Введение к работе
Актуальность исследования. Изучение биохимической адаптации живых организмов к постоянно меняющимся условиям внешней среды находится в центре современных биологических исследований и требует знаний основ адаптивных реакций. Ведущую роль в поддержании внутриклеточного гомеостаза и адаптации к стрессорам играют ферменты [Хочачко, Сомеро, 1988]. Общие закономерности стратегии биохимической адаптации животных достаточно широко изучены [Лукьянова, 2001; Ковалев, 2003; Цветков, 2009], однако для растений, особенно культурных, обобщения такого масштаба отсутствуют.
Важная роль в изучении глубинных процессов регуляции жизнедеятельности принадлежит множественным формам ферментов и в частности генетически детерминированным изоферментам [Markert, 1985; Филиппович, Коничев, 1987; Хочачко, Сомеро, 1988; Nortman, Weeden, 1992; Алтухов, 2003]. Используя информацию об изоферментах, в настоящее время селекционеры решают многие теоретические и прикладные задачи селекции [Ережепов, 1985; Илличевский, 1995; Лапина, 1999; Конарев, 2001; Юренкова, 2005]. Практическая значимость изучения полиморфизма ферментных систем заключается в том, что изоферменты - это эффективные генетические маркеры [Райдер, Тейлор, 1983; Конарев, 1983; Chauhan, Gopinathan, 1985; Левитес, 1985; Глазко, Созинов 1993; Алтухов, 1995; Козлов, 1997; Епифанцев и др., 2010]. Отзывчивость ферментных систем на изменения условий среды неоднократно отмечена в литературе [Блехман, 1979; Флеров, 1983; Лукъянова, 2001; Ковалев, 2003; Иваченко и др., 2004; Олениченко, Загоскина, 2005; Коничев и др., 2005; Цветков, 2007; Домаш и др., 2008; Синькевич и др., 2008; Гао и др., 2010; Lopez et al., 2010; Гамбарова, 2011].
В последнее время определенное внимание уделяется изучению генома сои [Keim et al., 1992; Maughan et al., 1995; Сеитова и др., 2004; Рамазанова, 2007, 2008], полиморфизма белков и в том числе ферментов [Gorman, Kiang, 1977; Hildebrand, Hymowitz, 1980; Griffin, Palmer, 1995; Иваченко, 2000, 2010; Селихова, 2003; Семенова, 2006; Епифанцев и др., 2010]. Расширение и обобщение фактического материала о множественных формах ферментов сои может стать одним из инструментов изучения адаптации.
Соя (Glycine max (L.) Merrill) - уникальный альтернативный источник белка и экономически выгодная техническая культура. Дальний Восток является основным производителем сои в России [Заостровных, Дубовицкая, 2003], но экономика страны обеспечивается отечественной соей всего на 20%, в то время как её мировое производство увеличивается высокими темпами. Амурская область производит 60 % всей сои в России [Кочегура, 2001; Шелепа и др., 2011]. Расширение посевных площадей объясняется не только возрастанием интереса к ней как ценной высокобелковой, кормовой и пищевой культуре, но и благоприятными почвенно-климатическими условиями для её возделывания [Синеговская, 2005]. Здесь же находится северный ареал дикорастущей сои (Glycine soja Siebold & Zucc), которая обладает высоким адаптивным потенциалом [Ала, Тильба, 2005] и является источником многих ценных генов, отсутствующих в генотипе представителей культурной сои [Козак, 2005].
Несмотря на пластичность и широкое распространение культуры, современные сорта сои очень требовательны к локальному размещению в определенных агроэкологических условиях. Для каждой зоны региона необходимо создавать свои сорта. В исследованиях по интродукции сои в нашей стране основное внимание селекционеры уделяют изучению хозяйственно ценных признаков. Но недостаточно внимания отводится изучению биологически активных веществ [Гинс и др., 2001] и ферментам, которые участвуют в адаптации организма к условиям среды [Иваченко, 1995, 2001, 2010].
В Амурской области выращиваются в основном сорта сои местной селекции, выведенные классическими методами. Они генетически очень близки, что приводит к обеднению генофонда культурной сои и ведет к ограничению ее адаптивного потенциала [Тихончук, 2004]. В связи с акклиматизацией и продвижением выращивания сои на север [Васякин, Гамзиков, 2002; Хегани и др., 2004; Посыпанов, 2007; Кобозева, 2007] возникла необходимость в глубоком изучении ее эколого-биохимических механизмов устойчивости и продуктивности.
Для более объективной оценки исходного материала культурной и дикорастущей сои на адаптивность необходимо было проанализировать различные сорта и линии сои, произрастающие в Амурской области, а также полученные в различных эколого-географических зонах. Важно определить направление биохимической адаптации, используя объективные показатели морфометрических и биохимических тестов в зависимости от комплекса климатических факторов. Для решения этой проблемы необходимо наличие каталога электрофоретических спектров ферментов дикорастущей и культурной сои, изучение влияния среды на активность ферментов и выявление лучших сортов сои, адаптированных к условиям выращивания.
По нашему мнению, характеристика сортов сои по активности и множественным формам ферментов, позволит создать паспорта сортов сои, которые можно использовать в селекционной практике для усовершенствования методов создания адаптивных сортов сои.
Цель и задачи работы. Основная цель работы - изучить возможность использования ферментов в качестве маркеров адаптации сои к условиям выращивания. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Выявить влияние агрометеорологических условий выращивания на активность и электрофоретические спектры каталазы, пероксидазы, кислой фосфатазы, эстеразы и амилазы районированных сортов сои.
-
Изучить адаптивный потенциал дикорастущей сои и выявить различия в активности ферментов межвидовых гибридов сои F2 и F3 (G. max x G. soja) и их родителей.
-
Исследовать активность и электрофоретические спектры ферментов, биохимический состав семян, а также морфологические показатели сортов и сортообразцов сои коллекции ВИР различного эколого-географического происхождения.
-
Установить отзывчивость ферментов исследованных сортов сои к различным агроэкологическим условиям выращивания.
-
Изучить влияние осадка сточных вод (ОСВ) и стимуляторов роста на морфологические и биохимические показатели семян сои и выявить возможность их использования для выращивания сои.
-
Исследовать влияние температурного стресса и тяжелых металлов на энзиматическую активность проростков сои.
-
Оценить возможность использования ферментов в качестве маркеров адаптации сои к различным условиям выращивания для составления биохимических паспортов сортов сои.
Научная новизна и теоретическая значимость. Впервые представлено и экспериментально обосновано перспективное для селекции сои направление исследований ее ферментов в качестве маркеров устойчивости к условиям выращивания. В результате экспериментальной работы выявлено влияние погодных условий на изменение энзиматической активности семян сои различного филогенетического и эколого- географического происхождения. Впервые проанализированы и обобщены закономерности биохимической адаптации дикорастущей и культурной сои к условиям выращивания. Выполнен детальный анализ и систематизированы данные о выявленных электрофоретических спектрах каталаз, пероксидаз, кислых фосфатаз, рибонуклеаз, эстераз и амилаз семян сои. Впервые изучена связь разнообразия форм ферментов с климатическими условиями выращивания сои и другими стрессорами.
Обоснованность научных положений, выводов, рекомендаций. Научные положения диссертационной работы, выводы и рекомендации являются результатом многолетних полевых и лабораторных исследований, проведенных с применением разнообразных биологических, биохимических и физико-химических методов анализа. В исследованиях использовались стандартные и частично модифицированные автором биохимические и биологические методы, применяемые для определения химических и биологических показателей растений. Полученные результаты статистически обработаны.
Практическая значимость. Составлены биохимические паспорта районированных в Амурской области сортов сои; сортов и сортообразцов из других эколого-географических зон, а также форм дикорастущей сои.
Предложен способ использования энзиматической активности в качестве маркера устойчивости сортов сои к различным агроэкологическим условиям. Выявлены сорта сои, которые можно использовать в интродукции и адаптивной селекции для повышения адаптивного потенциала сои.
Основные теоретические положения и практические результаты диссертационной работы используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по биологической химии для студентов 4-5 курсов естественно-географического факультета ФГБОУ ВПО «Благовещенский государственный педагогический университет», а также элективного курса «Химия жизни», рекомендованного Министерством образования и науки Амурской области в качестве учебного пособия для учащихся 9-11 классов общеобразовательных учреждений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Дикорастущая соя, обладающая высоким адаптивным потенциалом, характеризуется повышенной удельной активностью и небольшим числом форм ферментов (каталаз, пероксидаз, кислых фосфатаз, рибонуклеаз, эстераз и амилаз). Невысокая удельная активность ферментов культурной сои компенсируется увеличением числа их форм, что повышает устойчивость растений в различных условиях выращивания.
-
Стабильная удельная активность и число форм исследованных ферментов или их повышение в различных условиях выращивания семян сортов сои свидетельствует о высоком адаптивном потенциале сорта сои.
-
Адаптивные изменения активности и количества форм ферментов под влиянием условий среды связаны с количественными изменениями антиоксидантов (каротина, аскорбиновой кислоты), микроэлементов, масла и ненасыщенных высших жирных кислот (олеиновой, линоленовой кислоты).
-
Удельная активность и электрофоретические спектры ферментов семян можно использовать в качестве маркеров адаптации сортов сои к различным условиям выращивания.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II и V Международных научно-практических конференциях «Химия и химическое образование» (г. Владивосток, 2000г., 12-18 сентября 2011г.); III съезде Биохимического общества (г. Санкт-Петербург, 2002г.); координационном совещании Сибири и Дальнего Востока по сое «Актуальные вопросы производства и переработки сельскохозяйственного сырья в Дальневосточном регионе» (г. Благовещенск, 2002г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве и растениеводстве» (г. Барнаул, 2003г.); Международной научной конференции «Перспективы использования геноресурсов в селекции сельскохозяйственных культур Дальнего Востока», (г. Владивосток, 2004г.); региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и рационального использования природных ресурсов в Дальневосточном регионе» (г. Благовещенск, 21-23 декабря 2004г.); V, VI, VII, VIII Международных симпозиумах «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (г. Пущино Московской обл., 2003г., 2005г., 2007г., 2009г.); III Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в химическом образовании» (г. Челябинск, 12-15 октября 2009г.); Х! Международной научно- методической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (г. Мичуринск Тамбовской обл., 21-25 июня 2010г.); Международной научной конференции «Фундаментальные исследования» (Израиль, 10-17 апреля 2010г.); III общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва, 11-13 мая 2010г.); Международной научной конференции «Мониторинг окружающей среды» (Италия (Рим-Флоренция), 12-19 сентября 2010г.); Международной научно-практической конференции «Аграрные проблемы соесеющих территорий Азиатско-Тихоокеанского региона» (г. Благовещенск, 8-9 сентября 2010г.); III Международном экологическом конгрессе ELPIT- 2011, V Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных
комплексов» (г. Тольятти, 21-25 сентября 2011г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликована 61 работа, включая 13 работ в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, 20 статей в материалах международных, всероссийских и региональных конференций, 20 статей в журналах и сборниках трудов, 5 учебных пособий.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (глава 1), описания материалов, погодных условий вегетационных периодов и методов исследования (глава 2), изложения и обсуждения собственных экспериментальных данных (главы 3-9), заключения и выводов, рекомендаций к практической селекции, списка литературы и приложений. Работа изложена на 389 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков и 42 таблицы. Список использованной литературы включает 478 источников, в том числе 292 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Ферменты как маркеры адаптации сои к условиям выращивания
-
