CC BY
55
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ДЫХАНИЯ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АЗОКСИСТРОБИНА И РЕГУЛЯТОРА РОСТА Байбакова Е.В.1, Нефедьева Е.Э.2 Email: Baybakova636@scientifictext.ru
'Байбакова Екатерина Владимировна — аспирант; 2Нефедьева Елена Эдуардовна - доктор биологических наук, профессор, кафедра промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности, Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград
Аннотация: в данной работе приведены исследования изменения интенсивности дыхания предварительно обработанных семян и проростков пшеницы с целью разработки новых более совершенных препаратов для защиты растений. Обоснована актуальность и приведено текущее состояние проблемы. Описан эксперимент, целью которого являлось определение влияния фунгицидов и их сочетаний с регуляторами роста на физиологические свойства пшеницы. В основе опыта лежит анализ двух показателей: изменение сухой массы проростков пшеницы и интенсивности дыхания по выделению углекислого газа. В результате проведенной работы установлено, что азоксистробин снижает интенсивность дыхания растения, а исследуемые регуляторы роста в сочетании с азоксистробином способны регулировать интенсивность дыхания и делать расход питательных веществ растений более равномерным, что также подтверждается данными по изменению сухой массы.
Ключевые слова: азоксистробин, интенсивность дыхания, пшеница, сухая масса, фунгицид, регуляторы роста, прорастание.
CHANGES IN THE INTENSITY OF WHEAT RESPIRATION UNDER THE ACTION OF AZOXYSTROBIN AND GROWTH REGULATOR Baybakova E.V.1, Nefedieva E.E.2
'Baybakova Ekaterina Vladimirovna — PhD Student; 2Nefedieva Elena Eduardovna - Doctor of Biological Sciences, Professor, DEPARTMENT INDUSTRIAL ECOLOGY AND LIFE SAFETY, VOLGOGRAD STATE TECHNICAL UNIVERSITY, VOLGOGRAD
Abstract: this paper presents the analysis of respiration rate changes of the treated seeds and wheat germ for the development of new and better fungicides to protect plants. The urgency and the current state of the problem are substantiated. An experiment was described whose purpose was to determine the effect of fungicides and their combinations with growth regulators on the wheat physiological properties. The experience is based on the analysis of two indicators: the change in dry mass of wheat and the intensity of respiration from the release of carbon dioxide. In the result, found that azoxystrobin reduces the intensity of plants respirations and the analyzed growth regulators in combination with azoxystrobin able to regulate respiratory rate and do consumption of plant nutrients more uniform, which is also confirmed by change of dry mass.
Keywords: azoxystrobin, respiration rate, wheat, dry weight, fungicide, growth regulators, germination.
УДК 632.934
Введение
На сегодняшний день сложно представить современное сельское хозяйство без применения различных фунгицидов, инсектицидов и других пестицидов. Все это позволяет получать более высокий урожай. С каждым годом разрабатываются новые средства защиты растений, поскольку постоянно требуется совершенствование механизмов действия, снижение дозировок препаратов для уменьшения негативного действия на окружающую среду и фитотоксичности. Одним из продуктивных направлений в области разработки новых препаратов для защиты зерновых является сочетание фунгицидов с регуляторами роста растений.
В нашем исследовании изучено сочетание такого фунгицида как азоксистробин и регулятора роста - 4-хлорфеноксиуксусной кислоты (далее - ХФУ). Азоксистробин представляет собой системный фунгицид из класса стробилуринов. Он препятствует клеточному дыханию грибов, что мешает получать клеткам энергию. А именно, азоксистробин ингибирует митохондриальное дыхание, блокируя транспорт электронов в цепи цитохромов Ь и с [10].
Аналогично действуют и другие, так называемые дыхательные яды. Кроме того, при этом в клетках могут образовываться активные формы кислорода, еще больше угнетающие энергетические процессы и способные разрушать клетки. В большинстве случаев такое влияние достаточно быстро убивает клетки или серьезно препятствует их нормальной жизнедеятельности. Например, иногда азоксистробин не убивает фитопатогенные грибы, поразившие растение, а препятствует спорообразованию и не позволяет им заражать другие растения [11].
Однако, в некоторых случаях, фунгициды угнетают не только фитопатогенные грибы, но и могут негативно влиять на рост, развитие и метаболизм защищаемых растений. Один из вариантов решения этой проблемы - использование регуляторов роста. В опыте в качестве такого вещества использовали ХФУ. Данное соединение входит в химический класс арилоксиалканкарбоновых кислот. Производные арилоксиалканкарбоновых кислот, в том числе и препараты ХФУ, обладают ауксиноподобной активностью, так как имеют много общего с природными ауксинами. Синтетические ауксины, в отличие от природных, не поддаются эндогенному регулированию и не теряют активности при избыточном поступлении в растения [10]. Хлорфеноксиуксусная кислота используется в качестве регулятора роста растений, в частности, для получения партенокарпических плодов томатов [5].
Исследовано влияние азоксистробина и ХФУ на интенсивность дыхания и сухую массу проростков пшеницы после предпосевной обработки семян.
Дыхание растений является одним из главных процессов обмена веществ. Как и фотосинтез, это сложный окислительно-восстановительный процесс, который проходит ряд этапов и является источником многих метаболитов [3]. При прорастании интенсивность дыхания растений резко увеличивается [9].
Аэробное дыхание в семенах сопровождается расходом запасных веществ зерновки и снижением массы сухого вещества. В результате при гипоксии семян или ингибировании аэробной фазы дыхания гликолиз, как правило, завершается спиртовым брожением -образованием этилового спирта, который в начале процесса, при небольших концентрациях, угнетает жизненные функции клеток, а затем, при дальнейшем повышении его концентрации, убивает их, делая семена невсхожими [4].
Существует три абиотических фактора, определяющих интенсивность дыхания семян: влага, тепло и приток кислорода воздуха. Прорастание начинается с поглощения семенем воды и набухания [8]. При повышении влажности выше «критической» (60%) [6] появляется свободная вода, резко увеличивая скорость дыхания и другие биохимические процессы.
Существующие методы изучения интенсивности дыхания делятся на следующие четыре группы:
- учет поглощения кислорода (мл О2 час-1 г-1);
- учет выделенной углекислоты (мл или мг СО2 час-1 ■ г-1);
- определение расхода сухой массы (% от исходной массы за время в сутках);
- учет выделения энергии (кДж моль - 1).
Наиболее распространенными методами являются первых два [7].
Рост проростков пшеницы в течение первых 4-8 суток происходит в темноте. Проростки осуществляют гетеротрофное питание в отсутствие фотосинтеза. Поэтому в таких условиях рост и накопление сухой массы в вегетативных частях проростка связано с перераспределением и утилизацией запасных веществ эндосперма. Изменение сухой массы вегетативных частей и зерновки является интегральным процессом, характеризующим гидролиз запасных веществ эндосперма, транспорт питательных веществ в зародыш, метаболизм и рост.
Целью работы было исследование возможности применения ХФУ в качестве антидота от фунгицида азоксистробина для проростков пшеницы на примере определения интенсивности дыхания и изменения сухой массы проростка.
Материалы и методы
Для исследования изменения интенсивности дыхания семян и проростков пшеницы определяли расход сухой массы в процентах от исходной за время в сутках и проводили учет выделенной углекислоты в мг СО2 час-1 г-1 с помощью газоанализатора Бином-2В. Предварительно, отбирали фракцию чистых выполненных семян и проводили их обработку. Варианты представлены в таблице 1.
№ Вариант Состав
1 Контроль -
2 А 1,25 Азоксистробин 1,25 мг/10 г семян
4 А 1,25 + ХФУ Азоксистробин, 4-хлорфеноксиуксусная кислота
Каждый из трех вариантов выполняли в двух повторностях. Навески зерновок по 10 г обрабатывали азоксистробином и его смесью с ХФУ, кроме контрольного варианта. Подготовленные зерновки помещали в чашки Петри на увлажненную фильтровальную бумагу (по 7 чашек на каждый вариант). Проращивали в темноте при температуре 24 оС. Затем набухшие зерновки взвешивали через 24 ч для проверки начала их прорастания и набора достаточного уровня влаги (в среднем до 50-60% к массе). После этого удаляли влагу с поверхности зерновок фильтровальной бумагой и помещали в герметичный контейнер объемом 450 мл при 1 23-25° С с газоанализатором Бином-2В. Измерения проводили в темноте в течении 70 минут, фиксируя результаты каждые 10 минут, не открывая контейнер. За начальное значение принимали концентрацию углекислого газа через 10 мин, за конечное - через 70 минут в связи с адаптацией прорастающих семян и проростков. Интенсивность дыхания проростков анализировали в течении 7 дней.
Затем определяли сухую массу проростков согласно ГОСТ 12038-84 [1]. После высушивания материал взвесили на весах 4 класса точности.
Опыт проводили в 2 биологических повторностях. Данные подвергали статистической обработке. Рассчитывали среднюю арифметическую (М), среднее квадратическое отклонение (5), ошибку репрезентативности средней арифметической (т), критерий Стьюдента Оценку достоверности разницы проводили с помощью сравнения полученного значения со стандартным ^ Приведены данные в виде М ± т.
Результаты и их обсуждение
Исходя из определенной в опыте концентрации С02 при данной температуре и давлении рассчитывали его массу в миллиграммах, и с учетом измерений сухой массы находили интенсивность дыхания в мг С02 • г-1 сухой массы (Таблица 2 и Рисунок 1). Данные по измерению сухой массы для удобства сравнения переводили в проценты, принимая начальное значение (1 сут.) за 100%.
Согласно рисунку 1 А, контрольные семена начинают интенсивнее терять массу после 3 суток, что объясняется прорастанием и расходом питательных веществ. В вариантах с обработанными семенами в возрасте 3 суток интенсивность дыхания (оцененная по выделению углекислого газа) снизилась. Сухая масса, по сравнению с контролем, расходуется быстрее и интенсивнее.
• нэшрояь — — А 1.25
контроль--А 1,25
-А 1,25 + ХФУ
.......1ч Ч ОчТ \
\ к ч N
л
* .....X/
X* / / "I
/ •' / / / / ✓ /
/" / У
Рис. 1. Изменение массы (А) и интенсивности дыхания (Б) пшеницы под действием азоксистробина и ХФУ
На рисунке 1 Б интенсивность дыхания в контрольном опыте увеличивается до 5 суток. После плато на 6 сутки разница между вариантами постепенно сглаживается. Проростки под действием азоксистробина имеют меньшую интенсивность дыхания по сравнению с контролем. Она равномерно возрастает, начиная с 5 суток. В варианте с азоксистробином и ХФУ колебания
значительно меньше по сравнению с контролем. Интенсивность дыхания возрастает до 5 суток, затем темпы немного снижаются. В целом, в последнем варианте (азоксистробин + ХФУ) наблюдается самая низкая интенсивность дыхания, причем интенсивность дыхания в варианте только с азоксистробином выше, чем с ХФУ.
В таком случае можно предположить ингибирование аэробной фазы дыхания. Запасные питательные вещества расходуются быстро из-за низкого выхода АТФ при гликолизе, а декарбоксилирование, происходящее в аэробной фазе дыхания, заторможено в связи с тем, что азоксистробин ингибирует последние стадии аэробного дыхания - электронтранспортную цепь. ХФУ в данном случае не является антидотом, а усиливает нежелательный эффект. Под влиянием ауксинов активируются дыхательные ферменты, в частности, аскорбатоксидаза, что приводит к увеличению интенсивности дыхания [2]. Если азоксистробин блокирует дыхательную цепь, то антитоксический эффект ауксиноподобных веществ не сможет проявиться. Кроме того, ауксины активируют ряд энергозависимых переносчиков, что приводит к дополнительному расходованию запасных веществ. Ауксиноподобные вещества активируют гидролитические ферменты, что приводит к превращению запасных питательных веществ в водорастворимые и легко транспортируемые вещества. Результатом является увеличение количества дыхательного субстрата, что также усиливает дыхание зародыша и рост [2]. Нарушенный метаболизм в данном случае не восстанавливается. Выводы
Таким образом, дыхание семян сопровождается уменьшением массы вследствие расходования запасных веществ. Особенно оно возрастает в первые дни при прорастании семян.
В результате проведенной работы установлено, что азоксистробин способен влиять на интенсивность дыхания пшеницы, угнетая рост растений в первые дни прорастания. Внесение ХФУ способствует ускорению прорастания семян, но интенсивность дыхания при этом ниже, чем в контрольном варианте. Для уточнения результата требуется проведение более длительного эксперимента, чтобы увидеть дальнейшую динамику.
Список литературы / References
1. ГОСТ: Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. ГОСТ 12038-84.
2. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. В 2 т. Т. 1: учебник для академического бакалавриата. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Издательство Юрайт, 2016. 437 с. Серия: Бакалавр. Академический курс.
3. Кретович В.Л. Биохимия растений (изд. 2-е изд., перераб. и доп.). Москва: Высшая школа, 1986.
4. Кретович В.Л. Техническая биохимия. Москва: Высшая школа, 1973.
5. МельниковН.Н. Пестициды. Химия, технология и применение. М. Химия, 1987. 712 с.
6. Обручева Н.В. Уровень оводненности как пусковой фактор мобилизации крахмала и белка при прорастании семян гороха / Н.В. Обручева, Л.С. Ковадло, А.А. Прокофьев // Физиология растений, 1988. Т. 35. Вып. 2. С.322-328.
7. Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. Москва: Агропромиздат, 1987. 256 с.
8. Северин Е.С. (Ред.). Биохимия: Учеб. для вузов. ГЭОТАР-МЕД, 2003. 779 с.
9. Шутов И.В., Бельков В.П. и др. Применение гербицидов и арборицидов в лесовыращивании. Справочник / М.: Агропромиздат, 1989. 223 с.
10. An-Hui Gao. Y.-Y. F.-Z.-W.-X.-J.-G.-8.-Y. Azoxystrobin, a mitochondrial complex III Qo site inhibitor, exerts beneficial metabolic effects in vivo and in vitro. Biochimica et Biophysica Acta (1840), 2014. 2212-2221.
11. Anke T.O.F. 30 October, 1977. The strobilurins-new antifungal antibiotics from the basidiomycete Strobilurus tenacellus. The journal of antibiotics, 860.
