Содержание к диссертации
Введение
1. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА G. МАХ И G. SOJA 8
1.1. Биологические особенности G. max и G. soja 9
1.2. Особенности онтогенеза и органогенеза сои 23
1.3. Ферменты сои 28
2. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕСТА, УСЛОВИЯ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 41
2.1. Почвенно-климатаческие условия Амурской области 41
2.2. Материал исследований 47
2.3. Методы исследований 50
3. ЭШИМАТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ, ПЕРОКСИДАЗЫ И ЭСТЕРАЗНОГО КОМПЛЕКСА В СЕМЕНАХ G. МАХ И G. SOJA В ПЕРИОД ПРОРАСТАНИЯ 55
3.1. Особенности прорастания семян G. max и G. soja 55
3.2. Изменение активности каталазы, пероксидазы и
эстеразного комплекса в период прорастания G. max и G. soja 58
3.3. Множественные молекулярные формы каталазы,
пероксидазы и эстеразного комплекса в период прорастания
G. max и G. soja 63
4. ЭНЗИМАТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ, ПЕРОКСИДАЗЫ И ЭСТЕРАЗНОГО КОМПЛЕКСА В ЛИСТЬЯХ G. МАХ И G. SOJA В ТЕЧЕНИЕ ВЕГЕТАЦИОННОГО ПЕРИОДА 68
4.1. Особенности прохождения фенологических фаз роста и развития G. max и G. soja 68
4.2. Фотосинтетическая деятельность G. max и G. soja 76
4.3. Изменение активности каталазы, пероксидазы и эстеразиого комплекса в листьях G. max и G. soja в течение вегетационного периода 83
4.4. Множественные молекулярные формы каталазы, пероксидазы и эстеразиого комплекса в листьях G. max и
G. soja в течение вегетационного периода 88
5. ЭНЗИМАТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ, ПЕРОКСИДАЗЫ И ЭСТЕРАЗИОГО КОМПЛЕКСА В СЕМЕНАХ G. МАХ и G. SOJA В ПЕРИОД СОЗРЕВАНИЯ И ПОКОЯ 93
5.1. Особенности формирования, развития и созревания семян G. max и G. soja 93
5.2. Изменение активности каталазы, пероксидазы и эстеразиого комплекса в семенах G. max и G. soja в период созревания 97
5.3. Множественные молекулярные формы каталазы, пероксидазы и эстеразиого комплекса в семенах G, max и
G. soja в период созревания 101
5.4. Энзиматическая активность каталазы, пероксидазы и
эстеразиого комплекса в семенах G. max и G. soja в период
покоя 106
ВЫВОДЫ 112
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 114
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 115
ПРИЛОЖЕНИЕ 137
- Биологические особенности G. max и G. soja
- Почвенно-климатаческие условия Амурской области
- Особенности прорастания семян G. max и G. soja
- Особенности прохождения фенологических фаз роста и развития G. max и G. soja
- Особенности формирования, развития и созревания семян G. max и G. soja
Введение к работе
Соя - очень пластичное растение с огромным ареалом обитания и уникальным биохимическим составом.
Подавляющее большинство используемой для сельскохозяйственного производства территории нашей страны характеризуется неблагоприятными для растениеводства почвенно-климатическими условиями, и даже в относительно благоприятных районах на растения периодически оказывают отрицательное влияние экстремальные погодные факторы [178].
Амурская область относится к зоне так называемого рискованного земледелия, когда неблагоприятные погодные условия ставят под угрозу получение ожидаемых результатов.
Во многих случаях структурные и функциональные особенности организма как будто специально рассчитаны на то, чтобы повышать его шансы на успех в соответствующем местообитании. Такие особенности организма называют «адаптацией» или приспособлением к среде. Со времени появления эволюционной теории изучение приспособлений к среде лежит в центре важной и увлекательной области биологических исследований. Адаптация к среде обеспечена на всех уровнях биологической организации.
Поскольку метаболическая активность организмов находится в строгой зависимости от ферментов и нуклеиновых кислот, процессы адаптации должны сводиться к тому, чтобы функции макромолекул были такого типа и осуществлялись с такими скоростями, при которых жизненные процессы организма протекали бы удовлетворительно, несмотря на помехи со стороны окружающей среды. Для достижения этой общей цели служат три механизма - три основных вида стратегии биохимической адаптации: 1) могут изменяться типы макромолекул в той или иной системе организма; 2) могут изменяться количества и концентрации макромолекул; 3) может происходить адаптивная регуляция функций макромолекул [173].
Эти три типа адаптации не всегда можно четко разграничить, и во многих случаях с помощью одного из этих механизмов или какой-либо их комбинации организмы способны поддерживать постоянство своей внутренней среды, несмотря на изменения окружающих условий.
Приспособительные изменения белков могут быть как количественными, так и качественными и связаны прежде всего с ферментами. Ферменты являются важнейшими компонентами клетки, они теснейшим образом связаны с разнообразными процессами лшзнедеятельности. Совокупность биохимических реакций, катализируемых ферментами, составляет сущность обмена веществ, являющегося отличительной чертой всех живых организмов. Через ферментативный аппарат, регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций и их направленности [165].
Установлено, что многие ферменты присутствуют в клетках животных растений и микроорганизмов в виде множественных молекулярных форм (изо ферментов) и представляют собой смесь белковых молекул, обладающих близкими каталитическими свойствами, но отличающихся по некоторым физико-химическим показателям. Изоферменты создают пластичность приспособления биохимических процессов организма к непрерывно изменяющимся условиям среды.
Изоферментный состав одних и тех же растений непостоянен. В процессе их роста и развития, при прорастании семян, дифференциации тканей и созревании состав изоферментов подвергается резким качественным и количественным изменениям [117, 161].
Для оценки адаптивного потенциала растений первостепенное значение имеют исследования их защитных ферментов, обеспечивающих непосредственную нейтрализацию различных по происхождению неблагоприятных факторов среды и являющихся важнейшими инструментами сохранения гомеостаза обмена веществ.
Цель и задачи исследования. Целью исследования явилось изучение активности и электрофоретических спектров ряда ферментов, участвующих в процессах адаптации и индивидуальном развитии G. max и G. soja.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить изменение удельной активности каталазы, пероксидазы и эстеразного комплекса в семенах и листьях G. max и G. soja в онтогенезе.
2. Определить изменчивость множественных молекулярных форм каталазы, пероксидазы и эстеразного комплекса в семенах и листьях G. max и G. soja в онтогенезе.
3. Изучить особенности индивидуального развития G. max и G. soja.
4. Установить периоды наибольшей активности ферментов в онтогенезе для оценки адаптивного потенциала G. max и G. soja.
5. Оценить влияние метеорологических условий года на особенности онтогенеза G. max и G. soja, а также на активность и спектры множественных молекулярных форм ферментов.
Научная новизна. Впервые осуществлен комплексный подход к изучению каталазы, пероксидазы и эстеразного комплекса в семенах и листьях G. max и G. soja в онтогенезе. Выявлены особенности индивидуального развития G. max и G. soja, которые состоят в степени сходства, а также различия адаптивных изменений активности и электрофоретических спектров ферментов в зависимости от метеорологических условий года.
Практическая и теоретическая значимость. На биохимическом уровне подтверждена более высокая генетическая гетерогенность G. soja. Установлены периоды наибольшей активности ферментов, которые совпадают с ответственными периодами в развитии сои (прорастание семян, цветение и бобообразование, налив семян). Установлено, что сортовую специфичность семена сои приобретают в фазе твердой спелости, удельная активность ферментов стабилизируется в фазе твердовосковой спелости.
7 Определена зависимость между количеством осадков, суммой активных температур и активностью ферментов в семенах и листьях G. max и G. soja.
Полученные в работе данные могут быть использованы для разработки стратегии и тактики селекционных программ и систем адаптивного земледелия.
Апробация работы. Результаты исследования докладывались на научных конференциях Дальневосточного государственного аграрного университета (г. Благовещенск, 2004, 2005, 2006 гг.); региональном совещании «Ботанические исследования в Приамурье» (г. Благовещенск, Ботанический сад, 2004 г.); школе-семинаре молодых селекционеров им. В.А. Золотницкого (г. Благовещенск, ВНИИ сои, 2004 г.); V Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (Ростовская область, п. Персиановский, ДонГАУ, 2004 г.); научно-практической конференции Благовещенского государственного педагогического университета (г. Благовещенск, 2005 г.); координационном совещании зоны Дальнего Востока и Сибири «Итоги координации НИР по сое за 2001-2004 гг. и направления исследований на 2006-2010 гг.» (г. Благовещенск, ВНИИ сои, 2005 г.).
Биологические особенности G. max и G. soja
Соя - древнейшая культура. Родиной ее является Юго-Восточная Азия. В Китае она была введена в культуру 6-7 тыс. лет назад. Издавна ее возделывают в Японии, Индии, Индонезии, Вьетнаме, на полуострове Корея и в других районах Азии. Как сообщает В.Л. Комаров в книге «Происхождение культурных растений», она упоминается в сочинении Шеен-Нуна, написанном за 2800 лет до нашей эры [81, 175]. Из Китая соя проникла на Дальний Восток за 3 тыс. лет до н.э., где местное население высевало ее по берегам Амура, Уссури. Первые сведения о сое европейцы получили из опубликованных в Голландии записок русского путешественника Василия Пояркова. В.Д. Поярков в 1643-1646 гг. впервые встретил посевы сои по среднему течению Амура, а через два столетия - в 1854-1856 гг. - русский академик К.Й. Максимович дал её подробное описание [175].
В XVIII в. соя была завезена в Европу, а в начале XIX в. впервые ее стали высевать в Северной Америке. В европейской части России сою начали культивировать в конце XIX в., однако отсутствие сортов, приспособленных к климатическим условиям, сдерживало ее распространение [17].
Соя - пластичная культура с огромным ареалом распространения, простирающимся от зоны вечной мерзлоты (на 54-56" северной широты на Дальнем Востоке нашей страны, в Швеции и Канаде) до тропических широт (в Африке, Индонезии). В Южном полушарии сою выращивают на больших площадях в странах Латинской Америки и в Австралии, где зона её возделывания достигает 48-50 южной широты [114]. Ведущая страна по производству сои - США. Объем производства в 1998 г. составил 75034 тыс. тонн. По объемам производства сои лидерами, кроме США, также являются Бразилия (31272 тыс. тонн), Аргентина (17200 тыс, тонн), Китай (13758 тыс тонн) и Индия (6100 тыс. тонн) [120]. В Европе производство сои составляет около 1,5% мирового объема производимых семян. На долю России приходится лишь около 0,2 % [114]. Главным производителем сои в нашей стране является Дальневосточный регион (Амурская область, Приморский и Хабаровский края, Еврейская АО). Второе место по производству сои занимает Северо-Кавказский регион (Краснодарский и Ставропольский края, Ростовская область), незначительные площади находятся в Западно-Сибирском регионе (Алтайский край, Новосибирская область), в Центрально-Черноземном (Белгородская, Воронежская, Курская области), в Поволжском (Волгоградская, Саратовская области) и Уральском регионе (Челябинская область, Республика Башкортостан) [114].
Почвенно-климатаческие условия Амурской области
Амурская область расположена на юго-западе Дальнего Востока и граничит на западе с Читинской областью, на севере - с Саха-Якутией, на востоке - с Хабаровским краем и на юге - с Китаем.
Общая площадь территории Амурской области составляет 36] ,9 тыс. км . Рельеф представляет сочетание более или менее обширных равнин и горных хребтов различной высоты [2]. Горы занимают 57,5 %, равнины - 42,5 % территории. По характеру поверхности горная территория разделяется на 3 геоморфологических района: северо-западный, центральный и восточный. Выделяют 3 крупные равнины; Зейско-Бурейскую, Амурско-3 ейскую и Верхнезейскую [58].
Климат Амурской области носит муссонный характер. Он создается под влиянием азиатского континента и Тихого океана, имеющих различную температуру поверхностей в летнее и зимнее время [2].
Влияние материка проявляется главным образом зимой, когда сухой и сильно охлаждённый на континенте воздух проникает на территорию области в виде сильного муссона. Поэтому в Амурской области наблюдаются холодные и малоснежные зимы.
Весна и осень являются переходными периодами. Амурская область характеризуется неустойчивым гидротермическим режимом муссогшого характера. Это проявляется коротким безморозным периодом, поздним возвратом холодов в весенний период, неравномерным распределением тепла и влаги [1].
Весна в Приамурье сухая, холодная, с сильными ветрами в апреле-мае. Среднемесячные положительные температуры воздуха в южной части наступают в первой декаде, в центральной и северной - во второй декаде апреля. Прогревание почвы на глубине 10 см до + 5С наступает в южных районах в начале второй декады, в центральных и северных - в середине-конце второй декады апреля. Количество осадков в марте-мае составляет 56-70 мм, или 11-18 % среднегодового. Весной влажность почвы в Приамурье определяется в основном летне-осенними запасами, обычно они в слое 0-20 см составляют 60-70 мм продуктивной влаги. Отношение осадков к испарению в этот период 0,5-0,6.
Лето в Приамурье повсеместно влажное и теплое. С июля по сентябрь выпадает 286-350 мм осадков (66-76 % годового количества), что вызывает периодическое переувлажнение почвы. Среднемесячная температура июля в основных сельскохозяйственных районах 20-21 С.
Осень сухая, теплая. Среднесуточные положительные температуры воздуха в южных и центральных районах области удерживаются до конца третьей декады октября, в северной - до конца второй декады. Осадков выпадает 75-90 мм, или 16-19 % годовой нормы.
Безморозный период в южной зоне составляет около 130 дней, в центральной зоне 111 - 113 дней, в северной зоне - 92 - 100 дней [133]. Высокое напряжение тепла, обилие света и достаточное количество осадков в течение наиболее теплых месяцев благоприятствуют выращиванию сои. Особенности агроклиматических условий и опыт возделывания сои указывают, что в основных сельскохозяйственных районах Амурской области можно возделывать сорта сои преимущественно с коротким периодом вегетации.
Основными типами почв в Амурской области являются бурые лесные, бурые лесные глеевые, лугово-черноземовидные, луговые, лугово-болотные, лугово-бурые, болотные, пойменные [37].
Особенности прорастания семян G. max и G. soja
Прорастание определяется как «появление и формирование из зародыша семени таких существенно важных структур, которые могут свидетельствовать о возможности развития в соответствующих условиях нормального растения» [146].
Прорастание начинается с набухания семян и завершается раскрытием примордиальньтх листьев. Набухание семян осуществляется вследствие проникновения воды через рубчик семени (рисунок 1А). Семена G. soja набухают медленнее, поэтому применяли скарификацию семян. Выход зародышевого корешка сопровождается разрывом кожуры семени около рубчика (рисунок 1Б). Зародышевый корешок очень быстро растет и проникает в почву. При удлинении зародышевого корешка на нем образуются боковые корни и корневые волоски, составляющие основную часть поглощающей поверхности корневой системы (рисунок 1В). Скорость роста корневой системы - сортовой признак. Она выше у ранних сортов и ниже у поздних [148].
После появления корешка стебелек начинает удлиняться. Он образует подсемядольное колено, которое пробивается через почву (рисунок 1Г). Семядольные листья появляются на поверхности почвы плотно сомкнутыми и изогнутыми вниз. Верхние клетки стебелька прекращают рост, а нижние продолжают расти до тех пор, пока проросток не выпрямится. В результате семядоли занимают прямое положение, В это время на верхушке стебелька уже видны сложенные примордиальные листья. У дикорастущей сои семядоли дольше задерживаются на растениях, они отмирают на 5-6 дней позже, чем у культурной сои.
Особенности прохождения фенологических фаз роста и развития G. max и G. soja
Онтогенез сои складывается из двух основных периодов: вегетативного и генеративного.
На протяжении всего вегетационного периода нами проводились фенологические наблюдения для установления продолжительности фаз развития растений, необходимые в изучении сортовых особенностей и выявлении отношения сортов и форм к агроклиматическим условиям в разные периоды.
Первые листья начинают распускаться к тому времени, когда эпикотиль достигает поверхности почвы. Сначала появляются одиночные (примордиальные) листья (рисунок 8А). Все последующие листья -тройчатые (рисунок 8Б, В).
Первый тройчатый лист раскрывается через 7-8 дней после всходов, а последующие - через каждые 3-6 дней. Семядоли остаются на растении до развития 3-4 листьев, а потом они засыхают и отпадают. Примордиальные листья сохраняются более длительное время, а потом также отмирают. Наши наблюдения показали, что у дикорастущей сои примордиальные листья отмирают на 6-7 дней позже, чем у культурных сортов.
Интенсивное ветвление начинается с развитием 3 - 4-го тройчатых листьев. Ветвление у раннеспелых форм в благоприятных условиях начинается на 5-7 день, у позднеспелых - на 15 - 25 день после всходов. На одном растении у культурных сортов сои образуется от 3 до 4 ветвей. Дикие формы сои значительно превосходят культурные по этому признаку, отдельные растения образовывали до 15 ветвей. В работах А.Я. Ала [6, 7, 10] описываются формы дикой сои, образующие более 20 ветвей первого порядка.
class5 ЭНЗИМАТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ, ПЕРОКСИДАЗЫ И ЭСТЕРАЗИОГО КОМПЛЕКСА В СЕМЕНАХ G. МАХ и G. SOJA В ПЕРИОД class5 СОЗРЕВАНИЯ И ПОКОЯ link5 Особенности формирования, развития и созревания семян G. max и G. soja link5
Формирование, развитие и созревание семян занимает первостепенное значение в жизненном цикле растений. И.И. Чалый выделил четыре периода в онтогенезе семян сои: образование семени, формирование и рост, налив, созревание. Эти периоды включают шесть фаз - эмбриональную, мягковосковую, роста, налива, тверд оно сковую и твердую [174].
После оплодотворения завязь развивается в плод, стенки завязи - в перикарпий плода (створки боба), а семяпочка в результате сложных преобразований - в семя. Эмбриональная фаза наступает через 10-17 дней после оплодотворения. У G. soja эмбриональная фаза наступает на 5-7 дней позже, чем у G. max. Семена имеют вид тонких (0,5 мм) пластинок длиною 2-2,5 мм с едва наметившимся зародышевым корешком. Семена зеленые, мягкие, при надавливании размазываются. Влажность семян - 80-82% (рисунок 21А).
Период формирования и роста семян включает мягковосковую фазу и фазу роста, продолжительность 14-15 дней. В этот период размер плодов и семян достигает максимальной величины. Семядоли и зародышевый корешок полностью сформированы. У семян наступает фаза физиологической зрелости. При разлущивании бобов эндокарпий отделяется от плодовой оболочки вместе с семенами и носит рыхлый, войлочный характер. Семена у сорта Соната и сорта Гармония зеленого цвета, у дикорастущей сои - зелено-бурые, мягкой консистенции (режутся ногтем). Влажность в начале периода - 78-82%, к концу - 60-66% (рисунок 21Б, В).
Период налива включает и фазу роста. Фаза налива наступает через 40-46 дней от начала плодообразования. Наши исследования показали, что фаза налива семян у дикорастущей сои короче, чем у культурной сои на 8-10 дней. В этот период завершается процесс прироста сухого вещества семян. В начале периода бобы зелено-желтые, в конце - желто-бурые. Семена у G. шах желто-зеленые, у G. soja бурого цвета, с блестящей поверхностью. Семенная оболочка легко отделяется от семядолей. Влажность семян снижается до 36-40% (рисунок 21Г).
Период созревания включает твердовосковую и твердую фазы. Продолжительность его от 15 до 20 и более дней, в зависимости от сорта и метеорологических условий. Твердовосковая фаза самая короткая у дикорастущей сои, а самая продолжительная у сорта Гармония. Бобы приобретают присущую сорту окраску, они эластичные, при надавливании створки их легко раскрываются. Эндокардий, плотно сросшийся с плодовой оболочкой, гладкий, блестящий с внутренней стороны, придает створкам боба жесткость. Семена теряют связь с материнским растением и приобретают твердовосковую и твердую консистенцию, с плотно сросшейся семенной оболочкой. Влажность снижается до 12 - 13% и ниже (рисунок 21Д, Е).
На продолжительность формирования, роста и созревания семян влияют как сортовые особенности, так и метеорологические условия года. В наибольшей степени семена сои подвержены стрессу со стороны нерегулируемых факторов внешней среды в период налива.
Наиболее продолжительный период созревания семян отмечен в 2003 году, когда при низких среднесуточных температурах осадков выпало почти в 2,5 раза больше, чем в 2005 году. Самый короткий период созревания семян сои за годы исследования наблюдался в 2005 году, когда средняя температура была в 1,2 раза выше, а количество осадков в 1,3 раза меньше ере дне многолетнего.
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет утверждать, что незначительное количество осадков и повышение температуры ускоряют созревание семян G. шах и G. soja.
