Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 11
1.1. Анатомофизиологические аспекты формирования плода (зерновки) у злаковых культур 11
1.1.1. Анатомия и эмбриогенез 11
1.1.2. Общая характеристика зерновки 13
1.2. Морфофизиологические характеристики зерновок пшеницы в зависимости от внутренних факторов растения (сорт, очерёдность побега, местоположение зерновок в колосе) 19
1.2.1. Роль кущения 22
1.2.2. Боковые побеги 25
1.2.3. Главный и боковые побеги 29
1.2.4. Местоположение зерновок в колосе 31
1.2.5. Проявление разнокачественности колоса 32
1.3. Особенности использования запасных веществ проростками зерновых культур при прорастании 35
2. Экспериментальная часть 41
2.1. Объект и методы исследования 41
2.1.1. Объект и методы отбора проб 41
2.1.2. Морфофизиологические методы 43
2.1.3. Определение поглотительной способности корневых систем 44
2.1.4. Определение ацидофицирующей активности проростков пшеницы 45
2.1.5. Определение фракционного состава белков 46
2.1.6. Определение эффекта ионов свинца и цинка на прорастание зерновок 47
2.1.7. Вегетационный опыт 48
2.2. Результаты и их обсуждение 49
2.2.1. Морфофизиологическая характеристика зерновок различной выполненности у сортов озимой пшеницы 49
2.2.1.1. Исследование параметров фракций зерновок сортов озимой пшеницы 49
2.2.2. Изменение массы 1000 зёрен сортов озимой пшеницы в зависимости от количества и вида побегов в кусте 51
2.2.3. Состав фракций зерновок в урожае и в зависимости от количества продуктивных побегов 55
2.2.4. Масса фракций зерновок в зависимости от порядка побегов в кусте 61
2.2.5. Содержание общего азота и фракционный состав белков зерновок различной выполненности 66
2.2.6. Высота и масса побегов озимой пшеницы в зависимости от их порядка в кусте 70
2.2.7. Морфофизиологическая характеристика проростков из различных фракций зерновок 75
2.2.8. Ацидофицирующая активность корней проростков озимой пшеницы 79
2.2.9. Эффект ионов РЬ и Zn на прорастание зерновок озимой пшеницы сорта Звезда 85
2.2.10. Формирование органов проростков в зависимости от степени окультуренности почв 92
2.2.10.1. Характеристика почв, отличающихся по окультуренности 94
2.2.10.2. Морфофизиологическая характеристика проростков 95
2.2.10.3. Ацидофицирующая функция корневых систем 98
2.2.10.4. Интенсивность К+ / И1" - обмена 103
2.2.11. Влияние обеспеченности элементами минерального питания на урожай растений, выращенных из зерновок различных фракций 107
Заключение
Выводы 115
Список литературы
- Морфофизиологические характеристики зерновок пшеницы в зависимости от внутренних факторов растения (сорт, очерёдность побега, местоположение зерновок в колосе)
- Местоположение зерновок в колосе
- Морфофизиологические методы
- Содержание общего азота и фракционный состав белков зерновок различной выполненности
Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследование онтогенеза растений является традиционной проблемой классической физиологии растений (Леопольд, 1968; Бурень, 1972; Чельцова, 1980; Кефели, 1991; Шевелуха, 1992; Захарченко, Кумаков, 2001). За многие десятилетия изучения этапов органогенеза различных жизненных форм высших растений (Куперман, 1969; 1982; 1984; Серебрякова, 1971; Павлов, 1972) удалось более глубоко изучить закономерности морфогенеза и хода физиологических процессов каждого из них, понять форму и функцию как единый процесс, разработать проблемы морфофизиологической изменчивости растений, а также вопросы динамики физиологических и биохимических процессов в онтогенезе в связи с прохождением основных этапов органогенеза.
Научно-исследовательская работа, направленная на определение компонентов урожая, продолжается и по сегодняшний день. В настоящее время всё ещё ощущается необходимость в изучении морфофозиологических показателей на уровне целого растения, в установлении связи конечной продуктивности с ходом роста растений, в формировании потенциальной продуктивности и дальнейшей реализации её в репродуктивный период (Кумаков, 1954, 1980; Терентьев, Царёва, Лойко, 1958; Суворова, 1959; Минеев, 1970; Шевелуха, 1980; Коновалов, 1981).
Важным показателем продуктивности злаковых культур считается число растений на единицу площади, число колосьев на одном растении, число зёрен в колосе и вес одного зерна (Миллер, 1949; Кондауров, Мовчан, 1970; Муравьёв, 1973; 1975; Кумаков, 1985). Было установлено, что одним из факторов, определяющих структуру урожая, является генотип растения (Володарский, Циунович, 1978; Кумаков, 1985; Казенина, 1988). Сортовые различия по её показателям могут быть весьма значительными. Но в то же время имеются убедительные доказательства, что различия, обусловленные условиями внешней среды, могут быть ещё большими, чем различия, обуслов-
ленные генотипом (Добрынин, 1969; Орлюк, 1975; Тетерятченко, 1975; Евдокимова, 1997).
В понятие морфофизиологической характеристики зерновок пшеницы вкладываются подходы к изучению и описанию частей семени, а именно: 1) функций частей семени как органов будущего растения; 2) динамики формирования частей семени после оплодотворения; 3) газообмен семени; 4) отложение веществ в запас; 5) активность ферментов семени при их прорастании; 6) последовательность и интенсивность использования запасных веществ для обеспечения роста органов проростка.
Одной из форм качества семенного материала является неоднородность семян по массе и размерам (Овчаров, Кизилова, 1966; Прокофьев, 1968; Со-зинов, Козлов, 1970; Овчаров, 1976; Данович, 1982; Губанов, Иванов, 1988; Терёхин, 1996). Следует выделить следующие факторы, определяющие названные характеристики: 1) различия в генотипе, 2) местоположение в колосе, 3) очерёдность побегов кущения, 4) влияние условий внешней среды.
В последнее десятилетие вновь возрос интерес к проблеме так называемой разнокачественности семян. Её изучение представляется весьма необходимой как с общих биологических позиций растягивания растениями во времени и пространстве процессов формирования генеративных органов с целью адаптации к постоянно варьирующим факторам среды, так и с позиций более детального исследования морфофизиологических изменений, характеризующих зерновки пшеницы различных сроков созревания и сформировавшихся на различных побегах кущения. Не вызывают сомнения, что изучение существующего расхождения между целями селекции пшеницы на продуктивность (в т.ч. белковость, высокие технологические свойства зерна) и жизненными стратегиями вида (видов) как кустового злака, вырабатываемыми в ходе эволюции, имеют большую практическую ценность и теоретическую значимость.
Цель и задачи исследования
У озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) выполненность зерновок, а, следовательно, семенная продуктивность целого растения как кустового злака определяется следующим комплексом внутренних и внешних факторов:
количеством продуктивных побегов,
размером колосьев,
местоположением зерновок в колосе,
напряжённостью экологических факторов в онтогенезе (особенно на заключительных этапах).
Так как не во все годы зерно урожая является хорошо выполненным, а в последствии оно может служить источником посевного материала, представлялось целесообразным изучить морфологические и физиологические различия между зерновками различной степени выполненности у сортов мягкой озимой пшеницы, и в этой связи установить является ли наличие фракций щуплых и мелких семян в урожае кустового злака результатом воздействия на растения факторов среды и местоположения зерновок в колосе, или их наличие в урожае эволюционно предопределено.
В соответствии с названной целью были поставлены следующие задачи:
определить морфологические различия между зерновками, с одной стороны, фракций щуплых и мелких семян, с другой - фракциями выполненных и хорошо выполненных семян (линейные и объёмные параметры, соотношение зародыш/эндосперм, масса 1000 зерновок);
установить наличие или отсутствие сортовой специфики в формировании фракционного состава зерновок в урожае растениями с различным числом продуктивных побегов;
выявить особенности формирования фракционного состава белкового комплекса зерновок разной степени выполненности у сортов озимой пшеницы;
изучить особенности формирования побега и корневой системы проростками, сформировавшимися из зерновок разной степени выполненности, при прорастании в период гетеротрофного этапа развития;
оценить поглотительную способность корневых систем проростков, выращенных из зерновок разной выполненности;
исследовать ацидофицирующую активность корневых систем проростков, выросших из зерновок различных фракций, на наличие тяжёлых металлов в среде корнеобитания;
изучить ответные реакции проростков пшеницы на химический элементный состав почв разной степени окультуренности;
выявить возможность частичной компенсации недостатка метаболитов в гетеротрофный период развития у проростков, выросших из щуплых и мелких семян, за счёт внесения элементов минерального питания в среду корнеобитания.
Научная новизна
Полученный экспериментальный материал развивает представления о значимости морфофизиологических механизмов адаптации однолетних кустовых злаков в ходе реализации этапов онтогенеза к воздействию факторов среды. С одной стороны, морфофизиологическая разнокачественность зерновок - это результат воздействия экологических факторов, с другой - мощный адаптационный механизм, позволяющий выстоять растениям пшеницы в неблагоприятных условиях среды, вследствие проявления эффекта гетероспер-мии.
Между продуктивными побегами кущения, в зависимости от их количества, проявляются взаимосвязи трёх типов: нейтральности, конкуренции, кооперативного эффекта. Эти взаимоотношения, на фоне различной побего-образующей способности сортотипов, в значительной степени зависят от
факторов внешней среды, что отражается на морфофизиологических характеристиках зерновок.
Выяснена стратегия формирования вегетативных органов проростками, выросшими из зерновок различной степени выполненности. Проростки, сформировавшиеся из семян меньшей массы и объёма, имеющиеся в эндосперме метаболиты прежде всего направляются на формирование надземных органов, так как этап гетеротрофного развития у таких проростков существенно короче. Кроме этого, корневая система этих проростков обладает большей удельной ацидофицирующей и ион поглотительной активностью, проявляющейся в водных вытяжках из почв.
На основании выше отмеченного и в связи с тем, что существует сортовая специфика в формировании фракционного состава зерновок урожая с одного растения, делается заключение об эволюционной предопределённости разнокачественности семян мягкой озимой пшеницы, как способа адаптации к неблагоприятному воздействию факторов среды в онтогенезе растений.
Практическая значимость работы
Установлено, что фракционный состав зерна урожая мягкой озимой пшеницы определяется не только факторами внешней среды, количеством побегов и местоположением зерновок в колосе, но зависит также от сортоти-па и очерёдности побега в целом растении. Проростки, формирующиеся из щуплых и мелких семян, в течение более короткого, чем у выполненных семян, периода гетеротрофного этапа развития, обладают большей энергией роста, удельной ацидофицирующей и ион поглотительной способностью, и в первую очередь формируют надземные органы, стремясь перейти к автотрофному типу питания. Тем не менее, внесение в среду корнеобитания азота, фосфора и калия с минеральными удобрениями, способно лишь частично компенсировать недостаток метаболитов эндосперма при прорастании щуплых и мелких зерновок.
Полученные в работе данные могут быть использованы в практике растениеводства, в преподавании курсов «Селекции и семеноводства зерновых культур», «Физиологии и биохимии растений», спецкурсах по программам магистерской подготовки - «Экологическая физиология растений», «Физиология фитоценозов».
Работа выполнена в рамках программы НИР Министерства образования и науки по теме: «Регуляция роста и развития растений» (номер регистрации 6.34.31.00).
Апробация работы
Результаты исследований по теме диссертации были изложены на: IV съезде общества физиологов растений России (Москва, 1999 г.); II Международной научной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2001 г.); 3-й Международной ирано-российской конференции «Agriculture and Natural Resources» (Москва, 2002 г.); Международной конференции «Физиология растений - основа фитобиологии» (Пенза, 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Возрождение агропромышленного комплекса России (Брянск, 2005 г.); VI съезде общества физиологов растений России. Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007 г.)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста и состоит из: введения, обзора литературы (3 главы), экспериментальной части (2 главы), заключения, выводов, списка литературы. Текст содержит 16 таблиц, 25 рисунков. В списке литературы 165 источника, в том числе 34 - иностранных.
Морфофизиологические характеристики зерновок пшеницы в зависимости от внутренних факторов растения (сорт, очерёдность побега, местоположение зерновок в колосе)
При исследовании разных видов пшеницы было выявлено (Дорофеев, Градчанинова, 1971; Кумаков, 1985; Wang et al., 1995), что при увеличении плоидности и при переходе от диких форм к культурным выросли размеры клеток мезофилла и эпидермиса листьев, замыкающих клеток устьиц, стало меньше устьиц в расчёте на единицу листовой поверхности. В зерновках увеличилось число клеток алейронового слоя, возросли общий объем зерновок, продолжительность и интенсивность их налива, масса зерна с колоса. Увеличилась и общая листовая поверхность растений, особенно размеры верхних листьев. Эти изменения сопровождались снижением относительного содержания азота как в зерновках, так и в листьях. Это обстоятельство, видимо, было одной из причин снижения интенсивности фотосинтеза и фотохимической активности хлоропластов у культурных тетра- и гексаплоидов по сравнению с диплоидными пшеницами. В результате количество биомассы, накапливаемой за вегетацию на единицу листвой поверхности у культурных тетра- и гексаплоидов, меньше, чем у примитивных пшениц.
Однако значительное превосходство в листовой поверхности, способность к более длительному сохранению ее фотосинтетической активности в период налива зерна, увеличение оттока ассимилятов в колос при уменьшении оттока в стебель и корни, смещение максимума фотосинтетической активности на более поздние фазы развития растений обеспечивают в целом большую зерновую продуктивность (Кумаков, 1985). Гексаплоидные пшеницы обладают наибольшими адаптивными возможностями, что и явилось одной из причин широчайшего распространения T.aestivum L. Этим пшеницам свойственен синтез своих специфических ферментов, контролирующих интенсивность фотосинтеза и обеспечивает его высокую эффективность при колебаниях условий окружающей среды (Серебрякова, 1971; Андреева, Соколов, Лютаревич, 1976; Павлов, Колесник, 1977; Натрова, Смочек, 1983).
Виды пшениц различаются и по развитию корневой системы. По числу корней, образовавшихся на одно растение и один стебель, некоторые дикие виды находятся на уровне культурной мягкой пшеницы. Однако адсорбирующая поверхность корней диких форм намного меньше, чем у культурных сортов мягкой и твердой пшеницы (Лебедев, 1966; Кумаков, 1985).
Таким образом, при переходе от диплоидных видов к полиплоидным, от диких форм к культурным рост зерновой продуктивности обеспечивается благодаря факторам, которые можно условно назвать экстенсивными (увеличение числа и размеров вегетативных рабочих органов, продолжительности их активного функционирования), но не повышением интенсивности фотосинтеза и других физиологических процессов.
Биологический потенциал продуктивности сорта, улучшение которого является целью на продуктивность, может быть повышен в результате наследственного изменения морфофизиологического типа растений в отношении каждого из указанных физиологических процессов: вследствие повышения фотосинтетической продуктивности, увеличения доли зерна в общем урожае, улучшенной транслокации и способности растений перемещать в зерновки и накапливать в них органические вещества, или путем оптимизации процесса дыхания (Прокофьев, Жданова, Соболев, 1957; Коновалов, 1981).
Сорта с высокой аттрагирующей способностью характеризуются высоким уровнем дыхания в колосьях. Эта способность высокопродуктивных сортов объясняется тем, что в зерновках ассимиляты не просто откладываются, а ресинтезируются в транспортную форму углеводов - сахарозу, которая гидролизуется до моносахаров (глюкоза и фруктоза), а моносахара превращаются в полисахарид - крахмал, за счет использования энергии молекул АТФ, образующихся в процессе окислительного фосфорилирования (Кума-ков, 1954; Павлов, 1969; 1972; 1974; Ленинджер, 1985, а, б; Wang et al., 1995; Yin etal., 1998).
Важное значение имеют также гормональные факторы, регулирующие рост органов и соотношения между ними (Дерфлинг, 1985).
Ход органогенеза колоса зависит и от условий питания, т.е. от снабжения меристем транспортируемыми метаболитами. Это прямое действие трофических факторов на морфогенез дополняется косвенным влиянием, по скольку оно связано еще и с фотопериодической реакцией растений (Сапе-гин, 1938; Натрова, Смочек, 1983; Захарченко, Кумаков, 2001).
Между сортами различного происхождения обнаруживается очень большая разница в характере варьирования элементов продуктивности колоса в зависимости от складывающихся погодных условий. Эти различия затрагивают в основном два элемента продуктивности - озерненность колосков и размер зерновок, характеризуемый массой 1000 зёрен (Овчинников, Шихано-ва, 1964; Овчаров, Кизилова, 1966; Казенина, 1988; Алексейчук и др., 2005; Чернов, Квасов, 2005).
В литературе довольно широко обсуждается вопрос о модели «идеального» растения или сорта (Муравьёв, 1975; Кумаков, 1985 и другие). Под «идеальным сортом» обычно понимают сорт, обладающий высокой продуктивностью и способностью наиболее полно использовать благоприятные внешние условия для формирования максимального урожая. Но надо иметь в виду, что само понятие «идеального сорта» является условным.
Местоположение зерновок в колосе
Верхние элементы колоса обладают более высокой аттрагирующей способностью, на что указывает тот факт, что при ограниченном снабжении питательными веществами максимальная масса одного семени обнаруживается в более высоком ярусе. То есть, транспортируемые метаболиты привлекаются преимущественно верхними ярусами даже за счет колосков, расположенных ниже (Коновалов, 1981).
Проявление взаимосвязи между элементами продуктивности колоса озимой пшеницы, хотя и проявляется на разных этапах развития растений, но зависит и от условий произрастания (Вареница, Пономарев, 1970). Кроме этого, следует иметь в виду, что число колосков в колосе определяется уже на ранней стадии развития - в первые две-три недели после окончания зимовки, тогда как озерненность колоска определяется значительно позднее, притом в три этапа: 1) при закладке цветков, 2) при формировании генеративных органов цветка, 3) в период завязывания зерновок. Вес и размер зерновки окончательно формируются в процессе её налива и созревания, т.е. на самых последних этапах развития.
Так как, структура колоса представляет собой морфологически зафиксированную картину истории органообразовательных процессов в онтогенезе пшеничного растения, то изучая её, мы имеем дело лишь с конечным этапом развития. Более углубленное представление о формировании урожая может быть получено в результате применения метода морфофизиологического анализа, позволяющего глубже понять процессы образования элементов продуктивности у разных сортов в разных условиях выращивания. Этот метод вскрывает процессы формирования урожая в динамике, и имеем возможность анализировать ход того или иного этапа органогенеза, начиная с ран них периодов развития колоса (Куперман, 1969; Минеев, 1970; Siuliauskas et al., 2000).
Число колосков выявляется у разных сортов на самых ранних этапах органогенеза. Это проявляется в различиях величины конусов нарастания уже на II - Ш этапах органогенеза. Еще резче эти различия выявляются на IV - V этапах (Куперман, 1984).
Повреждённые в разной степени конусы нарастания отмирают в течение зимы и весной. Их гибель влечет за собой и отмирание всего побега. Гибель осенних побегов, даже при сохранении узлов кущения, способных регенерировать новые стебли и корешки, приводит к тому, что урожай озимой пшеницы формируется либо из точек роста, у которых очень слабо дифференцирован конус нарастания, либо из ранневесенних побегов кущения, который в условиях теплой и поздней весны не успевают яровизироваться и своевременно не выколашиваются (Морфофизиологический метод диагностики состояния озимых посевов, 1977).
Критическим периодом в ходе формирования зерновок в составе колоса является период гаметогенеза. Число развивающихся зерен зависит также от количества доступных продуктов фотосинтеза. Таким образом, окончательное число зёрен, развившихся в колосе после сформирования колосков и цветков, определяется двумя периодами формирования зерна: первый период включает цветение, оплодотворение семяпочки и завязывание максимального числа зерен в колосе; в течение второго периода происходит развитие зерен до полной спелости и сокращение исходного числа завязавшихся зерен, что зависит от генотипа и внешних условий (Натрова, Смочек, 1983).
Большой практический и теоретический интерес представляет вопрос о месте образования наиболее крупных и биологически полноценных зерновок у разных видов злаков. Зерновки злаков, сформированные в разных соцвети ях или даже в разных частях одного и того же соцветия, неоднородны в биологическом отношении. Известно, что в основных колосьях зрелые зерновки более крупные, чем в колосьях подгонов. В пределах соцветия наиболее крупные и тяжелые зерновки образуются у пшеницы и ячменя в средней части колоса (Овчаров, Кизилова, 1966).
Развитие колосков в нижней и центральной зонах колоса тормозит формирование новых сегментов на его верхушке. Число семян и их величина взаимообусловлены. Менее изменчивым признаком является масса семян, поскольку уже на ранних этапах развития зачаточного колоса обеспечен уровень минимума необходимых веществ для развития колосков, даже за счет сильного сокращения их числа (Коновалов, 1981).
В нижней и средней третях колоса пшеницы, зёрна вторых цветков тяжелее зёрен первых цветков. По мере продвижения к верхушке колоса вес первых и вторых зёрен выравнивается, в верхней части колоса вторые зёрна легче первых. Растения, выросшие из первых семян средней части колоса пшеницы обладали большим ростом, мощностью и давали более крупные семена, чем растения, выросшие из семян поздних сроков образования той же крупности (Кумаков, 1985). По другим данным (Натрова, Смочек, 1983) растения, выращенные из зерновок вторых цветков нижних и средних колосков нормально развитого колоса и зерновок первых цветков верхних колосков, были более высокими, лучше кустились и дали наивысший урожай зерна на одно растение с большим содержанием сухого вещества.
Растения, выросшие из наружных семян средней зоны колоса, характеризуются интенсивным ростом, ранним наступлением фаз, энергичным нарастанием листовой поверхности, большим накоплением сухого вещества в надземной части растений, высокой жизнеспособностью и большим урожаем. Растения наружных семян нижней части колоса развиваются быстрее и дают повышенный урожай
Морфофизиологические методы
Зерновки проращивали в чашках Петри в течении 3-х дней в термостате при температуре 22 С. Пророщенные зерновки помещались на стаканчики (ёмкостью 65 мл (по 4 растения), заполненные 10"4 М раствором CaS04-Между пластиной - держателем и поверхностью раствора оставлялся зазор не менее 7 - 10 мм. Растворы аэрировались каждые 2 часа с помощью аквариумной помпы в течение 5 минут. Проростки оставались в растворе 7 дней.
По истечении 7 дней у проростков удалялись зерновки, поскольку не до конца израсходованные метаболиты (особенно у фракций 2,5 и 2,9) могли мешать точности определения. После этого, пластинки с проростками помещались в приготовленные растворы. Исследования проводились на 3,3-10"3 М растворах солей: KCL; KN03; Ca(N03)2; NH4N03.
Поглотительная способность корневых систем проростков определялась по изменению рН исследуемого раствора, то есть раствора в котором находились растения в течении восьми часов. Измерения проводились через каждые два часа с помощью портативного рН-метра PICCOLO (Португалия) со встроенным датчиком, микропроцессором и усилителем, что позволяет свести к минимуму влияние влажности, загрязнений, помех, колебания температуры на точность рН-измерений. Диапазон прибора 1,00 - 13,00 рН, разрешение 0,01 рН, точность измерения ± 0,02 рН. Калибровка прибора проводилась по двум точкам с помощью буферных растворов с рН = 7,01 и рН = 3,50.
Для получения проростков зерновки пшеницы выращивали в рулонах в течение семи дней на свету при температуре 20С.
Ацидофицирующая активность 7-дневных проростков, полученных из зерновок фракций 2,5 и 1,8 сортов Мироновская 808, Звезда, Нана исследовались на водных вытяжках в соотношении почва : вода (1 : 5). Брали два последовательного горизонта (Ai или Апах, Ai/A2, А2В или Аплап) трех почв: окультуренную, неокультуренную и средне окультуренную (целинную).
В первой серии опытов проростки выдерживались в растворах при аэрации, без смены водных вытяжек трое суток. Измерения рН проводились через 2, 4, 6, 24, 26, 28, 48, 50, 52 часа. Вторая серия опытов проводилась со сменой водных вытяжек, измерения рН проводились через каждые 3 часа в течении 12 часов, причем в первом варианте рН водных вытяжек не изменялся, во втором - подкислялся до рН = 4 (0,01 н HCL), в третьем варианте подщелачивался до рН = 7,5 (0,01 н NaOH).
В отобранных образцах почв в 3-кратной повторности выполнялись анализы по определению гидролитической кислотности, суммы поглощенных оснований, степени насыщенности основаниями, кислотности (рНксь), содержания гумуса, фосфора (по Кирсанову), водорастворимых форм кальция и магния, их суммы (Юдин, 1980; Ягодин, 1987).
Из последовательных горизонтов отобранных трёх почв провели анализ на содержание калия в водных вытяжках. Концентрации ионов К+ определяли на эмиссионном пламенном фотометре с монохроматическим светофильтром в пропано-воздушном пламени на приборе «Flapho-4» (производство ГДР) по спектральной линии 769 нм. Перед анализом пробы разбавляли до концентрации определяемого иона 0,1 ч-1,0 ммоль/л. 1 г тонкоразмолотой муки, полученной из зерновок соответствующих фракций, помещали в центрифужные пробирки, заливали 10-кратным объемом бидистиллированной воды и взбалтывали 30 мин на ротаторе. Затем экстрагированные белки отделяют центрифугированием в течение 4-5 мин при 3000 об/мин. Надосадочную жидкость, содержащую водорастворимые белки, сливали в мерную колбу на 100 мл.
Экстракцию с последующим центрифугированием повторяли 5 раз до исчезновения реакции на белок с реактивом Фолина.
После экстракции водорастворимых белков оставшуюся массу заливали 5-ти кратным объемом 1 М KCL и настаивали в холодильнике в течение ночи.
Экстракцию глобулинов проводили аналогично экстракции альбуминов. После экстракции глобулинов осадок в центрифужной пробирке промывают 1 раз водой, центрифугировали и полученный раствор сливали в мерную колбу с раствором глобулинов.
После удаления хлористого калия приступали к выделению спирторас-творимых белков. Для этого гомогенат обрабатывали 10 мл теплого 70 %-ного этилового спирта, перемешивали и взбалтывали на ротаторе в течение 40 мин. Экстракцию белков спиртом с последующим центрифугированием проводили 5 раз.
Для выделения щелочерастворимых белков к осадку в центрифужной пробирке добавляют 10 мл 0,2 % NaOH, перемешивали, взбалтывали 30 мин и центрифугирование экстракции проводили 5 раз.
Оставшийся растительный материал после извлечения белковых фракций количественно переносят в колбу Кьельдаля, добавляют серную кислоту, катализатор, сжигают и определяют количество гликопротеидов (белковый остаток) (Плешков, 1985). Содержание азота белковых фракций определяли фотоколориметрическим методом с использованием реакции с индофенольной зеленью (Самохвалов и др., 1976).
К 0,5 мл используемого раствора добавляли 47 мл рабочего окрашивающего раствора и 2,5 мл 0,125% раствора гипохлорида натрия. Раствор должен стоять в течение 1 часа. После этого снимали показатели оптической плотности на спектрофотометре СФ-26 при длине волны 655 нм. Содержание азота находили по калибровочному графику, измеряя оптическую плотность растворов известной концентрации (0-140 мг/л).
Содержание общего азота и фракционный состав белков зерновок различной выполненности
Морфофизиологические признаки формирующихся зерновок являются важными при определении качества семян будущего урожая злаковых культур. Однако остаются практически неизученными биохимические свойства, в частности фракционный состав белкового комплекса зерновок различной выполненности.
Априори считается, что из хорошо выполненных зерновок, вследствие положительной корреляционной связи, должны получаться более сильные проростки. Это положение не вызывает сомнения в отношении гетеротрофного периода развития проростков.
Однако есть основания полагать, что у проростков, выросших из зерновок различной степени выполненности, существуют разные стратегии в отношении их развития в последующий, автотрофный период. В этой связи представлялось чрезвычайно интересным изучить фракционный состав белкового комплекса зерновок различной степени выполненности в связи с разным распределение белковых фракций по частям зерновки.
Белки представляют собой удобную для использования форму запасных питательных веществ, предназначенных для питания тронувшегося в рост зародыша. После гидролитического распада белков на аминокислоты, вслед за которым происходит их частичное дезаминирование, за счёт реакций переаминирования возникают новые аминокислоты или другие органические соединения азота, в то время как углеродные цепи могут быть использованы в процессе их окисления в качестве источника энергии или послужить материалом для построения новых азотистых или безазотистых соединений углерода (Крокер, Бартон, 1955; Кретович, 1972; Плешков, 1975; Ми-неев, Павлов, 1981).
Изучение фракционного состава белков зерновок представляется интересным и с точки зрения, что в процессе прорастания семян различные белки расходуются не с одинаковой скоростью. Существует мнение (Павлов, 1962), что наиболее интенсивно расходуются спирторастворимые белки - проламины, значительно медленнее - глютелины, еще медленнее - солераствори-мые белки. Более того, очередность расходования белков при прорастании идет в обратном порядке по сравнению с их накоплением при созревании зерновок: белки, позднее синтезированные при созревании, раньше расходуются при прорастании.
В соответствии с представлениями в классической технологической биохимии (Кретович, 1958; 1980; 1981 Княгиничев, 1951) белковый комплекс злаковых культур представлен четырьмя фракциями белков, растворимыми в различных растворителях (воде, солевых растворах, растворе этилового спирта, растворе щелочей). В качестве пятой фракции выделяют глико-протеиды или белки остатка. Традиционно считается, что альбумины и глобулины преимущественно находятся в зародыше зерновки и составляют фракцию легкорастворимых белков. Проламины и глютелины составляют основную долю белков эндосперма и входят в так называемую фракцию труднорастворимых белков. Использование белков отдельной фракции зерновки в процессе прорастания на строительство белков проростка изучено в литературе недостаточно (Павлов, 1962; Минеев, Павлов, 1981).
Исходя из характеристики фракций зерновок исследуемых сортов представляет большой научный интерес исследование соотношения названных фракций в зерновках различной выполннености.
Анализ данных (Табл. 6) содержания азота белков в расчете на 1 зерновку показывает, что колебание их содержания в зависимости от объёма зерновок значительно больше, чем между аналогичными фракциями зерновок сортов. Отношение легкорастворимых белков к труднорастворимым белкам в зависимости от сорта колеблется в пределах 10-20 %, тогда как в зависимости от объема зерновок на 80-100 %.
Средневыполненные (фракция 2,5) и крупные (фракция 2,9) зерновки по абсолютному содержанию всех фракций белков превосходят щуплые зерновки (фракция 1,8). Кроме этого, отношение легкорастворимые / труднорас
творимые белки в щуплых зерновках изученных сортов не превышает единицы, тогда как у средневыполненных зерновок сортов Звезда и Нана оно составляет 1,3, а у хорошо выполненных (фракция 2,9) составляет у сорта Мироновская 808 - 1,43, Звезды - 1,8, Наны - 2,2 (Табл. 6).
Расчёт соотношения между фракциями белкового комплекса зерновок разной степени выполненности показал (Табл.7), что относительное содержание альбуминов и глобулинов у изученных сортов во фракции 1,8 было примерно одинаковым. Однако хорошо выполненные зерновки (фракция 2,9) сорта Мироновская 808, а также зерновки фракций 2,5 и 2,9 сортов Звезда и Нана имели меньшее относительное содержание глобулинов по сравнению с зерновками фракции 1,8.
Ещё одним важным положением при оценке фракционного состава белкового комплекса зерновок различной степени выполненности является то, что на фоне более низкой концентрации N06m в щуплых зерновках относительное содержание альбуминов и глобулинов (белков зародыша) было заметно выше, чем в белковом комплексе зерновок фракции 2,9. То есть, имеются все основания полагать, что щуплые зерновки имеют вполне сформировавшийся набор белков зародыша, а щуплость зерновки не должна обозначать её нежизнеспособность.
На основании произведенного анализа полученных данных можно заключить, что исследованные сорта озимой пшеницы по разному формируют свой белковый комплекс по растворимости и функциональному значению белков. Общим для исследуемых сортов является то, что преобладающей белковой фракцией в выполненных и хорошо выполненных зерновках являются глю-телины, а у сортов Нана и Звезда - и проламины. У сорта Мироновская 808 в названных фракциях зерновок (за исключением фракции 2,9) соотношение между альбуминами, глобулинами, проламинами и глютелинами примерно одинаковое (Табл.7). В целом различие в абсолютном и относительном содержании фракции белков между исследованными сортами несколько меньше, чем названные различия между фракциями зерновок различающихся по выполненности. Зерновки фракции 1,8 по относительному содержанию белков зародыша превосходят зерновки фракций 2,5 и 2,9.
