CC BY
14
УДК 633.11.324:581.036.5
ОЦЕНКА МОРОЗОСТОЙКОСТИ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ
В. Г. Кривобочек, доктор с.-х. наук
ГНУ Пензенский НИИСХ
А. И. Иванов, доктор биол. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8(8412) 62-96-04, e-mail: rcgekim@mail. т
А. П. Стаценко, доктор с.-х. наук, профессор; А. А. Городничев, аспирант
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», т. 8(8412) 69-94-40
Изучена изменчивость гидролитической активности фермента в-фруктофуранози-дазы различных по морозостойкости сортов озимой пшеницы. Выявлена сопряженность между морозостойкостью и активностью фермента. Оценено влияние предшественника в севообороте на изменчивость в-фруктофуранозидазы и морозостойкость озимой пшеницы.
Ключевые слова: морозостойкость, температурный стресс, исходный материал, гидролитические ферменты, р-фруктофуранозидаза.
В современной научной литературе накоплены многочисленные сведения о роли биохимических факторов в формировании морозостойкости озимых культур [1-11]. Особый интерес в связи с реакцией озимых
растений на низкие зимние температуры вызывает изменчивость гидролитического фермента р-фруктофуранозидазы. Этот энзим относится к классу гидролаз, которые способны ускорять как расщепление, так и
синтез различных органических соединений, в том числе углеводов. В озимых растениях, испытывающих в период зимовки глубокий температурный стресс, изучаемый фермент расщепляет сахарозу до глюкозы и фруктозы. В результате этого названные углеводы в период ухода растений в зиму накапливаются в вегетативных органах озимых растений и защищают их от вымерзания.
Исследователями выявлена тесная связь между морозостойкостью озимой пшеницы, водным режимом и активностью р-фрук-тофуранозидазы [1, 12]. Причем активизация фермента у морозостойких форм пшеницы в процессе закаливания связана, по мнению авторов, с более интенсивным обезвоживанием клеток. Повышение морозостойкости в данном случае обусловлено потерей растениями влаги.
Современные исследования также показывают, что обменные процессы у озимых культур различных сортов в условиях низкотемпературного стресса генетически детерминированы и в связи с этим специфичны. Это характерно как для ферментных систем в целом [13], так и для энзима углеводного обмена р-фруктофуранозида-зы в частности [14].
Опираясь на эти сведения, мы предприняли попытку изучить перспективы использования показателя гидролитической активности этого фермента в оценке морозостойкости различных сортов озимой пшеницы, а также выявить влияние предшествующей культуры в севообороте на изменчивость р-фруктофуранозидазы вегетативных органов и устойчивость растений к вымерзанию.
Исследования проводились на полях ТОО «Елань» Балашовского района Сара-
товской области в 2006-2008 годах. Почвы опытного участка представлены черноземом обыкновенным глинистого гранулометрического состава. Индекс регулируемого плодородия 67 баллов.
Годовое количество осадков в районе составляет 463 мм, коэффициент увлажнения 0,68, высота снежного покрова 25 см. Устойчивый снежный покров устанавливается в первой декаде декабря. Продолжительность периода со снежным покровом составляет 110-120 дней. Начало снеготаяния - в последней декаде марта, а продолжительность его 16-18 дней.
Самым холодным месяцем является январь со среднесуточной температурой воздуха -14,8 оС. Основной период вегетации с температурой выше 10оС - 152 дня.
Объектом исследования служили листья озимой пшеницы различных по морозостойкости сортов: Кинельская 5, Мироновская 808, Смуглянка и Оренбургская 105.
Растения для анализа отбирали осенью, в фазе кущения, при среднесуточной температуре воздуха 10..12 оС; в первую фазу закаливания (0...-2оС); в критический по температурным условиям период зимовки, при среднесуточной температуре -18...-20оС, и весной, в период возобновления весенней вегетации.
Гидролитическую активность фермента р-фруктофуранозидазы определяли по методике Х. Н. Починка [15] в лаборатории экологии Пензенского государственного университета.
Наши исследования показали, что в ходе вегетации и перезимовки озимых в динамике гидролитической активности фермента исследуемых сортов проявились существенные различия.
Таблица 1
Сортовые особенности гидролитической активности /3-фруктофуранозидазы
и перезимовка озимой пшеницы
Сорт пшеницы Гидролитическая активность фермента, мг/г/час Перезимовка,
октябрь ноябрь январь март %
Влагообеспеченный год (2007-2008)
Мироновская 808 6,3 9 13,3 5,9 91,1
Смуглянка 6,7 7,2 12 6,3 87,4
Оренбургская 105 6,9 7,4 12,4 6,8 84,9
Кинельская 5 7,2 8 10,8 7,8 72,6
НСР05 2,3
Засушливый год (2006-2007)
Мироновская 808 5,7 8,4 12,7 5,3 76,3
Смуглянка 6 6,5 11,3 5,9 71,6
Оренбургская 105 6,3 6,7 11,8 6,3 74,1
Кинельская 5 6,5 7,3 10,1 7,1 62,9
НСР05 2,7
Примечание. Погрешность в опыте по оценке гидролитической активности фермента в таб-
лицах 1 и 2 не превышает 5 %.
Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 21
На ранних стадиях развития растений в условиях благоприятной осенней гидротермической обеспеченности (во влаго-обеспеченные годы) относительно высокая активность энзима наблюдалась в листьях растений сорта Кинельская 5, в то время как у сортов Смуглянка, Оренбургская 105 и Мироновская 808 эти показатели были значительно ниже (табл. 1).
Закаливание растений, заканчивающееся поздней осенью, выявило сорта, отличающиеся существенной ферментативной изменчивостью. Это, в первую очередь, Мироновская 808, у которой активность фермента на фоне других изучаемых сортов была максимальной. Существенной активизацией фермента в этот период отличались также сорта Смуглянка и Оренбургская 105, но по степени адаптации к понижающейся температуре они уступали первому. Слабые адаптивные возможности в период ухода в зиму и перехода к отрицательным температурам проявились у сорта пшеницы Кинельская 5.
Наиболее существенный контраст между изучаемыми сортами по степени их ферментативной адаптации проявился с наступлением критических зимних температур, когда отмечается гибель растений от вымерзания. Абсолютный максимум активности p-фруктофуранозидазы был зарегистрирован в критический период зимовки (при абсолютном минимуме -26...-28оС) в листьях пшеницы Мироновская 808. Очевидно, ферментная система растений названного сорта отличается более высоким уровнем структурной организации, а посевы - более высокой морозостойкостью. В то же время незначительно уступали по этому показателю сорта Смуглянка и Оренбургская 105. Сорт пшеницы Кинельская 5 в этих условиях проявил низкую сте-
пень изменчивости фермента.
В засушливые годы несмотря на то, что сезонная динамика активности р-фрукто-фуранозидазы подчиняется аналогичным закономерностям, абсолютные значения изучаемого показателя в критические периоды зимовки были на 8...12 % ниже.
Объективность оценки морозостойкости при использовании в качестве оценочного показателя гидролитической активности p-фруктофуранозидазы подтверждается результатами перезимовки пшеницы, приведенными в таблице 1.
Нами также исследовалось влияние предшественника в севообороте на изменчивость p-фруктофуранозидазы и морозостойкость озимой пшеницы Мироновская 808. Результаты осенних исследований показывают, что предшественник озимой пшеницы, размещенный в севообороте, в силу неравноценного обеспечения растений влагой и элементами минерального питания оказывает существенное влияние на изучаемый показатель. В частности, во влагообеспеченные годы озимая пшеница, выращиваемая по предшественникам, создающим дефицит почвенной влаги (пласт многолетних трав, бессменный посев пшеницы), в осенний период отличалась повышенной гидролитической активностью фермента, что, по мнению некоторых исследователей [1], связано с обезвоживанием клеток (табл. 2). В то же время в растениях пшеницы, возделываемой по чистому пару, активность р -фруктофуранозидазы в листьях была существенно ниже.
Осеннее закаливание и изменение водного режима в посевах озимых существенно повлияли на гидролитическую активность фермента. Более активная адаптивная реакция на понижение температуры и переход ее к отрицательным значениям
Таблица 2
Влияние предшественника на активность /3-фруктофуранозидазы и перезимовку озимой пшеницы Мироновская 808
Предшественник Активность фермента, мг/г/час Перезимовка, %
октябрь ноябрь январь март
Влагообеспеченный год (2007)
Чистый пар 8,7 11,3 14,2 8,5 84,9
Озимая пшеница по пару 9,6 10,2 12,1 9,7 71,3
Пласт многолетних трав 8,8 10,4 11,5 9,4 69,1
Бессменный посев 9,8 10,1 10,8 10,1 64,2
НСР 05 2,1
Засушливый год (2006)
Чистый пар 7,9 9,6 11,9 7,5 75,1
Озимая пшеница по пару 8,6 9,0 10,4 8,1 69,4
Пласт многолетних трав 8,8 9,3 10,1 7,8 66,9
Бессменный посев 9,2 8,9 9,4 8,6 64,4
НСР 05 2,4
проявилась в растениях, размещаемых в севообороте по паровому предшественнику, тогда как в пшенице, выращиваемой второй культурой после пара, по пласту многолетних трав и в бессменном посеве эти показатели повысились незначительно, что свидетельствует о различном уровне подготовленности растений к зиме.
В неблагоприятный по температурным условиям период, когда среднесуточная температура воздуха снизилась до -16.18 оС, а минимальная опускалась до -26..-28 оС, фермент ещё более активизировался: его гидролитическая активность за весь период наблюдений достигала во всех вариантах опыта пиковых значений. Причём максимальная активность отмечена в листьях пшеницы, возделываемой по паровому предшественнику. Посевы, размещаемые по непаровым предшественникам, проявили в этот период слабую адаптивную реакцию на низкотемпературное воздействие. Самая слабая ответная реакция фермента на изменчивость температуры зафиксирована в растениях озимой пшеницы бессменного посева. Весеннее возобновление вегетации привело к всеобщему понижению гидролитической активности фермента в листьях растений, размещаемых в севообороте по паровому предшественнику, на 40 %, а по непаровому - на 10.20 %.
Аналогичная закономерность сезонной активности фермента прослеживалась в засушливые годы, когда абсолютные значения этого показателя в критические периоды зимовки были ниже на 15.20 %, что свидетельствует о слабом адаптивном потенциале растений, оказавшихся в состоянии низкотемпературного шока.
Эта закономерность подтверждается результатами перезимовки растений, которая составляет во влагообеспеченные годы 64,2.84,9 %, а в засушливые 64,4. 75,1 %.
В сезонной динамике гидролитической активности р-фруктофуранозидазы выявлено два пика. Первый максимум активности во всех вариантах опыта отмечен во время закаливания растений, при переходе среднесуточной температуры к отрицательным значениям, а второй - в период максимального криостресса.
Следовательно, показатель изменчивости гидролитической активности фермента р-фруктофуранозидазы в процессе закаливания озимых целесообразно использовать в качестве объективного показателя при оценке морозостойкости селекционного материала или новых сортов
пшеницы, а также для определения степени влияния элементов технологии возделывания на формирование устойчивости растений к низким зимним температурам.
Литература
1. Колоша, О. И. Водный режим, активность ферментов и морозостойкость озимой пшеницы / О. И. Колоша, И. И. Костян-ко // Доклады ВАСХНИЛ. - 1973. - № 3. -С.11-14.
2. Колоша, О. И. Метод определения активности фермента р-фруктофуранози-дазы / О. И. Колоша. - Киев: Институт физиологии растений УССР, 1976. - 27 с.
3. Колупаев, Ю. Е. О возможных механизмах изменений активности ферментов при холодовом закаливании / Ю. Е. Колу-паев, Л. А. Сысоев, Г. А. Манойло // Физиология и биохимия культурных растений. -1983. - Т. 21, № 6. - С. 560-566.
4. Стаценко, А. П. Изменчивость фермента - надёжный показатель состояния зимующих растений / А. П. Стаценко, А. И. Золотухин // Зерновые культуры. - 1994. -№ 3. - С. 12-13.
5. Сысоев, Л. А. Динамика активности р-фруктофуранозидазы при криоадаптации сортов озимой пшеницы / Л. А. Сысоев, Ю. Е. Колупаев // Рукопись деп. ВНИИЭИ СССР 31.12. 1986. - № 474 ВС - 86 Деп.
6. Бритиков, Е. А. Биологическая роль пролина в растениях / Е. А. Бритиков. - М.: Наука, 1975. - 88 с.
7. Иванов, А. И. Использование изменчивости азотного обмена хвойных растений в биоиндикации / А. И. Иванов, А. П. Стаценко // Теоретическая и прикладная экология. - 2010. - № 1. - С. 42-45.
8. Кузнецов, В. В. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм и регуляция / В. В. Кузнецов, Н. И. Шевякова // Физиология растений. - 1999. - Т. 46, вып. 2. - С. 305-320.
9. Стаценко, А. П. Изменчивость азотного обмена хвои как биоиндикатор загрязнения / А. П. Стаценко, М. М. Носачев, Л. И. Тужилова // Экология и устойчивое развитие регионов России. - Пенза, 2007. -С. 223-226.
10. Стаценко, А. П. О криозащитной роли свободных аминокислот в растениях / А. П. Стаценко // Физиология и биохимия культурных растений. - 1992. - № 6. -С. 16-19.
11. Стаценко, А. П. Влияние сроков посева на азотный обмен озимой пшеницы / А. П. Стаценко // Зерновые культуры. -1998. - № 4. - С. 34-36.
Нива Поволжья № 4 (21) ноябрь 2011 23
12. Колоша, О. И. Криофитофизиологи-ческие механизмы адаптации и устойчивости / О. И. Колоша // Физиология и биохимия культурных растений. - 1986. - Т. 18, № 6. - С. 555-567.
13. Савич, И. М. Пероксидазы - стрессовые белки растений / И. М. Савич // Успехи современной биологии. - 1989. -Т. 107, вып. 3. - С. 406-417.
14. Петров, О. В. Множественность форм ферментов и её модификация у озимой пшеницы / О. В. Петров, О. И. Колоша // Физиология и биохимия культурных растений. - 1985. - Т. 17, № . 4. - С. 361-366.
15. Починок, Х. Н. Методы биохимического анализа растений / Х. Н. Починок. -Киев: Наукова думка, 1976. - 334 с.
