ИССЛЕДОВАНИЕ КООРДИНАЦИИ МЕЖДУ ПРОЦЕССОМ ПОГЛОЩЕНИЯ НИТРАТА И АКТИВНОСТЬЮ НИТРАТРЕДУКТАЗЫ У ПОДСОЛНЕЧНИКА Редди, Банди Прабхакар

Введение к работе

Актуальность темы. Исследование координации поглоще^ ния и восстановления нитрата на уровне целостного растения необходимо для выяснения причин избыточного накопления нитратного азота в биомассе сельскохозяйственных растений, так как повышение его концентрации выше определенного предела вызывает патологические явления в организме чело» века -и животных, потребляющих растительную продукцию. Для самого растения накопление нитрата в тканях не являет* ся токсичным, поэтому оно рассматривается как защитная реакция, которая способствует предохранению растений от накопления токсичных промежуточных продуктов ассимиля* ции нитратного азота. Предполагается, что биологические механизмы ингибирования активности нитратредуктазы (HP), катализирующей первичное восстановление нитрата, играют существенную роль в этой защитной реакции растений (На-geman, Plesher, I960), Наряду с этим в растениях должны быть биологические механизмы, с помощью которых стимулируется активность HP при благоприятных для ассимиляции нитратного азота условиях. Поскольку HP принадлежит к числу субстратиндуцируемых ферментов, наибольший интерес представляет вопрос о зависимости активности HP от интенсивности поглощения растениями нитрата, В литературе имеются противоречивые данные по этому вопросу. Одни

, ' авторы нашли тесную корреляцию между поглощением растениями нитрата и активностью HP в их тканях (Weissman, 1951; Lycklama, 1963; Breteler et al., 1979 и др.). Другие получили отрицательные данные по этому вопросу (Bowerman,

і, Goodman, 1971; Sahulka, 1977 и Др.). Следовательно, необхо-

димы дальнейшие исследования и новые методические подходы для решения вопроса о наличии или отсутствии внутренней координации процессов поглощения « восстановления нитрата у целостных растений. Актуальность таких исследований определяется большой теоретической и практической значимостью познания явлений регуляции азотного питания растений.

] &нтр. иуцаая Швтш | ^Ji

j ЙЭГ.Н. Cpfl, Яеїш ООЛІТС?.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертаци
онной работы было определение наличия или отсутствия ко
ординации между интенсивностью поглощения нитрата и
активностью HP в корнях растений подсолнечника, выращи
ваемых при достаточном уровне нитратного питания, когда
субстратная индукция HP не является лимитирующим фак
тором Уіервичного восстановления нитрата. Для достижения
этой цели использовались два методических подхода. Первый
заключался в сопоставлении изменений интенсивности погло
щения нитрата и активности HP у растений через несколько
часов после дополнительного внесения ионов аммония в пи
тательный раствор. Вторым приемом было использование
метода биоритмологии; определялось наличие временной ко
ординации между суточными ритмами поглощения нитрата
и активности HP в корнях у растений подсолнечника при кон
тролируемых условиях внешней среды. . "

Конкретные задачи экспериментов были следующие:

1. У растений подсолнечника сопоставить изменения- интенсивности поглощения нитрата п активности HP в корнях, возникающие под влиянием разных концентраций ионов аммония, внесенных дополнительно в питательный раствор.

2. Выявить зависимость указанных выше изменений от предшествующих световых условий, определяющих обеспечение корней подсолнечника фотоассимилятамн,

3. Для характеристики функциональной активности кор* ней опытных растений определить влияние дополнительного внесения ионов аммония на поглощение ими катионов К, Са, Mg и воды.

4. Установить оптимальную концентрацию нитратного азота в питательном растворе для проявления суточного ритма поглощения нитрата растениями подсолнечника в конкретных для наших опытов внешних условиях.

5. Сравнить суточные изменения поглощения нитрата и и активности HP в корнях у растений подсолнечника.

Научная новизна. Использованные в экспериментах методические подходы позволили установить отсутствие координации между интенсивностью поглощения нитрата^! и активностью HP в корнях у растений, выращиваемых при достаточном уровне азота в питательной среде н нормальном свето-темновом режиме. В этих условиях у растений подсолнечника выявлены различия в параметрах суточных ритмов поглощения нитрата и активности HP в корнях, а также противоположность изменений первого и второй под влиянием дополнительного внесения в среду ионов аммония — ингибированне и стимуляция соответственно. Впервые показана зависимость эффекта ионов аммония на активность HP в корнях растений от предшествующих световых условий. Установлено наличие

высокой положительной корреляции между содержанием Са
харов и активностью HP в корнях подсолнечника.' Получен
ные данные свидетельствуют об участи» HP в координации
между углеродным и азотным питанием целостного растения
н тем самым вносят определенный вклад в познание механиз
мов саморегуляции растений. *

Практическая значимость. Результаты диссертационной работы имеют значение для решения проблемы избыточного на-, копленпн нитратного азота в биомассе сельскохозяйственных растений. Они показывают, что это накопление можно ослабить, если создать благоприятные условия для фотосинтетнче-ской деятельности растении и увеличения концентрации Сахаров п тканях и органах, обладающих ннтратредуктазной активностью.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены в виде стендового доклада на теоретическом семинаре, посвященном памяти Д, Л. Сабинина, в Институте физиологии растений АН СССР. По материалам диссертации опубликована научная статья в «Известиях ТСХЛ».

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав обзора литературы, четырех глав экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка цитированной литературы и приложения. Материалы изложены на 183 страницах машинописного текста, включают 19 рисунков и 16 таблиц. В списке использованной литературы имеется 340 наименований,' из них 267 на иностранных языках.

Опыты проводили в лаборатории искусственного климата ТСХА. Объектом исследований были растения подсолнечника (Helianthus annuus L.) сорта Передовик. Растения выращивали в водной культуре, на питательной смеси Кнопа (с внесением микроэлементов Fe, Си, Zn, Мп, В н Мо), при температуре 20 и фотопериоде 16 ч ((свет с 6 до.22 ч). Источником света служили люминесцентные лампы ЛБЦ-30, даюшие освещенность около растений 10 клк. В течение 30 дней предварительного выращивания все растения имели одинаковые условия минерального питания: сначала (12 суток) концентрация солей в смеси Кнопа соответствовала 0,2 нормы, затем 0,5 нормы. Только в одном варианте опыта 1 растения выращивали постоянно при концентрации солей 0,2 нормы. Питательный раствор меняли каждые 7 дней, рН раствора поддерживали на уровне 5,6 (ежедневная коррекция).

Всего было проведено 10 опытов. В первых трех опытах определяли влияние ионов аммония (внесенных в . питательный раствор в виде NH«Cl) на поглощение растениями ионов

NO3-, K⁺, Ca^Sf, iMg²*, воды и на активность HP в корнях. Отношение NH4-VNO3- в опытных растворах было 1, 2 и 3, что соответствовало при 0,5 нормы смеси Кнопа 4,25 мМ NOs~ и 4,25; 8,5 и 12,75 мМ МИ₄+, а при 0,2 нормы— 1,7 мМ N0₃~ н 1,7; 3,4 и 5,1 мМ NH₄"\ Питательные растворы контрольных вариантов не содержали ионов NH₄+. Экспозиция составляла 4 ч i(c 8 до 12 ч дня). Исходный объем питательных растворов был 300 мл на 1 растение, рН 5,6. По изменению за 4 ч объема растворов и содержания в них изучаемых ионов определяли поглощение воды и ионов растениями. После экспозиции растения опыта 1 переводили на водопроводную воду, срезали у них надземную часть и собирали выделяемую корневой .системой пасоку в течение 4 ч (с 13 до 17 ч дня). В пасоке определяли содержание ионов N0₃~ и NH<⁺. В опытах 2 и 3 после экспозиции-определнли активность HP в корнях растений.

В опытах 4, 5 и 6 определяли роль предшествующих световых условна в реакции растений на внесение ионов аммония в питательный раствор (0,5 нормы смеси Кнопа). За сутки до этого внесения часть растений помещалась в темноту («тем-новые» растения), остальные растения оставались на обычном свето-темновом режиме («световые» растения). Затем первые возвращали на свет и одновременно со вторыми помещали : на опытные растворы с отношением NH₄⁺/NOs~ равным 1 и.2 (контроль — только ноны N0₃~). В остальном методика эксперимента была такой же, как и в предыдущих опытах. Определяли поглощение растениями воды, ионов N03~, NH₄⁺, К⁺, активность ИР и содержание сахэров, белкового и небелкового азота в корнях.

В опытах 7-—10 определяли суточные ритмы поглощения нитрата растениями и активности HP -в их корнях. Смену питательного раствора проводили через каждые 4 часа. В опытах 7 и 8 варьировали концентрацию нитратного азота (0,85; 4,25 и 21,25 мМ), остальные элементы питания давали в концентрациях, соответствующих 0,5 нормы смеси Кнопа. В опытах 9 и 10 была только одна концентрация нитратного азота (4,25 мМ). Поглощение нитрата определяли по изменению его содержания в питательных растворах за 4 часа. Пробы корней для определения активности HP браличерез 4 часа после очередной смены раствора;

В работе использовались следующие аналитические методы. Нитратный азот в питательных растворах и пасоке определяли колориметрическим методом (Cataldo et al., 1975), аммонийный азот — фотоколориметрнческим методом с использованием реакции индофенольной зелени, калий — на пламенном фотометре, кальции и магний — на атомно-абсорб-шюнком анализаторе. Активность- HP определяли в корнях

in vivo методом Яворского (Jaworski, 1971); содержание Сахаров в экстрактах из лиофилизированных корней: (экстракция 96%-ным этанолом) —на жидкостном хроматографе ОрШоЬ 931; содержание белкового и. небелкового азота в корнях — мнкрометодом Кьельдаля (осаждение белков — по методу Бариштейна).

При определении поглощения ионов растениями использовалась 5-кратная биологическая повторность, а активности HP — 10-кратная биологическая повторность. Химические анализы проводили с двукратной повторностью. Полученные данные статистически обработаны.