наоборот, заметно снизилось.
По мнению О.Н.Колпаковой (1964), одной из причин увеличения содержания водорастворимых белков при засухе является гидролиз сложных конституционных и некоторых запасных белков. Т.В.Олейникова и др. (1970) считают, что увеличение водорастворимых белков является положительным свойством, так как накопление простых белков способствует повышению устойчивости растений к засухе. Ими также показано, что степень засухоустойчивости растения четко проявляется в период восстановления. Так, у наиболее устойчивого сорта за 7-дневный период восста- новления содержания сложных белков не только было полностью восстановлено,но даже оказалось несколько выше,чем у контрольных растений.
Изучая фракционный состав белков при действии высокой температуры (35-36) на растения яровой пшеницы А.М.Волкова(1970) обнаружила незначительное повышение содержания водо- и щелоче-растворимых белков. Соле- и спирторастворимые белки не изменяются. Через 17 дней после прекращения действия температуры происходят изменения в соотношении белковых фракций контрольных и опытных растений. Содержание водорастворимых белков у них снижается, хотя в листьях опытных растений оно остается повышенным по сравнению с контролем. Снижаются также соле- и щелочерастворимые белки как в контроле, так и в опыте.
Г.В.Удовенко и Н.И.Кожушко (1980) изучали содержание белка и нуклеиновых кислот (НК) у разных сортов яровой пшеницы при действии различных типов засухи. Ими обнаружено, что во всех вариантах засухи снижается содержание белка, НК и сухого вещества в листьях. В вариантах с жестким режимом засухи происходят более резкие отклонения в накоплении этих веществ от нормы часто с меньшими понижениями белка и НК у слабоустойчивого сорта. У растений устойчивых сортов яровой пшеницы в условиях прогрессирующей засухи быстрее идет снижение НК и белка,а также функциональной активности ДНК, чем у неустойчивых сортов.
Таким образом, наибольшей чувствительностью к действию засухи и суховея обладают водо- и солерастворимая фракция. Большая часть этих белков представлена ферментами, поэтому при действии суховея можно ожидать изменений в составе и активности ферментов. В связи с этим в своей работе мы изучали влияние суховея на компонентный состав, активность и термостабильность пероксидазы, играющей важную роль в процессах устойчи- - T8 - вости растений. Остановимся подробно на функциях и свойствах пероксидазы в экстремальных условиях.
Согласно пероксидазной теории биологического окисления, предложенной А.Н.Бахом и В.И.Палладиным, окисление органических веществ совершается при участии ненасыщенных соединений, дающих с молекулярным кислородом нестойкие перекиси - оксиге-назы. Перенос перекисного кислорода на окисляемые вещества осуществляется посредством пероксидазы. В.И.Палладии,а вслед за ним и А.И.Опарин, высказали идею о решающей роли полифенолов в качестве оксигеназ. Работы А.Сент-Дьерьди и Гузака (I960) также свидетельствовали об участии аскорбиновой кислоты и полифенолов в биологическом окислении.
О возможном биологическом значении системы пероксидаза-полифенол-аскорбиновая кислота свидетельствовало и повышенное содержание аскорбиновой кислоты в растениях, богатых перокси-дазой. Дальнейшее развитие учения о биологическом окислении отвело основную роль в этом процессе флавиновым и пиридиновым дегидрогенезам, а также цитохромам, переносящим электроны по электронтранспортной цепи. Показано также, что этот процесс сопряжен с синтезом АТФ. Это положение вполне однозначно доказано целым рядом данных (А.Ленинджер (1974)). О важном значении пероксидазных систем свидетельствует широкое распространение в природе пероксидазы и каталазы, обладающих активностью, превосходящей активность большинства других ферментов (Михлин, 1956). Вероятно, обнаруживаемые в растениях системы полифено-локсидазы и пероксидазы в сочетании с фенольными субстратами участвуют лишь в промежуточных этапах переноса водорода и несвязаны с синтезом АТФ.
Локализацию пероксидазы в цитоплазме, клеточных стенках, ядре, рибосомах, пероксисомах, легких фрагментах хлоропластов (в фотосистеме I) подтверждают и литературные данные (КоЪеге-hel et al.,1974; Madeг M. et а1.,1975ї Мурзаева,Акулова,1975; Петрова, Мишустина, 1976; Zmrhol Z. et al.,1978; Титов и др., 1982; Сарсенбаев и др., 1982; и др.).
Способность пероксидазы окислять НАДНр также иождт свидетельствовать о причастности фермента к переносу электронов в альтернативной дыхательной цепи (Петроченко,Колесников,1976). В период интенсификации метаболических процессов, когда необходимы повышенные затраты энергии, активируются не только цито-хромоксидазы, но и альтернативные терминальные оксидазы - пероксидазы и полифенолоксидазы (Рамазонова и др.,1971; Сулей-манов и др., 1972; Хондокина, 1975; и др.) Это положение подтверждают и данные Карипбаевой и др.,1972, З.Н.Шелеч и др., 1979; Садвакасовой и др., 1981 и др.
Общепринято мнение о значительной роли пероксидазы в устойчивости.При. действии экстремальных факторов активность пероксидазы изменяется,что может являться характерной биохимической реакцией, по которой судят об устойчивости растения (Будилова и др.,1971; Pandey К.,1972; Алексеева и др.,1973; Нарбут и др., 1974; Титов, 1975; Wong, Greece,1978).
Мнения исследователей о физиологических функциях пероксидазы разноречивы,что обусловлено множеством реакций, катализируемых этим ферментом, разнообразием субстратов и продуктов их окисления, проявляющих биологическую активность, множественностью молекулярных форм, которые, видимо, ответственны за вполне определенные физиолого-биохимические реакции растительного организма. Однако имеющиеся данные позволяют сделать выводы о выполнении пероксидазой следующих физиологических функций: - разложение перекиси водорода, сопряженное с окислением ~ 20 -субстратов; участие в процессе лигнификации клеточных стенок; участие в процессах биологического окисления и качестве терминальных альтернативных оксидаз при активации метаболити-ческих процессов, требующих повышенных затрат энергии с образованием метаболитов, вовлекающихся в основной обмен; гидроксилирование ароматических соединений - один из путей биосинтеза фенольных соединений; регуляция ростовых процессов, связанная с окислением НДЦНр пероксидазой.
Вопросы конкретного участия отдельных изоформ пероксидазы в тех или иных физиолого-биохимических процессах, регуляторные механизмы, обеспечивающие функционирование ее в соответствии с физиологическим оостоянием растений, изучение связи локализации изоферментов и соответствующих субстратов еще требуют глубокого и всестороннего исследования.
Пероксидаза выполняет названные физиологические функции, окисляя фенольные соединения. Пути их окислительного катаболизма еще изучены недостаточно, что не позволяет сделать окончательных выводов о физиологических функциях пероксидазы и самих фенольных соединений.
В литературе имеются многочисленные данные относительно влияния различных факторов среды на состав ферментов. Так, J.W.Donald (1973) выращивал табак при соотношениях ночных и дневных температур - 10/15, 20/25, 30/35 с освещением в течение б, 12 и 18 ч. Им показано, что профили катодных перо-ксидаз из листьев и корней были сходны по положению полос и различались только по их интенсивности. Профили анодных перо-ксидаз различались по числу и интенсивности полос малой подвижности. Обнаружено,что повышение температуры выращивания - 2T-приводило к увеличению подвижности и уменьшению интенсивности медленных и промежуточных пероксидаз.
Температура выращивания также влияет на активность и состав пероксидазы клеток табака, культивируемых в суспензии. Клетки выращивали при температуре 13, 25 и 35. При температуре 13 активность фермента в клетках была выше,чем при более высокой температуре. Спектр пероксидазы гомогенатов клетки при различных температурах выращивания был неодинаковым ( De Jong et al.,I968). Причем клетки выделяли в культурную среду изозимы, свойства которых зависят от температуры выращивания. При тепловом закаливании интактных проростков при температуре 42 в течение 3 ч спектр фермента не изменяется, но увеличивается содержание одного из трех изоферментов кислой фосфатазы ( Zeldman, 1979). Новые зоны изопероксидаз появляются в результате действия закаливающий и высокой температур. Закономерности изменения спектра пероксидазы определяются не только действующей температурой, но и наследственными особенностями сорта (Felder М., 1976; Nessler A. et al.,I977; Олейникова и др.,1979; Хотылева и др., 1980; Сарсенбаев и др., 1981; и др.).
Действие низких температур также изменяет спектр фермента. Так, И.Христова и Г.Салчева (1978) изучали влияние низких закалочных температур (I и 2 фазы закалки по Шуманову) на изозим-ный состав пероксидазы листьев и узлов кущения озимой пшеницы. Под действием низких температур в процессе закалки у растений появлялись новые специфические компоненты, главным образом в зоне слабо и среднеподвижных фракций. Эти особенности лучше выражены в листьях и узле кущения. О.В.Петрова и П.С.Мишустина (1976) показали изменение состава пероксидазы у гибридов кукурузы, различающихся по холодостойкости при действии закаливания семян (по Генкелю) и охлаждения растений низкими положитель- ными температурами. . B.H.McCown et al., (1970) установил значительное влияние условий выращивания (свет, температура) на изозимный состав ферментов. Из четырех изученных ферментов только у трех (перокси-дазы, кислой фосфатазы, эстеразы) под влиянием стресса происходит значительное изменение спектра. Изозимный спектр глюкозо-6-Ф-ДГ не изменяется (ни по 0ЭП,ни по количеству зон). У исследованных видов спектр ферментов резко отличается друг от друга.
Новосинтез изозимов пероксидазы происходит при выдерживании кусочков клубня батата в атмосфере этилена (Pahlich,I972), при этом активность фермента увеличивается в 100 раз. В условиях частичного анаэробиоза у проростков кукурузы увеличивается число зон в спектре АДГ. (shannon et al., 1973). Количество возникающих новых полос ДЦГ зависит от сорта кукурузы, причем обработка циклогексимидом ингибирует увеличение активности ДЦГ и появление новых полос.
Действие многих других факторов, кроме температурного,оказывает влияние на изозимный состав ферментов. Так, изменение спектра ГДГ при действии на проростки гороха двуокиси серы наблюдал Палих.
Условия минерального питания также значительно влияют на состав изоферментов у растений. Plates, D.Boulter (1979) показано изменение изозимного состава пероксидазы в семядолях, пыльце и листьях кормовых бобов в 4 вариантах азотного питания. Наибольшие изменения получены в варианте без клубеньков и азотной подкормки, который индуцировал появление 3 дополнительных белковых зон в составе пероксидазы и в составе общего белка. L. Barash et al.,(I976) изучали влияние солей аммония на ГДГ. Для этого они инкубировали изолированные листья в среде, содержащей аммоний. Активность ГДГ увеличивалась, что было связано с появлением нового изозима. Свет увеличивал скорость образования и активность ГДГ. Оба фермента (весго их 2) имели одинаковую относительную массу 22000-24000, но отличались по изоэлектрической точке и температурной чувствительности. М. FieIdes et al(I976) исследовали активность и изозимный состав пероксидазы в генотипах и генотропаз льна,а также ростовые процессы в различных генерациях льна при выращивании растений в разных почвенных условиях. Показано влияние удобрений на относительную подвижность изозимов пероксидазы в родительских и гибридных растениях.
О.Н.Кожанова, В.А.Аксенова (1976), основываясь на анализе физико-химических свойств пероксидаз здоровых и зараженных растений капусты, предположили, что под влиянием инфекции синтезируется фермент с новыми свойствами. По мнению Б.А.Рубина и др. (1974) увеличение активности и количество зон пероксидазы является не первичным процессом,а результатом сложных сдвигов, вызываемых метаболитами возбудителей всех основных центров клеточной активности. Инфекция ведет к усилению энергетического обмена, что позволяет усилить синтез пероксидазы, полифенолоксидазы, дегидрогенез и структурных белков. В то же время Т.В.Чиркова, Е.Л.Соколовская (1976), считают, что возрастание активности пероксидазы при анаэробных условиях связано не с новообразованием фермента, а с освобождением его латентной формы при разрушении менее прочных, чем у приспособленных растений клеточных структур.
Интересные данные получены при изучении активности растворимых, ионно- и ковалентно-связанных форм пероксидазы канареечника тростниковидного. Активности названных форм фермента относились как 8:4:1, а при заражении они возрастали в 2,2; ' ~ 24 ~ 1,6; 1,2 раза соответственно, что было связано с активированием трех катодных пероксидаз (Vance et al., 1973). Активность ферментов может увеличиваться как за счет синтеза новых, так и за счет активации уже синтезированных ферментов. Исследования ученых свидетельствуют о возрастании активности пероксидазы при неблагоприятных воздействиях за счет синтеза новых изоформ,хотя отдельные авторы придерживаются иного мнения (Чиркова, Соколовская, 1976). У больного растения появились новые формы фермента с иными изоэлектрическими точками, чем у пероксидаз здоровых растений (Mason, 1976).
Механизм регуляции активности пероксидазы, ее конкретное участие в активации метаболизма при заражении растений, действии экстремальных температур, пониженной аэрации и других неблагоприятных воздействиях еще недостаточно выяснены. Вышеприведенные исследования косвенно подтверждают предположение о роли пероксидаз в качестве альтернативных терминальных ок-сидаз, вовлекающихся в окислительные реакции при экстремальных условиях.
Наличие альтернативных окислительных систем, особенно катализирующих заключительные этапы, рассматривается как фактор неизмеримо расширяющий диапазон адаптивных приспособительных возможностей растительного организма (Рубин, Ладыгина, 1974).
Несмотря на обширные литературные данные, закономерности азотного обмена у пшениц целинных районов Казахстана изучены слабо, хотя это имеет большое значение для прогнозирования урожая, отбора наиболее устойчивых и перспективных сортов,разработки мероприятий по возделыванию пшеницы. Нами в Северном Казахстане в различные по водообеслеченности годы в сортовом разрезе и различных органах яровой пшеницы изучались динамика азотистых соединений, количественные и качественные изменения фракционного состава белков. Для более подробного изучения влияния засухи, суховея и высокой температуры мы в кли матических камерах моделировали условия Северного Казахстана и исследовали такие важные и чувствительные показатели, как состав легкорастворимых белков, активность, термостабильность пероксидазы, играющей большую роль в устойчивости растений.
Климат Северного Казахстана
Климат Северного Казахстана-резко континентальный, с продолжительной зимой и коротким летом. В среднем за год бывает лишь 100-125 безморозных дней и 130-140 дней со среднесуточной температурой выше 10.Напряженная инсоляция в теплый сезон года обеспечивает зерновые культуры достаточным, а иногда избыточным количеством тепла и света. Обилие прямого света при небольших запасах влаги тормозит рост растений и обучлавливает типичную для Северного Казахстана низкорослость хлебов (40-70 см). Большая суточная амплитуда температурных колебаний летом в засушливые годы играет, по-видимому, положительную роль: в ночные часы ткани растений восстанавливают запасы влаги. Весной и осенью понижение температуры ночью часто завершается утренними заморозками при высокой температуре воздуха днем.
Погодные условия в годы проведения исследований (1970-1974 гг) по целому ряду метеорологических факторов были довольно типичными для северных областей Казахстана,но значительно различными по условиям увлажнения.
Благоприятный (1970) год характеризовался высокой относительной влажностью воздуха и поздним наступлением последних весенних и первых осенних заморозков. Сумма осадков за период вегетации составила 140 мм или 84$ от годовой нормы. Количество осадков в мае и июне месяцах несколько превышало (на 4,2$) среднемноголетние данные. Осадки же июля и августа были несколько ниже (36,7 и 16$) среднемноголетних.
Засушливый (1971) год характеризуется ранней весенней оттепелью, но затянувшимся похолоданием и снеготаянием до середины апреля. Сумма осадков в мае (в виде дождя и снега) достигала 60 мм. В июне и июле выпало незначительное количество осадков: 20,2 и 37,2, т.е. на 50 и 35$ ниже нормы, а среднесуточные температуры были выше нормы. 1972 год был в начале вегетации сухим и холодным, затем наступила резкая засуха с повышением температуры воздуха до 31 С0 в июне месяце. Б июле выпало 56,5 мм осадков,что выше нормы почти в два раза. В августе наблюдалось обильное выпадение дождя с понижением температуры воздуха до 5С. В целом этот год по метеоусловиям сильно отклоняется от многолетних данных,что также характерно для климата севера Казахстана.
В 1973 году условия для роста и развития яровой пшеницы сложились в основном благоприятно. За период всходы-колошение выспало 150 мм осадков, среднесуточная температура воздуха была 17,6. Растения хорошо кустились и имели развитую поверхность листьев.
В засушливом (1974) году весна была дождливой и холодной с частыми заморозками. От всходов до выхода в трубку за счет зимне-весенних запасов влаги в почве растения развивались относительно нормально. Затем с фазы трубкования до формирования зерновок наступила сильная почвенная засуха с высокой температурой воздуха. Это в сильной степени отрицательно сказалось на размерах ассимилирующего аппарата и общей продуктивности пшеницы.
Таким образом испаряемость превышает сумму атмосферных осадков в 2-5 раз. Особенно засушливым бывает конец мая и большая часть июня, зерновые культуры нахрдятся в стадии кущения - выхода в трубку.. До выпадения летних дождей растениям приходится использовать быстро исчезающие запасы влаги,накопившиеся в почве в результате осенне-зимних осадков.
Характерная особенность климата этой зоны - частык ветры большой скорости, переходящие в пыльные бури. В отдельные годы в период повышения температуры воздуха весной они портят или совсем уничтожают всходы на сотнях тысячах гектаров. Ветры во время грозовых летних дождей вызывают полегание растений, а дующие в сухое время осенью - осыпание зерна, спутывание и полегание стеблей.
Влияние суховея и засухи на азотистые соединения и динамика фракционного состава белка в органах яровой пшеницы в течение вегетации
Несмотря на большое количество исследований, посвященных влиянию засухи на азотный обмен растений, сведений о метаболизме азота у пшеницы в условиях суховея, а также у сортов,различающихся по степени засухоустойчивости, мало. В связи с этим, мы изучали в онтогенезе динамику содержания общего, белкового и небелкового азота в вегетативных и репродуктивных органах яровой пшеницы в условиях Северного Казахстана. Объектом исследования служили различные по характеру развития и длине вегетационного периода сорта мягкой пшеницы (слабоустойчивая-Скала, засухоустойчивая -Саратовская-29) и твердой (слабоустойчивая -Мелянопус-26 и засухоустойчивая - Харьковская-46).
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что содержание азотистых веществ у яровой пшеницы в течение вегетации изменяется по определенным закономерностям. Так, наиболее высокая концентрация общего и белкового азота в листьях, листовых влагалищах и стеблях яровой пшеницы обнаруживается в начале вегетации (рис. I). По мере развития растений содержание азота постепенно снижается. Установлено, что чем выше процент общего азота в листьях, тем больше относительное его содержание в зерне (Болдырев, 1959, Anselm Romachandrail ,1963; Павлов, 1969, Воллейдт, 1970; pate, 1973; Мамонов, Саймасаев, 1976; Raven et.al., 197 ; Nowacki, 1977 И др.).
class3 ВЛИЯНИЕ СУХОВЕЯ И ЗАСУХИ В РАЗЛИЧНЫЕ ФЕНОФАЗЫ НА
АКТИВНОСТЬ И ТЕРМОСТАЕЙЛЪНОСТЬ ПЕРОКСИДАЗЫ ЛИСТЬЕВ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ class3
Влияние суховея на активность и термостабильность пероксидазы листьев яровой пшеницы в различные фенофазы
Действие высокой температуры и суховея на растения приводит к нарушению метаболизма, снижению интенсивности синтетических процессов, повышению активности гидролитических ферментов, лизису мембран, затрагивает почти все процессы в клетке (Plesnicar et.al., 19 7, Weston, 1969); Альтергот И др.,1971; Новоселова и др., 1971; Олейникова и др. 1971; Bdvin, 1973; Kryger, 1974, Gardiner М. et.al., 1974; Ясака, 1975; Mader et.al., 1975, Севрова и др., 1977; Greimel A. et.al., 1977; Сарсенбаев и др.,1982; и др.).
Компонентный состав и активность пероксидазы и других ферментов при действии на растения многих повреждающих факторов изменяется. Это происходит под влиянием рентгеновских и 7Ф лучей, красного света, механических повреждений,анаэробиозе в корнеобитаемой зоне, поражении грибами, бактериями, насекомыми, обработки ростовыми веществами, минеральными солями и др.
Мы изучали влияние суховея на компонентный состав, термостабильность пероксидазы листьев яровой пшеницы в различные фенофазы. Для этого брали сорта, различающиеся по засухоустойчивости, - Саратовская-29 (устойчивый сорт), Скала (слабоустойчивый сорт). Растения в различные фенофазы по.цвергали действию суховея (условия и методика анализа приведены ранее). В результате исследований нами получены данные, свидетельствующие о влиянии суховея на компонентный состав и терглостабильность пероксидазы.
Ввиду наличия нескольких изменяющихся переменных, вначале рассмотрим компонентный состав пероксидазы листьев в различные фенофазы.
Из рисунка 10 ( см. контроль I ) следует, что у сортов Скала и Саратовская -29 состав пероксидазы в фазе кущения сходный, т.е. по 12 компонентов в спектре, но расположение компонентов с низкой подвижностью различно. В фазу трубкования (рис. 11,1) количество компонентов в спектре у сорта:; Скала - 16-17 (в зависимости от части листа), а у Саратовской-29 -14, т.е. спектр усложняется. У Скалы в фазе трубкования в варианте верхняя часть листа появляются компоненты с ОЭП 0,50, а у Саратовской -29 - 0,43.
В фазе колошения (рис. 12, І) у Скалы количество компонентов уменьшается с 17 до 14 ( в спектре фермента из средней части листа выпадают 2 зоны с ОЭП 0,37, 0,43; а в верхушке -3 зоны с ОЭП 0,37, 0.43, 0,50). У Саратовской-29 количество компонентов в спектре меняется меньше - исчезает один компонент. Если сравнить состав пероксидазы в верхней и средней части листа, то он будет одинаковым у Саратовской-29 и немного отличается у Скалы (на I компонент).
Действие суховея на растения изменяет компонентный состав пероксидазы. Так, в фазу кущения (рис.10, II) сразу после суховея в листе можно обнаружить появление 3 компонентов у Скалы с ОЭП 0,06, 0,50, 0,56, а у Саратовской-29 с ОЭП 0,25, 0,37, 0,52. Эти компоненты появляются в спектре фермента из средней и верхней части листа.
