CC BY
164
Окончание табл. 8
1 2 3 4 5 6
Средние за 5 лет
Требуется 2984,9 437,5 629,2 296,0 39,1
Имеется 2928,0 400,9 598,8 254,4 17,0
% 98,1 91,6 95,2 85,9 43,5
2006 г.
Требуется 2713,0 387,3 66938,5 22043,1 36,8
Имеется 2561,6 333,6 53513,0 17985,5 26,0
% 94,4 86,1 79,9 81,6 70,8
Источник: данные ГВЦ Минсельхоза России.
УДК 631.46:631.112; 633.521 (571.16) Ю.В. Чудинова
КОРНЕВЫЕ ВЫДЕЛЕНИЯ ЛЬНА: ВЛИЯНИЕ НА ПРОДУКЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС И СОСТАВ МИКРООРГАНИЗМОВ РИЗОСФЕРЫ
Изучены корневые экссудаты сорта льна томской селекции и гибрида, полученного от разнокачественных родительских образцов. Оценено влияние их на продукционный процесс и состав микроорганизмов ризосферы. Выявлена специфичность корневых экзометаболитов у разнопродуктивных сортообразцов льна.
Все растения выделяют в почву органические соединения, имеющие в биохимическом взаимодействии растений большее значение, чем минеральные вещества [1]. Состав органических веществ, выделяемых корнями растений, разнообразен: сахара, органические кислоты и аминокислоты, другие соединения [2]. Известно, что многие аминокислоты являются стимуляторами жизнедеятельности микроорганизмов, а также могут влиять на рост и развитие растений [3].
Состав и количество корневых экссудатов зависят от вида и стадии развития растения [4]. Кроме того, пространственно-временные факторы, включающие в себя тип почвы, уровень питательных веществ, pH, доступ влаги, температуру, концентрацию кислорода и диоксида углерода в атмосфере, интенсивность освещения, также оказывают значительное влияние на количество и состав корневых выделений [5].
Корневые экссудаты, выделяемые растениями, обеспечивают микробные популяции ризосферы источниками углерода, энергии, кислорода, микроэлементами и ферментами [6-8]. Корневые выделения сахаров, спиртов и кислот могут достигать 10-20% от общей продукции фотосинтеза растения в год [9] и тем самым обеспечивать значительные количества углерода и энергии для поддержания численности микроорганизмов в ризосфере (108-109 микробных клеток на грамм почвы) [10]. Благодаря корневым экссудатам численность микробных популяций и их активность в 5-100 и более раз выше в ризосфере по сравнению с почвой без растений [11-13]. Обнаружено, что распад органических кислот и многих других соединений всегда в 2-3 раза выше в ризосфере, чем в почве и без корней [14]. Такое индуцированное растениями увеличение численности микроорганизмов и их активности - «ризосферный эффект» [11], а ризосфера при этом - часть почвы, наиболее близко прилегающая к корням растений и поэтому находящаяся под прямым влияние корневой системы [15]. Прикорневая микрофлора оказывает большое влияние на рост и развитие растений продуктами своего метаболизма, растения также сами могут изменять микрофлору почвы [16].
Уровень интенсификации земледелия в Сибири характеризуется низким применением удобрений, поэтому влиянию предшественников на плодородие почвы должно придаваться большое значение [17]. Наблюдаемое при монокультуре «почвенное утомление» вызывается различными причинами: токсическими веществами, выделяемыми корнями растений как в процессе вегетации, так и при разложении попадающих в почву растительных остатков, в результате развития сопутствующей данному виду патогенной микрофло-
ры, одностороннее истощение почвы элементами минерального питания растений, ухудшение физикохимических веществ почвы [1].
В Томской области лен в севообороте является традиционной сельскохозяйственной культурой и размещается так, чтобы посев его на одном и том же поле повторялся через пять-шесть лет [18]. При частом возвращении льна на одно и то же поле происходит «утомление» почвы и резко снижается урожай [18, 19]. В почве прикорневой зоны повторных посевов льна идет снижение микробиологических процессов, что ослабляет фунгистатическое действие почвы, способствует накоплению инфекций и, как следствие, увеличению поражения растений льна болезнями, росту токсичности почвы.
Работы по изучению влияния корневых экзометаболитов на продукционный процесс проводились фрагментарно, без выяснения корреляционных связей с широким кругом соединений, входящих в состав компонентов корневых экссудатов различных растений. Однако известен ряд работ в этом направлении, в частности, на культуре томата [20].
В связи с этим, целью работы явилось изучение корневых выделений льна, оценка влияния их на продукционный процесс и состав микроорганизмов ризосферы.
Для определения состава корневых выделений проводили исследования в лабораторных условиях. Использовали семена льна сорта томской селекции Т-10 (Т), а также гибридную форму льна, полученную от скрещивания томского сорта, крупносемянного Марокканского и тонковолокнистого Оршанского О х (К х Т) (Гб). Семена получены ранее на экспериментальном участке Томской государственной сельскохозяйственной станции.
При качественном определении сахаров методом тонкослойной хроматографии использовали стандартную методику [21].
Качественное определение органических кислот и аминокислот проводили, используя метод бумажной хроматографии [21, 22].
Все эксперименты проводили в трех повторностях.
Для определения сахаров в контрольный образец вносили смесь сахаров: лактоза, мальтоза, сахароза, галактоза, глюкоза, фруктоза, ксилоза, рамноза, сорбоза. При идентификации сахаров, относящихся к группам альдоз и кетоз [23], использовали проявители разного состава с модификациями (4% р-ры анилина и дефинилаланина в этиловом спирте с концентрированной серной кислотой 5:5:1 - для альдоз; мочевина (5 г в 100 мл 96% спирта с добавлением 20 мл 2 Н соляной кислоты) - для кетоз).
Известно, что лактоза, мальтоза и сахароза - олигосахара. Лактоза и мальтоза проявились на хроматограмме, обрабатываемой проявителем для альдоз. Это объясняется тем, что указанные сахара имеют в своей структуре альдозную группу. Сахароза проявилась на хроматограмме для кетоз. Результаты показали наличие сортоспецифичности по содержанию сахаров в корневых выделениях льна (табл. 1).
Таблица 1
Содержание сахаров в корневых выделениях льна
Сахар Rf Наличие сахара в корневых выделениях
Простые сахара Олигосахара Т Гб
Альдозы Кетозы
Лактоза 0,08 - -
Мальтоза 0,11 - +
Сорбоза 0,12 - +
Сахароза 0,14 + -
Г алактоза 0,16 - -
Глюкоза 0,18 - +
Фруктоза 0,23 + +
Ксилоза 0,25 + -
Рамноза - - -
Отмечено, что единственным сахаром, обнаруженным как у сорта, так и гибрида, является фруктоза. Из простых сахаров не обнаружены галактоза и рамноза, относящиеся к альдозам, а из олигосахаров - лактоза. Специфичными для сорта льна томской селекции оказались два сахара: из простых сахаров - ксилоза, относящаяся к группе альдоз, а также сахароза из олигосахаров. Г ибридоспецифичность проявили три саха-
ра: из простых сахаров глюкоза (альдозы), сорбоза (кетозы), а также мальтоза - из олигосахаров. Известно, что галактоза в свободном состоянии в растениях не встречается [21]. В корневых выделениях льна нами этот сахар также не обнаружен.
Для идентификации органических кислот готовили смесь кислот: щавелевой, винной, лимонной, янтарной. Результаты исследований показали специфичность органических кислот в корневых выделениях льна, что может предположительно свидетельствовать о видовой специфичности. Это следует из того, что как у сорта, так и у гибрида на хроматограмме выявлены щавелевая и винная кислоты. Лимонная и янтарная кислоты не обнаружены (табл. 2).
Таблица 2
Содержание органических кислот в корневых выделениях льна
Органическая кислота Rf Наличие органической кислоты в корневых выделениях
Т Гб
Щавелевая 0,09 + +
Винная 0,41 + +
Лимонная 0,54 - -
Янтарная 0,89 - -
Для определения аминокислот в контрольный образец вносили смесь, состоящую из кислот: аланин, аминоуксусная кислота, аспарагин, аспарагиновая кислота, аргинин, валин, гистидин, глутамин, лейцин, лизин, метионин, норвалин, норлейцин, орнитин, серин, треонин, триптофан, цистеин, фенилаланин. В результате исследований на хроматограмме выявлено 13 аминокислот из 19 у сорта и 14 из 19 - у гибрида. Можно предположить также наличие сортоспецифичности льна по их содержанию. Отмечено, что как у сорта, так и гибрида не проявились четыре кислоты: цистеин, аспарагин, норвалин и орнитин. Специфичными только для сорта является аминокислота треонин, для гибрида кислоты - гистидин и метионин (табл. 3).
Таблица 3
Содержание аминокислот в корневых выделениях льна
Аминокислота Наличие аминокислоты в корневых выделениях
Т Гб
Цистеин - -
Лизин + +
Г истидин - +
Аргинин + +
Аспарагин - -
Аспарагиновая кислота + +
Серин + +
Глутамин + +
Треонин + -
Аланин + +
Триптофан + +
Метионин - +
Валин + +
Фенилаланин + +
Лейцин + +
Норлейцин + +
Норвалин - -
Аминоуксусная кислота + +
Орнитин - -
Нами показано ранее, что исследуемая гибридная форма Гб льна имеет высокие, устойчивые показатели урожайности при выращивании в разных микроклиматических условиях, а также превосходит родительские сорта по ряду биологических показателей, и будет использована в селекционных программах [24].
Специфичность показана также в настоящей работе при исследовании экзометаболитов, отмечено их количественное увеличение у высокопродуктивного гибрида по сравнению с сортом (сахара, аминокислоты).
В целом, можно заключить, что поскольку одним из показателей сорта сельскохозяйственной культуры является его устойчивость к экстремальным условиям [25], проблема повышения эффективности микробно-растительного взаимодействия и, соответственно, изучение экзометаболитов в этой связи является приоритетным направлением почвенной и сельскохозяйственной микробиологии [26, 27]. Кроме того, целый ряд генетических проблем, таких, как дифференциальная активность генов, их регуляция, структура и функции, соотношение матричных процессов и вторичного метаболизма, а также ряд других вопросов, которые лежат в основе современных представлений о функционировании генетического материала, наиболее удобно изучать на примере взаимодействия микроорганизмов и растений [28]. Особую ценность приобретает в теоретическом аспекте эта проблема при изучении этих взаимодействий на гибридном материале. Нами показана ранее также специфичность при изучении ризосферы разнопродуктивных сортообразцов льна. Выявлены аэробные и анаэробные фиксаторы азота, олигонитрофилы, аэробные разрушители клетчатки, аммонификаторы, использующие доступные минеральные формы азота [29].
Таким образом, в настоящем исследовании изучены корневые экссудаты сорта льна томской селекции и гибрида, полученного от разнокачественных родительских образцов. Выявлена специфичность корневых экзометаболитов у разнопродуктивных сортообразцов льна: изучено содержание сахаров, органических кислот и аминокислот. Оценено их количественное увеличение у гибрида, что, предположительно, может оказывать влияние на продукционный процесс и состав микроорганизмов ризосферы.
Литература
1. Иванов, В.П. Растительные выделения и их значение в жизни фитоценозов / В.П. Иванов. - М., 1973. -293 с.
2. Rovira, A.D. Root excretions in relation to the rhizosphere effect. Influence of plant species, age of plant, light, temperature, and calcium nutrition on exudation / A.D. Rovira // Plant and Soil. - 1959. - V. 11. - № 1. - P. 5364.
3. Методы изучения почвенных микроорганизмов и их метаболитов / под ред. Н.А. Красильникова. - М.: Изд-во МГУ, 1966. - 215 с.
4. Hegde, R.S. Influence of plant growth stage and season on the release of root phenolics by mulberry as related to development of phytoremediation technology / R.S. Hegde, J.S. Fletcher// Chemosphere. - 1996. - V. 32. -№ 12. - P. 2471-2479.
5. Siciliano, S.D. Mechanisms of phytoremediation: Biochemical and ecological interactions between plants and bacteria / S.D. Siciliano, J.J. Germida // Environ. Rev. - 1998. - V. 6. - № 1. - P. 65-79.
6. Campbell, R.E. Plant microbiology / R.E. Campbell. - London: Baltimore (MD.), Arnold, 1985. - 91 p.
7. Cunningham. S.D. Phytoremediation of soils contaminated with organic pollutants / S.D. Cunningham [and alt] // Adv. Agron. (Year-Book). - 1996. - V. 56. - P. 55-90.
8. Vance, D.B. Phytoremediation: Enhancing natural attenuation processes / D.B. Vance// Nat. Environ. J. - 1996.
- V. 6. - № 1. - P. 30-31.
9. Schnoor. J.L. Phytoremediation of organic and nutrient contaminants / J.L. Schnoor [and alt] // Environ. Sci. Technol. - 1995. - V. 29. - № 7. - P. 318-323.
10. Erickson. L.E. Bioenergetics and bioremediation of contaminated soil / L.E. Erickson, L.C. Davis, N. Muralidha-ran // Thermochim. acta. - 1995. - V. 250. - № 2. - P. 353-358.
11. Atlas. R.M. Microbial ecology: Fundamentals and applications / R.M. Atlas, R. Bartha. - California: Benjamin. Cummings, 1997. - 533 p.
12. Guenter, T. Effects of ryegrass on biodegradation of hydrocarbons in soil / T. Guenter, U. Dornberger, W. Fritsche // Chemosphere. - 1996. - V. 33. - № 2. - P. 203-215.
13. Paul, E.A Occurences and distribution of soil organics / E.A. Paul, F.E. Clark // Soil microbiology and biochemistry. - San Diego: Acad. press, 1989. - P. 81-84.
14. Jones, D. Organic acids in the rhizosphere - a critical review / D. Jones // Plant and Soil. - 1998. - V. 205. -№ 1. - P. 24-44.
15. Hiltner, L. Ueber neue Erfahrungen und Probleme auf dem Gebiet der Bodenbakteriologie und unter besonderes Beruуcksichtigung der Grunungen und Drauche / L. Hiltner // Arb. Deutsch. Landwirtsch. Ges. - Berlin, 1904. - № 98. - S. 59-78.
16. Архипова, Т.Н. Исследование цитокининов, продуцируемых ризосферными микроорганизмами: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Т.Н. Архипова. - Уфа, 1999. - 21 с.
17. Агроэкологические основы землепользования в Томской области / под ред. В.А. Хмелева [и др.]. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 255 с.
18. Крепкое, А.П. Лен-долгунец в Сибири / А.П. Крепкое. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - 168 с.
19. Крепкое, А.П. Селекция льна-долгунца в Сибири / А.П. Крепкое. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2000. -186 с.
20. Корневые выделения томатов и их влияние на рост и антифунгальную активность штаммов Pseudomonas / Л.В. Кравченко [и др.] // Микробиология. - 2003. - Т. 72. - № 1. - С. 48-53.
21. Методы биохимического исследования растений / под ред. А.И. Ермакова. - Л.: Колос, 1972. - 456 с.
22. Трофимова, О.С. Количественное определение аминокислот методом бумажной хроматографии: метод. руководство / О.С. Трофимова. - Новосибирск, 1971. - 48 с.
23. Краткий справочник по физиологии растений / под ред. А.М. Гродзинского. - Киев: Наукова думка, 1973.
- 591 с.
24. Стегний, В.Н. Эколого-морфологический анализ признаков продуктивности гибридов F1 и F2 от скрещивания разнокачественных сортов льна / В.Н. Стегний, Ю.В. Чудинова, Н.Н. Абакумова // Сиб. экол. журн. - 2004. - № 2. - С. 173-177.
25. Кулагин, Ю.З. О структуре адаптивного потенциала вида / Ю.З. Кулагин // Журн. общей биол. - 1984. -Т. 45. - № 5. - С. 596-601.
26. Петров, В.Б. Микробиологические препараты в биологизации земледелия России / В.Б. Петров,
В.К. Чеботарь, А.Е. Казаков// Достижения науки и техники АПК. - 2002. - № 10. - С. 18-23.
27. Higa, J.E. Effective microorganism / J.E. Higa. - Japan: Atami, 1994. - P. 16.
28. Генетика развития растений / Л.А. Лутова [и др.]; под ред. И. Инге-Вечтомова. - СПб.: Наука, 2000. -
539 с.
29. Чудинова, Ю.В. Биологические основы селекции льна / Ю.В. Чудинова // Вестн. Том. гос. ун-та. - 2006. -№ 20. - С. 8-10.
----------♦--------------
УДК 633.11(571.5) А.В. Полномочное
БИОЛОГИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО СЕМЯН ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ В ПРЕДБАЙКАЛЬЕ
Статья содержит морфологические и биохимические различия биологического статуса семян яровой пшеницы при их формировании в различных природных условиях Предбайкалья.
Урожайность яровой пшеницы во многом зависит от генетического потенциала сорта и биологического статуса семян. При этом крайне важно, чтобы биологические особенности сорта соответствовали конкретным природно-климатическим условиям, так как они оказывают существенное влияние на формирование семян и, в частности, на развитие зародыша.
В Предбайкалье формирование семян яровой пшеницы происходит при неблагоприятной для них низкой температуре, что существенно снижает их биологический статус, в том числе и урожайную продуктивность растений. Негативное действие низкой температуры на формирование семян яровой пшеницы в природных условиях Предбайкалья (+17°С и ниже) формирует биологически неполноценное семя, в котором происходят следующие физиологические процессы:
- в зародыше закладывается 3-4, редко до 5 корешков (рис., б) при норме 6-9 корешков (рис., а), а весной в поле прорастают 2-4 корня при норме 4-6;
- в зародыше угнетается корневая часть. Это приводит к диспропорции между стеблевой и корневой частями зародыша, что ослабляет развитие проростка в будущем. Растение становится низкопродуктивным;
- при ослабленном росте проростка развитие вторичных корней замедлено, их формируется меньше. Ослабление роста растения приводит к уменьшению размеров колоса с небольшим количеством зерен в нем;
- в эдосперме происходит нарушение пропорции накопления запасных питательных веществ (белка, углеводов и жиров). В большем количестве накапливается крахмал, белка образуется меньше;
