CC BY
63
155М 0202-5493. МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 2 (151-152), 2012
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В РАСТЕНИЯХ СОИ И ПШЕНИЦЫ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО РЕГИОНА
Я.О. Тимофеева,
кандидат биологических наук
В.И. Голов,
доктор биологических наук
Био лого-почвенный институт Дальневосточного
отделения Российской академии наук
Россия, 690022, Приморский край, г. Владивосток,
пр-т 100 лет Владивостока, 159
тел: (4232)2310410, факс: (423)2310193,
timofeeva@biosoil.ru
Ключевые слова: микроэлементы, соя, биологический круговорот
УДК 631.95:633.853.52+576.356.5(571.6)
Введение. Соя и пшеница относятся к важнейшим возделываемым зерновым культурам Дальневосточного региона. Занимая основную часть посевных площадей, эти растения являются первичным пищевым источником различных соединений и микроэлементов для человека. Микроэлементы, несмотря на низкие концентрации, принимают активное участие во всех жизненно важных биохимических процессах. Несбалансированное содержание микроэлементов ведет к возникновению эндемичных заболеваний. Последствия нарушения микроэлемент-ного состава четко просматриваются по всем этапам трофических связей от растений и животных до человека. Так, при недостатке микроэлементов у человека
могут возникнуть любые заболевания от обычного насморка до онкологии.
Содержание микроэлементов в растениях зависит от физиологических потребностей и экологических условий произрастания. В естественных, природных биоценозах микроэлементный состав растений определяется не только уровнем концентрации, но, и соотношением каждого отдельного микроэлемента с другими составляющими и подтверждает идею о химическом составе растений как о систематическом признаке [8]. Микроэле-ментная специализация растений в условиях агрофитоценозов в значительной степени корректируется использованием различных видов удобрений [2; 4]. Удобрения являются дополнительным источником микроэлементов для растений и оказывают мобилизующее и инактивирующее действия на микроэлементы, содержащиеся в почве. При повышенном содержании некоторые микроэлементы оказывают токсичное воздействие на растительные организмы, что приводит к сокращению продуктивности экосистем и существенно ухудшает качество урожая сельскохозяйственных культур.
Цель работы - изучение содержания микроэлементов в растениях сои и пшеницы в зависимости от генетических особенностей и экологической обстановки.
Материалы и методы. Определение уровня концентрации микроэлементов проводилось на растительном материале сои и пшеницы двух длительных полевых опытов, заложенных на разных типах почв и с разным насыщением севооборотов удобрениями: 1) соя (сорт Гармония 106), выращена на лугово-черноземовидных почвах стационара ВНИИ сои г. Благовещенска, дозы удобрений за одну ротацию: навоз 24 т/га + д.н./га;
2) соя (сорт Приморская 69) и пшеница (сорт Приморская 40), выращены на лугово-бурых почвах агрохимического стационара Приморского НИИСХ г. Уссурийска, дозы удобрений за одну ротацию: навоз 40 т/га + известь 5,2 т/га +
№150Р200К150 д.н./га. Постановка эксперимента в полевых условиях проводилась на делянках площадью 25 м2, в 3-кратной повторности с использованием зональной системы агротехнического возделывания. Учет урожая поделяночный сплошной. Определение микроэлементного состава (Сг, Mn, Co, N1, Cu, Zn, Cd, РЬ) выполнено на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-800 ("SШMADZU", Япония).
Результаты и обсуждение. В растительных тканях пшеницы и сои, несмотря на совершенно разную физиологию и условия произрастания, концентрация Mn, Zn, Cr и Си выше содержания остальных исследованных элементов (табл. 1). Zn, Mn, Си относят к «элементам жизни», их физиологическая роль связана прежде всего с участием в ключевых метаболических процессах (дыхание, фотосинтез, углеводный и белковый обмен и т. п.).
Таблица 1
Содержание микроэлементов в растениях (мг/кг сухой массы)
Роль & в жизни растений полностью не раскрыта, имеются лишь некоторые сведения о связи его с белковыми молекулами и о весьма изменчивых уровнях концентрации, что определяется характером растительной ткани и стадией роста [6; 7].
Отличительной особенностью микро-элементного состава сои является величина содержания №, которая оказалась в
3-4 раза выше, чем в пшенице, а также концентрация Zn, Си, превышающая содержание во второй исследуемой культуре в 1,5-2 раза.
В свою очередь растения пшеницы содержат больше ^, что связано со специфической ролью отдельных элементов в жизни бобовых и злаковых культур. № в растениях образует комплексы с органическими соединениями, имеющими молекулярную массу от 1 до 5 кД и общий отрицательный заряд [1]. Установлена исключительная роль никеля (№) в составе фермента уреазы, где элемент необходим для стабилизации структуры фермента и проявления каталитической активности [13; 15]. Это указывает на возможность потребления № клубеньковыми бактериями, следовательно, и на увеличение содержания в биомассе бобовых культур. Медь (Си) активизирует процессы связывания атмосферного азота, участвует в восстановлении №03, способствует синтезу и обмену белковых веществ [1]. Соя по отношению к Zn относится к средне чувствительным культурам, его значение для роста растений тесно связано с участием в разнообразных метаболических процессах в составе Zn-содержащих ферментов и белков. Белки, называемые «цинковые пальцы», необходимы растениям для защиты от стрессовых воздействий [12]. Несколько необычным оказалось поведение ^, физиологическая роль которого, как известно, проявляется в усилении азотфиксации, повышении содержания хлорофилла в листьях и витамина В12 в клубеньках. Необходимость ^ для бобовых давно установлена и отражена в ряде работ [10; 11; 14]. В исследуемых растениях содержание элемента в биомассе сои в 1,5-2 раза меньше по отношению к его концентрации в биомассе пшеницы. Изучение распределения ^ по различным органам сои выявило резкое снижение содержания в надземной части растений (0,3 мг/кг) до минимальных значений в ассимилятивных органах (0,05 мг/кг). При
Пшеница Соя (Приморский край) Соя (Амурская область)
Эле- мент без удоб- рений №РК + навоз + из- весть без удобре- ний №РК + навоз + известь без удобре- ний №К + навоз
Мп 103,4 107,2 89,3 98,9 106,1 105,2
±3,1 ±4,0 ±2,4 ±2,7 ±2,8 ±4,1
2п 47,6 48,1 66,6 64,4 79,5 67,7
±0,9 ±0,6 ±1,1 ±1,6 ±3,0 ±2,2
N1 4,8 4,9 18,4 18,9 17,4 14,7
±0,1 ±0,3 ±1,0 ±0,8 ±0,8 ±0,7
Со 1,9 2,0 1,3 1,6 0,8 0,9
±0,4 ±0,3 ±0,3 ±0,3 ±0,1 ±0,1
РЬ 2,2 4,5 3,3 3,9 2,6 5,7
±0,4 ±0,7 ±0,5 ±0,4 ±0,3 ±0,3
Сг 26,6 27,7 32,9 41,0 40,2 35,4
±1,2 ±0,9 ±1,4 ±1,7 ±1,2 ±1,2
этом изначальная концентрация Со в корнях сои оказалась выше содержания в корневой зоне пшеницы на 25-30 %. Ключевая роль Со в метаболизме таких растений, как пшеница связана со стимулированием репродукции листьев и концентрированием хлоропластов и пигментов в них [1]. Картина распределения Со по разным частям пшеницы иная, при пониженном (по отношению к сое) содержании элемента в корнях уровень концентрации в стеблях снижается не более чем на 40 %, в зерне снова увеличивается и приближается к содержанию в подземной части. Можно сделать предположение об исключительной роли Со в жизнедеятельности злаковых культур или о большей толерантности сои к данному элементу. Для РЬ отмечено 1,5-2-кратное увеличение содержания в биомассе сои. В отношении РЬ не существует каких-либо сведений, раскрывающих его биологическую роль, однако имеются сообщения о стимулирующем действии низких концентраций некоторых солей РЬ на рост растений [5; 9]. Сравнивая содержание РЬ в растениях, выращенных на двух разных типах почв, подтверждается тенденция накопления РЬ культурой сои. Подобное явление, вероятнее всего, связано с генетическими особенностями растений сои или их повышенной чувствительностью к содержанию рассматриваемого элемента в питательной среде.
В большинстве случаев в растениях, выращенных на удобряемых делянках, отмечается увеличение содержания микроэлементов во фракциях зерна, бобов и стеблей, что указывает на рост пропускной способности растительных тканей. В биомассе всех растений, выращенных на удобряемых делянках, увеличивается концентрация РЬ и Сё, в растениях сои к этим элементам добавляется Си (табл. 2).
Это может быть связано не только с увеличением содержания подвижных форм элементов в почве, но и с влиянием удобрений на создание наиболее благоприятных условий, способствующих активному поглощению данных элементов
растениями. На преимущественное поступление элементов с удобрениями указывает увеличение содержания в корнях на 13-35 %. Обращает внимание факт небольшого увеличения, в отдельных случаях даже снижения содержания рассматриваемых элементов в генеративных органах, в основе которого лежит генетически обусловленное стремление организма сохранить в репродуктивных органах нормальные качественно-количественные пропорции элементов [6]. Исключение составляет соя Амурской области, где содержание РЬ и Сё в бобах увеличивается в 2 и более раз.
Таблица 2
Поступление РЬ, Си и Сй в различные органы растений при внесении удобрений (% к контролю)
Анализируемый объект Пшеница Соя (Приморский край) Соя (Амурская область)
Си РЬ са Си РЬ са Си РЬ са
Корни - 16 13 16 15 26 18 30 35
Стебли - 70 50 9 17 23 8 28 60
Листья 36 17
Полова, створки бобов 91 14 11 50 15 90 80
Зерно, бобы - - 14 3 10 18 - 50 60
Вариабельность микроэлементного состава сои и пшеницы и различия почвенно-экологических условий произрастания показывают, что растения, выращенные на лугово-бурой почве, более устойчивы к избыточному поступлению микроэлементов. Начальным этапом формирования своеобразного защитного механизма и мощным биологическим барьером для микроэлементов являются корни. Важе-ниным (1984) было предложено использовать коэффициент аккумуляции (Ка) (соотношение между содержанием микроэлементов в корнях и зерне) в качестве показателя уровня загрязненности почвы элементами и степени проявления защитных свойств растениями. Ка может быть принят как биоиндикатор ранней фазы загрязненности системы почва-растение. В растениях сои и пшеницы Ка максимальный у Сг (рисунок). Величина этого показателя также зависит от специфики
самих растений: например, у бобовых Ка Мп (3,4-4,2) и Со (5,2-7,7) больше, чем у злаковых (КаМп 2,6-2,9; КаСо 1,0-1,3 ), которые в свою очередь отличаются большим Ка N1 (6,9-11,0) и Си (1,5-1,7). Данные, приведенные на рисунке 1 , показывают, что в результате многолетнего внесения удобрений у растений сои Амурской области происходит уменьшение Ка всех исследуемых микроэлементов.
Ка
Ка
Ка
□ без удобрений ЕЖРК+навоз (Прим.кр)+ известь (Амур.обл.)
Рисунок — Изменение величины коэффициента аккумуляции различных культур при внесении удобрений.
казателя для РЬ, Сг, Си, Сё, у пшеницы также происходит нарастание Ка для РЬ, Сг, Сё. Таким образом, в вариантах с внесением удобрений растения, выращенные в Амурской области полностью, а произрастающие в Приморском крае частично снижают мобилизацию защитных возможностей.
Представленный материал подтверждает существование биологических особенностей различных сельскохозяйственных культур в накоплении и распределении микроэлементов как в условиях их контрольного содержания, так и при интенсивном использовании минеральных и органических удобрений. Используя мик-роэлементный состав растительных организмов, можно более достоверно судить об их балансе в системе почва-растение и особенностях поглощения из почвы, что, в конечном счете, позволит определить ряд факторов, влияющих на их недостаток или избыток.
Выводы. 1. Микроэлементный состав двух сельскохозяйственных культур отличается разнообразием, обусловленным биологическими особенностями растений.
2. Длительное применение удобрений ведет к повышению содержания в растениях таких токсичных элементов, как РЬ, Сё, Си и снижает защитные возможности растений.
3. Элементы, поступающие при использовании удобрений, неравномерно распределяются по органам растений. В пшенице полова является зоной наибольшей аккумуляции РЬ, в стеблях накапливаются РЬ и Сё. В корнях растений сои увеличивается концентрация Си. В бобах и створках бобов сои Амурской области повышается содержание РЬ и Сё. В сое Приморского края максимальное содержание Сё отмечено в створках бобов, РЬ - в стеблях.
Список литературы
Соя Приморского края вместе со сни- 1 Битюцкт, НП. Микроэлементы
жением Ка большей части элементов высших растений / НП. Битюцкий. -
обнаруживает небольшое увеличение по- СПб: Изд-в° С.-Петерб. ун-та, 2°П. - 368 с.
155М 0202-5493. МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 2 (151-152), 2012
2. Голов, В.И. Круговорот серы и микроэлементов в основных агроэкосистемах Дальнего Востока / В.И. Голов. - Владивосток: Дальнаука, 2004. - 316 с.
3. Важенин, И.Г. Корни растений как биоиндикатор уровня загрязненности почвы токсическими элементами / И.Г. Важенин // Агрохимия. - 1984. - № 2. -С. 73-77.
4. Ильин, В.Б. Оценка защитных возможностей системы почва-растение при модельном загрязнении почвы свинцом (по результатам вегетационных опытов) /
B.Б. Ильин // Агрохимия. - 2004. - № 4. -
C. 52-57.
5. Ильин, В.Б. Влияние тяжелых металлов на рост и урожайность сельскохозяйственных культур / В.Б. Ильин, Г.А. Гармаш, Н.Ю. Гармаш // Агрохимия. -1985. - № 6. - С. 90-99.
6. Ильин, В.Б. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области / В.Б. Ильин, А.И. Сысо. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. - 229 с.
7. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. -439 с.
8. Протасова, Н.А. Тяжелые металлы в черноземах и культурных растениях Воронежской области / Н.А. Протасова // Агрохимия. - 2005. - № 2. - С. 80-86.
9. Скрипченко, И.И. Оценка токсического действия тяжелых металлов на растения овса / И.И. Скрипченко, Б.Н. Золотарева // Агрохимия. - 1981. - № 1. -
С.103-109.
10. Школьник, М.Я. Микроэлементы в жизни растений / М.Я. Школьник. - Л.: Наука, 1974. - 324 с.
11. Ягодин, Б.А. Кобальт в жизни растений / Б.А. Ягодин. - М.: Наука, 1980. -167 с.
12. Agarwal, P. Genome-wide identification of C(2)H(2) zink-finger gene family in rice and their phylogeny and expression analysis / P. Agarwal, R. Arrora, S. Ray, A.K. Singh, V.P. Singh, H. Takatsuji, S. Kapoor, A.K. Tyagi // Plant Mol. Biol. - 2007.
- V. 65. - P. 467-485.
13. Gerendas, J. Co does not replace Ni with respect to urease activity in zucchini (Cucurbitapepo convar. giromontiina) and soybean (Glycine max) / J. Gerendas, J.C. Pollaco, S.K. Freyermuth, B. Sattelmacher // Plant Soil. - 1998. - V. 203. - P. 127-135.
14. Klirwer, B. Identification of cobamide coenzyme in nodules of synbionts and isolation of B12 coenzyme from Rhizobium meli-toti / B. Klirwer, H.J. Evans // Plant Physiol.
- 1963. - V. 38. - P. 55-59.
15. Pollaco, J.C. Soybean genes involved in nickel insertion into urease / J.C. Pollaco,
S. Freyermuth, J. Gerendas, S. Cianzio // J. Exp. Bot. - 1999. - V. 50. - P. 1149-1156.
