CC BY
117
УДК 581.1.03 УДК 581.14
Н. С. Зеленьчукова, А. Е. Иваницкий, С. А. Агаева, В. Н. Тишкина
СИНТЕЗ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ, АКТИВНОСТЬ КАТАЛАЗЫ В ЛИСТЬЯХ И ПРОДУКТИВНОСТЬ І-АСТиСА БАША ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ПОД ПОЛИМЕРНЫМИ ПЛЕНКАМИ
Изучена продуктивность Ьаеґиеа зайуа Ь. сорта Лолла Росса при выращивании в защищенном грунте под флуоресцентной полиэтиленовой пленкой и полиэтилентерефталатными (лавсан) пленками. Изменение условий выращивания растений при помощи модифицированных полимерных пленок способствует ускоренному росту, развитию и увеличению продуктивности Ь. зайуа относительно растений, выращенных под немодифи-цированной полиэтиленовой пленкой. Повышение продуктивности Ь. зайуа сопряжено с увеличением количества аскорбиновой кислоты (АК) и изменением активности каталазы в листьях растений.
Ключевые слова: немодифицированная полиэтиленовая пленка, флуоресцентная пленка, лавсан, Ьаеґиеа заґіуа Ь., продуктивность, аскорбиновая кислота, каталаза.
ВВЕДЕНИЕ
Поскольку оптимальные интенсивность света и спектральный состав необходимы для благоприятного роста и развития растений, то большое внимание в области сельского хозяйства отводится разработке прозрачных укрывных материалов с улучшенными оптическими свойствами, с помощью которых изменяются неблагоприятные для растений условия внешней среды [1, 2]. В практике сельского хозяйства широкое применение нашли флуоресцентные пленки, люминесцирующие в видимой области спектра за счет поглощения УФ радиации введенными в их состав люминофорами [3-7].
Использование таких пленок позволяет увеличивать урожайность выращиваемых культур на 10-50 % в зависимости от видовой и сортовой принадлежности, сокращать сроки роста и созревания на 2-3 недели по сравнению с пленками других классов [8, 9]. Ускорение процессов жизнедеятельности растений и повышение урожайности при применении флуоресцентных пленок обусловлены изменением гормонального баланса растений [10, 11]. Не менее важную роль в морфогенезе растений играет аскорбиновая кислота (АК), которая принимает участие в важнейших энергетических процессах растительной клетки и участвует в передаче сигнала. Кроме того, синтез АК в растениях отражает их способность реагировать на воздействия окружающей среды, в том числе на изменение световых условий [12, 13].
Некоторые фотофизические
Цель данной работы - установить влияние изменения светового режима выращивания ЬаеШеа sativa Ь. на продуктивность, синтез аскорбиновой кислоты (АК) и активность каталазы в листьях растений при выращивании под флуоресцентной полиэтиленовой и полиэтилентерефталатной (лавсан) пленками.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ Испытания проводились на агробиологической станции Томского государственного педагогического университета путем определения морфометрических и биохимических показателей растений, выращенных в сооружениях защищенного грунта, покрытых немодифицированной полиэтиленовой пленкой (ПЭВД, контроль), флуоресцентной полиэтиленовой пленкой (Л-50), трансформирующей часть УФ излучения в красную область спектра (максимум люминесценции 619 нм); полиэтилен-терефталатной пленкой (лавсан) с высокой степенью прозрачности для излучения в области ФАР и полиэтилентерефталатной пленкой с низкоэмиссионным (теплосберегающим) покрытием (лавсан-ИК), отражающим до 90 % инфракрасного диапазона (5-25 мкм). Использованы культивационные сооружения арочного типа размером 1x1 м, высотой 0,6 м, в качестве грунта - смесь равных количеств чернозема, перегноя и торфа.
Фотофизические характеристики пленок рассчитаны по спектрам, полученным на спектрометре ЛуаБрее 2048 (Луайе8, Нидерланды) (табл. 1).
Таблица 1
свойства полимерных пленок
Тип покрытия Тип добавки Толщина пленки, мкм Интегральное светопропуска-ние (380-710 нм), % Интенсивность флуоресценции, мкВт/см2
ПЭВД - 120 90,60 -
ПЭВД Люминофорфосфат-ванадат иттрия, активированный европием 120 78,00 134,7 ± 8,50
Лавсан - 120 93,40 -
Лавсан Низкоэмиссионное покрытие на основе Ag и Си 120 75,00 -
Объектами исследований служили растения Lactuca sativa L. сорта Лолла Росса. Семена растений высеивали в грунт и выращивали в течение 30 суток.
Площадь поверхности листьев L. sativa определяли бумажно-весовым методом. Сырую массу и массу сухого вещества растений определяли на аналитических весах с точностью 0,1 мг Для определения массы сухого вещества растения высушивали до постоянного веса при температуре ЮЗ-105 °С.
Определение содержания фотосинтетических пигментов проводили на спектрометре AvaSpec-2048FT-2-SPU (Avantes, Нидерланды) в 100 %-х ацетоновых экстрактах растительного материала, рассчитывая по формулам Хольма [14].
Определение содержания АК в листьях L. sativa проводили методом титрования растительного экстракта щелочным раствором 2,6-дихлорфенолин-дофенола (краска Тильманса) [15].
Активность каталазы в листьях L. sativa определяли титриметрическим методом. Растительный экстракт с добавлением 1 % H2O2 инкубировали в течение 15 мин при комнатной температуре. Реакцию останавливали добавлением 10 %-й серной кислоты H2SO4, а оставшуюся перекись, не разложенную ферментом, титровали 0,1 н раствором перманганата калия [16].
Измерения морфометрических параметров и биохимические исследования были выполнены на 30 растениях в 5 повторностях. Для статистической обработки экспериментальных результатов использовали программу Excel. Оценку достоверности результатов исследований проводили при 95 %-м уровне надежности (уровень значимости -
0,05). В таблицах и на рисунках приведены сред-
ние арифметические значения с двусторонним доверительным интервалом.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследований показали различные ростовые ответы растений в зависимости от используемой в качестве укрывного материала сооружений защищенного грунта пленки.
При выращивании Ь. sativa Лолла Росса под опытными пленками отметили ускоренное развитие опытных растений, что проявилось в увеличении морфометрических параметров (количество листьев, площади ассимилирующей поверхности, сырой и сухой биомассы) по сравнению с контролем (табл. 2).
При выращивании Ь. sativa сорта Лолла Росса под флуоресцентной пленкой отметили ускоренное развитие растений. Так, после 30 суток выращивания салата наблюдали увеличение количества листьев на 22 % по сравнению с контролем (рис. 1). В то же время отметили увеличение сырой массы на 36 % по сравнению с контролем, а массы сухого вещества - на 75 % (рис. 2, 3).
Увеличение продуктивности Ь. sativa под пленкой Л-50 было сопряжено с увеличением площади листьев на 31 % (табл. 2, рис. 4). Более интенсивное развитие растений под флуоресцентной пленкой можно объяснить увеличением доли красного света за счет введения в ее состав люминофора, трансформирующего часть УФ излучения в красную область спектра, так как красный свет стимулирует общее развитие растений, усиливает растяжение клеток листовой пластинки и накопление полисахаридной массы [17, 18].
При использовании лавсановой пленки в качестве укрывного материала для выращивания Ь. sati-va Лолла Росса на 30-е сутки отметили увеличение
Таблица 2
Морфометрические параметры Ь. sativa при выращивании под полимерными пленками
Параметр Тип пленки Возраст растений, сутки
9 16 23 30
Количество листьев, шт. ПЭВД 3,00 ± 0,00 5,40 ± 0,29 6,80 ± 0,24 6,40 ± 0,47
Л-50 3,00 ± 0,00 5,00 ± 0,00 7,50 ± 0,26 8,80 ± 0,44
Лавсан 3,00 ± 0,00 5,00 ± 0,00 6,80 ± 0,44 8,40 ± 0,88
Лавсан-ИК 4,00 ± 0,00 5,00 ± 0,00 7,0 ± 0,00 7,6 ± 0,60
Сырая масса, г ПЭВД 0,04 ± 0,003 0,36 ± 0,03 1,58 ± 0,22 4,51 ± 0,40
Л-50 0,04 ± 0,001 0,34 ± 0,04 2,16 ± 0,41 7,28 ± 0,59
Лавсан 0,03 ± 0,005 0,26 ± 0,04 1,41 ± 0,19 5,55 ± 0,25
Лавсан-ИК 0,06 ± 0,006 0,52 ± 0,03 2,39 ± 0,35 7,51 ± 0,88
Сухая масса, г ПЭВД 0,003 ± 0,00 0,2 ± 0,002 0,08 ± 0,01 0,19 ± 0,009
Л-50 0,002 ± 0,001 0,02 ± 0,002 0,12 ± 0,03 0,40 ± 0,05
Лавсан 0,002 ± 0,001 0,02 ± 0,001 0,07 ± 0,01 0,26 ± 0,01
Лавсан-ИК 0,004 ± 0,00 0,03 ± 0,003 0,10 ± 0,02 0,34 ± 0,05
Площадь листьев, см2 ПЭВД 1,29 ± 0,07 16,19 ± 1,26 62,59 ± 7,34 166,82 ± 10,24
Л-50 1,15 ± 0,08 14,43 ± 1,64 81,85 ± 12,16 248,18 ± 16,50
Лавсан 1,07 ± 0,17 13,10 ± 1,03 61,45 ± 6,31 198,73 ± 12,80
Лавсан-ИК 2,87 ± 0,19 26,55 ± 1,33 96,32 ± 10,64 276,36 ± 22,95
количества листьев на 9,5 %, что было сопряжено с увеличением сырой и сухой массы по сравнению с контролем на 8 и 25 % соответственно (рис. 2, 3). Повышение продуктивности салата сопровождалось увеличением площади листьев на 5 % (рис. 2-4).
Рис. 1. Количество листьев L. sativa при выращивании под полимерными пленками
Рис. 2. Сырая масса L. sativa при выращивании под полимерными пленками
Рис. 3. Сухая масса L. sativa при выращивании под полимерными пленками
Рис. 4. Площадь листьев L. sativa при выращивании под полимерными пленками
Увеличение продуктивности салата под лавсановой пленкой вероятнее всего связано с повышением интенсивности излучения за счет большего пропускания ФАР лавсаном по сравнению с немодифици-рованной полиэтиленовой пленкой (см. табл. 1).
При выращивании L. sativa под лавсановой пленкой с ИК-покрытием наблюдали ускорение роста и развития по сравнению с немодифициро-ванной полиэтиленовой пленкой. Увеличение количества листьев (на 33,3 %) по сравнению с контролем наблюдали только первые 10 суток выращивания, а в дальнейшем достоверных изменений не отмечали. Увеличение сырой и сухой массы салата под лавсановой пленкой с ИК-покрытием по сравнению с контролем составило 35 % и 46 % соответственно (рис. 2, 3). При этом увеличение продуктивности L. sativa было сопряжено с ростом листовой пластинки (табл. 2). Так, площадь ассимилирующей поверхности увеличилась на 43 % по сравнению с контролем (рис. 2-4). При этом увеличение площади листьев салата при выращивании под лавсановой пленкой с ИК-покрытием определяется увеличением размера листовой пластинки, а не количества листьев. Усиление роста и развития L. sativa под лавсаном с ИК-покрытием можно объяснить теплоудерживающими свойствами пленки, так как по сравнению с полиэтиленовой пленкой низкоэмиссионное покрытие на лавсановой пленке задерживает до 90 % теплового излучения, что способствует сохранению тепла внутри теплицы во время ночных перепадов температур.
Увеличение продуктивности L. sativa при выращивании под флуоресцентной пленкой, лавсаном и лавсаном с ИК-покрытием сопровождалось изменением содержания АК и каталазной активности в листьях растений по сравнению с немодифициро-ванной полиэтиленовой пленкой. Во всех вариантах исследования отметили сходную динамику накопления АК. Максимальное содержание АК в листьях как опытных, так и контрольных растений было отмечено на 9-е сутки после посева, затем содержание аскорбиновой кислоты снижалось (рис. 5), что вероятнее всего обусловлено ее расходованием на ростовые процессы [19]. При этом в листьях L. sativa под опытными пленками накапливается большее количество АК по сравнению с контролем. Так, в листьях 30-суточных растений салата при выращивании под флуоресцентной пленкой синтезировалось на 40 % больше АК по сравнению с контролем (рис. 5), что обусловлено активизацией синтеза АК красным светом, так как красный свет играет активную роль в стимуляции образования АК [11].
При выращивании L. sativa под лавсановой пленкой увеличение количества АК в листьях по сравнению с контролем отметили на 9, 23 и 30-е
сутки после посева на 18, 19 и 11 % соответственно (рис. 5). Усиление накопления АК в листьях салата под лавсановой пленкой по сравнению с немо-дифицированной полиэтиленовой пленкой связано с увеличением интенсивности излучения в области ФАР, так как известно, что увеличение интенсивности освещения приводит к активизации накопления АК в листьях растений [12].
Под лавсановой пленкой с ИК-покрытием в листьях 30-суточных растений L. sativa наблюдали усиление синтеза АК на 20 % по сравнению с контролем.
тьях салата по сравнению с контролем на 29,6 % в возрасте 17 суток (рис. 6). Резкое снижение активности каталазы в этот период вероятнее всего обусловлено фотофизическими свойствами данного укрывного материала. Лавсановая пленка с низкоэмиссионным покрытием имеет более низкий уровень светопропускания по сравнению с контролем, а также способна задерживать тепло внутри теплицы. Это способствует снижению активности каталазы из-за действия повышенных температур. Среднедневная температура наружного воздуха в указанный период (на 17-е сутки) составила 28,5 °С [23], что способствовало снижению активности каталазы в листьях L. sativa под лавсаном с ИК-покрытием в начальный период. Затем наблюдали понижение среднедневной температуры на 1-2 °С, что в дальнейшем привело к повышению активности каталазы листьях 23-суточных растений на 4,7 % (рис. 6).
Рис. 5. Содержание АК в листьях I. эаНуа при выращивании под полимерными пленками
Результаты исследования динамики каталазы в листьях L. sativa Лолла Росса показали, что наибольшая активность каталазы приходится на 17-е сутки во всех вариантах исследования (рис. 6), что соответствует прегенеративному периоду развития, когда активность каталазы в листьях растений максимальна [20]. При выращивании салата под флуоресцентной пленкой наблюдали увеличение активности каталазы по сравнению с контролем на 13 % в возрасте 17 суток и на 62 % в возрасте 23 суток (рис. 6). Это свидетельствует о более интенсивном протекании обменных процессов у опытных растений. Увеличение активности каталазы в листьях растений первые три недели под пленкой Л-50 может быть обусловлено увеличением доли красного света. Из литературных данных известно, что активность каталазы зависит от спектрального состава света, а красный свет стимулирует активность этого фермента [21].
При выращивании салата с использованием лавсана в качестве укрывного материала наблюдали уменьшение активности каталазы в листьях растений на 5 % в возрасте 23 суток и на 52 % в возрасте 31 суток после посева. Это можно объяснить увеличением интенсивности освещения под лавсаном по сравнению с обычной полиэтиленовой пленкой, так как увеличение интенсивности освещения способствует снижению активности ка-талазы в листьях растений [22].
Под лавсановой пленкой с ИК-покрытием наблюдали уменьшение активности каталазы в лис-
Рис. 6. Содержание каталазы в листьях .. э^ма при выращивании под полимерными пленками
Таким образом, выращивание L. sativa под модифицированными полимерными пленками способствует увеличению продуктивности, накоплению АК и изменению активности каталазы в листьях. Под флуоресцентной пленкой продуктивность увеличивается на 36 % и сопровождается усилением синтеза АК на 40 % и увеличением активности каталазы в листьях до 62 %, что связано с увеличением доли красного света в общем потоке радиации. Использование лавсана в качестве укрывного материала при выращивании салата приводит к незначительному увеличению продуктивности (на 8 %), сопровождается усилением синтеза АК до 19 % и снижением активности каталазы до 52 %, что обусловлено увеличением интенсивности освещения за счет высокой светопроницаемости лавсана. Выращивание L. sativa под лавсановой пленкой с ИК-покрытием способствует повышению продуктивности до 35 % и сопровождается увеличением количества АК в листьях на 20 % и снижением активности каталазы на 29 %, что связано с теплоудерживающими свойствами ИК-пок-рытия на лавсановой пленке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ листьях на 40, 19 и 20 %, соответственно. Повыше-
Использование в качестве укрывного материала ние продуктивности L. sativa сопровождается уве-
для сооружений защищенного грунта флуоресцен- личением активности каталазы в листьях до 62 %
тной пленки с максимумом люминесценции под флуоресцентной пленкой и уменьшением
619 нм, лавсановой пленки, а также лавсана с ИК- активности каталазы под лавсановой пленкой и
покрытием способствует повышению продуктив- лавсаном с ИК-покрытием на 52 и 29 % соответ-
ности L. sativa на 36, 8 и 35 % и количества АК в ственно.
Список литературы
1. Brown R. P. Polymers in agriculture and horticulture // Rapra Review Reports. 2004. Vol. 15, № 2. P. 1-92.
2. Espi E., Salme^ А., Fontecha A., Garcia Y., Real A. I. Plastic films for agricultural applications // Journal of Plastic Film and Sheeting. 2006. Vol. 22. P. 85-122.
3. Минич А. С. Физико-химические свойства систем полиэтилен: люминофор на основе аддуктов редкоземельных элементов: дис. ... канд. хим. наук. Томск, 1995. 211 с.
4. Райда В. С., Толстиков Г. А. Проблемы и перспективы использования и применения фотолюминесцентных полимерных пленок // Мир теплиц. 2001. № 7. С. 62-64.
5. Карасев В. Е. Новые полимерные светотрансформирующие материалы для солнечной энергетики // Вестн. Дальневосточ. отделения РАН. 2002. № 3. С. 51-60.
6. Hemming S., Van Os E. A., Dieleman A., Hemming J., Swinkels G., Breuer J. and Slangen J. Possibilities of increasing production and quality of strawberry fruits and several flowers by new blue fluorescent greenhouse films // Acta Hort. 691, ISHS. 2005. P. 225-232.
7. Головацкая И. Ф., Райда В. С., Лещук Р. И., Карначук Р. А., Минич А. С., Большакова М. А., Приходько С. А. Физиолого-биохимические особенности роста и продуктивности овощных культур при выращивании под светокорректирующими пленками // Сельскохоз. биология. 2002. № 5. С. 47-51.
8. Zhang K., Yuan L., Xi M., Yu Y., Sun J. The application of lights-conversed polyethylene film for agriculture // Wuhan Univ. J. Natur. Sci. 2000. Vol. 7, № 3. P. 365-367.
9. Минич А. С., Минич И. Б, Зеленьчукова Н. С., Райда В. С. Особенности роста растений и продуктивность у гибрида огурца при выращивании под фотолюминесцентной и гидрофильной пленками // Сельскохоз. биология. 2010. № 1. С. 81-85.
10. Minich A. S., Minich I. B., SHajtarova O. V., Permyakova N. L., Zelenchukova N. S., Ivanitckij A. E., Filatov D. A., Ivlev G. A. Vital activity of Lactuca sativa and soil microorganisms under fluorescent films // Tomsk State Pedagogical University Bulletin. 2011. Issue. 8. P. 78-84.
11. Минич А. С., Минич И. Б., Зеленьчукова Н. С., Карначук Р. А., Головацкая И. Ф., Ефимова М. В., Райда В. С. Роль красного люминесцентного излучения низкой интенсивности в регуляции морфогенеза и гормонального баланса Arabidopsis thaliana// Физиология растений. 2006. Т. 53, № 6. С. 863-868.
12. Чупахина Г. Н. Система аскорбиновой кислоты растений. Калининград: Калинингр. ун-т, 1997. 120 с.
13. Gallie D. R. L-Ascorbic acid: a multifunctional molecule supporting plant growth and development // Scientifica. Vol. 2013 (2013). 24 p.
14. Шлык А. А. Биосинтез хлорофилла и формирование фотосинтетических систем // Теоретические основы фотосинтетической продуктивности: сб. М.: Наука, 1972. 460 с.
15. Чупахина Г. Н. Физиологические и биохимические методы анализа растений: практикум. Калининград: Изд-во КГУ, 2000. 59 с.
16. Филиппович Ю. Б., Егорова Т. А., Севастьянова Г. А. Практикум по общей биохимии: учеб. пособие для студентов хим. спец. пед. ин-тов / под общ. ред. Ю. Б. Филипповича. 2-е изд., перераб. М.: Просвещение, 1982. 311 с.
17. Кахнович Л. В. Фотосинтетический аппарат и световой режим. Минск: Изд-во БГУ, 1980. 142 с.
18. Карначук Р. А., Головацкая И. Ф. Гормональный статус, рост и фотосинтез растений, выращенных на свету разного спектрального состава // Физиология растений. 1998. Т. 45, № 6. С. 925-934.
19. Егоров А. Д. Витамин С и каротин в растительности Якутии М.: Изд-во АН СССР, 1954. 248 с.
20. Семенова Е. А. Оценка экологической приспособленности Glycine max (L.) Merr. и Glycine soja по энзиматической активности в онтогенезе: автореф. дис. ... канд. сельскохоз. наук. Изд-во ДальГАУ. 23 с.
21. Appleman D., Pyfrom H. T. Changes in catalase activity and other responses induced in plants by red and blue light // Plant Physiol. 1955. Р. 543-549.
22. Hertwig B., Streb P., Feierabend I. Light dependence of catalase synthesis and degradation in leaves and the influence of interfering stress conditions // Plant Physiol. 1992. Vol. 100. P. 1547-1553.
23. URL : www.pogodavtomske.ru
Зеленьчукова Н. С., кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии растений и биохимии. Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
E-mail: natazel@sibmail.com
Иваницкий А. Е., кандидат технических наук, доцент кафедры органической химии.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
E-mail: aleiv@tspu.edu.ru
Агаева С. А., студентка биолого-химического факультета.
Томский государственный педагогический университет.
ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
Тишкина В. Н., студентка биолого-химического факультета.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
Материал поступил в редакцию 14.05.2013.
N. S. Zelenchukova, A E. Ivanitsky, S. А. Agaeva, V N. Tishkina
PRODUCTIVITY, ASCORBIC ACID SYNTHESIS AND CATALASE ACTIVITY IN LACTUCA SATIVA L. LEAVES
UNDER PLASTIC FILMS
Productivity of Lactuca sativa L. Lolla Rossa in the conditions of protected cultivation under fluorescent polyethylene film and polyethylene terephthalate films (lavsan) was studied in the article. The change in the conditions of plants, growing with the use of modified polymer films, contributes to accelerated growth, development and productivity of L. sativa in relation to plants grown under unmodified polyethylene film. Increase of L. sativa productivity was attended with growth of ascorbic acid (AA) level and change in catalase activity in plant leaves.
Key words: unmodified polyethylene film, fluorescent film, lavsan, Lactuca sativa L., productivity, ascorbic acid, catalase.
Zelenchukova N. S.
Tomsk state pedagogical university.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
E-mail: natazel@sibmail.com
Ivanitsky A. E.
Tomsk state pedagogical university.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
E-mail: aleiv@tspu.edu.ru
Agaeva S. А.
Tomsk state pedagogical university.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
Tishkina V. N.
Tomsk state pedagogical university.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
