CC BY
105
Физико-химическая биология Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 2 (2), с. 575-579
УДК 577.3
СВЯЗЬ ВЕЛИЧИНЫ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЯН ЗЛАКОВ С ГЕТЕРОЗИСНЫМ ЭФФЕКТОМ И СОДЕРЖАНИЕМ АМИНОКИСЛОТ
© 2010 г. М.С. Рубцова, Е.К. Крутова, И.В. Крупнова, О.Р. Лебедева
Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия [email protected]
Поступила в редакцию 05.06.2009
Биопотенциалы гетерозисных семян кукурузы отличаются от негетерозисных более высокой диффузионной составляющей. По электрическим свойствам набухающие семена пшеницы неоднородны и отнесены к группам от -9 ^ -8 до +8 ^ +9 мВ. Семена с разными биопотенциалами по-разному обеспечены аминокислотами. Содержание той или иной аминокислоты возрастает в семенах с увеличением в них разности потенциалов, достигая максимума, а затем падает, подчиняясь кривой Г аусса.
Ключевые слова: биоэлектрические потенциалы, ростовые процессы, аминокислотый состав, гетерозис-ный и негетерозисный эффекты, гетерозисные семена, диффузная и метаболическая компоненты.
Биопотенциалы растений - важный физиологический показатель, отражающий их функциональное состояние. Связь биопотенциалов растений прослеживается с транспортом веществ, биохимическим составом и ростовыми процессами. Электрофизиологическое направление исследования зерновых культур является новым, перспективным и имеет выход на раннюю диагностику хозяйственно-полезных признаков [1-6].
Представляет интерес изучение связи биохимического состава семян с биопотенциалами. Мембраносвязанные АТФазы, вносящие вклад в формирование биоэлектрических потенциалов, являются, как известно, ключевыми ферментами в регуляции клеточных реакций на действие факторов внешней среды [2, 3]. Биопотенциалы набухающих семян гибридов кукурузы и АТ-Фазная активность могут быть использованы для прогноза гетерозисного эффекта у гибридов первого поколения [4]. Ранее было показано, что биопотенциалы колоса пшеницы на ранних этапах формирования зерна коррелируют с содержанием аминокислот [7] и с урожаем
[5].
Методика
Исследования биопотенциалов проводили на набухающих семенах гибридов кукурузы КОС ВИР и пшеницы «Горьковская 20». Использовали прибор для измерения разности потенциалов у растений, разработанный на кафедре ботаники и физиологии растений НГСХА и вы-
пущенный серийно производственным объединением «Агроприбор». В качестве датчиков применяли пару неполяризующихся хлорсереб-ряных электродов ЭВЛ-1МЗ с переходником (насадки, заполненные отстоянной водопроводной водой). Контакт с семенами осуществляли с помощью влажных хлопковых фитильков. При определении биопотенциалов семена кукурузы вынимали из чашки Петри, где они набухали, слегка обсушивали фильтровальной бумагой и помещали на сухой столик прибора. Электрод измерения устанавливали на область зародыша, а электрод сравнения на полярную сторону семени - эндосперм. Определяли биопотенциалы, прикладывая последовательно электрод сравнения сначала к корешку, а электрод измерения -к почечке, затем измеряли биопотенциалы тыльной стороны семени: электрод измерения -под зародышем, а электрод сравнения - под эндоспермом семени. Для определения биопотенциалов семян пшеницы «Г орьковская 20» электрод измерения прикладывали к зародышу, а электрод сравнения - к эндосперму. При определении биопотенциалов семена пшеницы размещали в полиэтиленовые стаканчики в зависимости от значения биопотенциалов.
Результаты и обсуждение
Поверхностные биопотенциалы растений, как и мембранные потенциалы растительных клеток, имеют две компоненты: диффузную и метаболическую [8]. Чем лучше организм приспособлен к окружающей среде, тем больше
вклад в биопотенциалы диффузной составляющей и меньше - метаболической [9—11]. При замораживании семян в жидком азоте во всех случаях происходит падение потенциалов. У гетерозисного гибрида В73*Мо17 потенциалы семян при всех трех измерениях (зародыш — эндосперм, корешок — почечка, тыльная сторона зародыша) оставались более устойчивыми к гипотермии, по сравнению с биопотенциалами негетерозисного гибрида А619xW64. Падение потенциалов семян гетерозисного гибрида после замораживания (36%) менее значительно, чем у негетерозисного (71%) (рис. 1, 2). То есть гетерозисные семена имели более высокую диффузную составляющую, менее изменяющуюся под влиянием внешней среды.
Биоэлектрические потенциалы характеризуют физиологическую активность растительных тканей. Естественно, что этот показатель изменяется под воздействием неблагоприятных факторов.
Динамика биопотенциалов гетерозисных семян в течение 32 часов набухания согласуется с изменениями активности АТФаз, и эта активность значительная по величине, в отличие от негетерозисных семян. У негетерозисных семян в отдельные периоды набухания синхронизация между показателями нарушается при низкой АТФазной активности. Очевидно, что при достижении гетерозисного эффекта важна мощная энергетика и ее мобилизация в строго определенные периоды подготовки семени к прорас-
□ до замораживания ІШ после замораживания
20 -|
т
15 -
ч
сЗ
К
я
к
и
н
О
С
10 -
Рис. 1. Падение биопотенциалов при замораживании семян кукурузы гетерозисного гибрида: 1 — между зародышем и эндоспермом, 2 — между корешком и почечкой, 3 — с тыльной стороны семени
□ до замораживания Шиосле замораживания
20 -
15 -
10 -
Рис. 2. Падение биопотенциалов при замораживании семян кукурузы негетерозисного гибрида: 1 - между зародышем и эндоспермом, 2 - между корешком и почечкой, 3 - с тыльной стороны зародыша
танию [4]. Физиологической и морфологической особенностью семян является состав зародыша, который характеризуется зародышевыми меристемами корешка, стебелька и почечки. Именно их энергетические характеристики важны для изучения, так как определяют в дальнейшем гетерозисный эффект гибрида, обеспечивая его активными биоэлектрическими и метаболическими процессами точек роста стебля и корня [3, 6].
Исследования, проведенные с обработкой набухающих семян гетерозисных и негетеро-зисных гибридов кукурузы жидким азотом с целью убрать метаболическую составляющую мембранных потенциалов клеток, показали, что у набухающих гетерозисных семян она была значительно меньше, чем у негетерозис-ных. Это дает в перспективе возможность делать отбор гибридов на гетерозисность по величине составляющих биопотенциалов семян, что значительно упростит селекционную работу.
Аминокислотный состав белка пшеницы -важнейший показатель качества зерна. Результаты исследований показывают, что содержание аминокислот у семян пшеницы с различными биопотенциалами было неодинаковым и распределение по этим показателям соответствовало кривой Гаусса, т.е. зависимость между этими показателями характеризовалась одновершинной кривой.
В случае данного сорта пшеницы семена были разделены на 9 групп со значениями биопотенциалов в мВ: -10 -9; -8 -7; -6 -5;
-4 - -3; -2 - -1; +1 - +2; +3 - +4; +5 - +6; +7 - +8. Параллельно исследовали аминокислотный состав семян с разными значениями биопотенциалов.
Наибольшее содержание аминокислот было у разных групп семян со значением биопотенциалов -8 - -7 мВ у аланина и аспарагиновой кислоты и -6 - -5 мВ у тирозина, -4 - -3 мВ у серина, лейцина, метионина, аргинина, -2 - -1 мВ у пролина, +1 - +2 мВ у треонина и +3 - +4 мВ у лизина (рис. 3-5). Поскольку биоэлектрические потенциалы эндосперма приближаются к нулю, то основная величина потенциала образована зародышем, точнее его корешком.
Полученные нами данные могут представлять не только теоретический, но и практический интерес. В разных странах мира проводятся отбор и селекция на лизин с целью повышения качества белка пшеницы.
Лизин является важнейшей незаменимой аминокислотой, лимитирующей качество белка. Отбор семян пшеницы на лизин проводят с помощью измерения биопотенциалов, не повреждая их. Семена со значениями биопотенциалов +3 - +4 мВ у пшеницы «Г орьковская 20» имеют более высокое содержание лизина. Наибольшее содержание таких незаменимых аминокислот как лейцин и содержащий SH-группу метионин - аргинин - приходилось на семена с отрицательными значениями биопотенциалов зародыша -3 - -4 мВ.
В настоящее время известно, что в физиологии растений в целях диагностики хо-
■ лизин тирозин треонин
140
-10,-9 -8,-7 -6,-5 -4,-3 -2,-1 (1,(2 (3,(4 (5,(6 (7,(8
Потенциал, мВ
Рис. 3. Содержание лизина, тирозина и треонина в семенах пшеницы с разными значениями биопотенциалов
I пролин I аспарагиновая кислота ■ лейцин
Рис. 4. Содержание пролина, аспарагиновой кислоты, лейцина в семенах пшеницы с разными значениями биопотенциалов
300
250
200
Ъ 150
100
50
I аргинин ■ метионин Исерин
-10,-9 -8,-7 -6,-5 -4,-3 -2,-1 +1,+2 +3,+4 +5,+6 +7,+8
Потенциал, мВ
Рис. 5. Содержание аргинина, метионина, серина в семенах пшеницы с разными значениями биопотенциалов
зяйственно-полезных признаков применяется цитофизиологический метод. Ряд исследователей на основе многолетнего опыта считают целесообразным обратить внимание на элек-трофизиологические методы, имеющие ряд
преимуществ перед другими методами, поскольку измерение биопотенциалов проводится без повреждений тканей и нарушения метаболизма растений, и результат диагностики можно получить быстро.
Список литературы
1. Гунар И.И., Паничкин Л.А., Маслов А.П. Оценка морозоустойчивости и жаростойкости растений по биоэлектрическим реакциям // Изв. ТСХА. 1971. № 5. С. 3-5.
2. Дятлова К.Д., Рубцова М.С., Таова Л.А. Перспектива использования биопотенциалов початка и листьев кукурузы при селекции на белок // В сб. науч. тр. НГСХА: «Физиология и биохимия растений». Нижний Новгород, 1992. С. 66-76.
3. Кошишова Ю.Н., Рубцова М.С., Лебедева О.Р. Биопотенциалы, активности ферментов всхожих и потерявших всхожесть семян гибридов кукурузы // Тез. докл. 6-й Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». Пущи-но, 2002. С. 125.
4. Рубцова М.С., Лебедева О.Р., Таова Л.А. Способ определения гетерозисного эффекта у гибридов кукурузы первого поколения // Патент РФ 2051570 от 19 июня 1992 г.
5. Рубцова М.С., Кравцова Р.А, Крутова Е.К., Терехов М.Б. Способ диагностики уро-
жайности пшеницы // Патент РФ № 332/2 от 21.04.2003.
6. Рубцова М.С., Федулина С.Б. БЭР на раздражение прорастающих семян пшеницы и тыквы и их возможная роль в процессе прорастания // Вестник ННГУ. Серия «Биология». Н. Новгород. 2006. С. 31-35.
7. Опритов В.А. Функциональные аспекты био-электрогенеза у высших растений // 59-е Тимирязевские чтения. Нижний Новгород: Изд-во ННГУ, 1998. 46 с.
8. Берестовский Г.Н. Ионные каналы плазмо-леммы и тонопласта // Вестник ННГУ. Серия «Биология». Н. Новгород. 2006. С. 11-15.
9. Coore D. T, Rurden R. S. Lipid modulation of plasma membrane bound ATPas // Physiol. Plant. 1990. 78. N 1. Р. 153-159.
10. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Воденеев В.А. Непосредственное сопряжение генерации потенциала действия в клетках высшего растения Cucurbita pepo L. с работой электрогенного насоса // Физиология растений. 2002. Т. 49. С. 160-165.
11. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. М.: Наука, 1991. 216 с.
THE RELATION BETWEEN THE VALUE OF BIOELECTRIC POTENTIALS OF GERMINATING CEREAL SEEDS AND THE HETEROSIS EFFECT AND AMINO ACID CONTENT
M.S. Rubtsova, E.K. Krutova, I. V. Krupnova, O.R Lebedeva
Bioelectric potentials of heterotic maize seeds differ from non-heterotic ones by having a higher diffusion component. Swelling wheat seeds have nonuniform electric properties and may be classified into groups from -9 + -8 to +8 + +9 mV. Seeds with different biopotentials are differently provided with amino acids. The content of an amino acid increases in the seeds with the increase in the differences of their potentials. It reaches a maximum and then decreases, obeying the Gaussian curve.
Keywords: bioelectric potentials, growing processes, amino acid composition, heterotic and non-heterotic effects, heterotic seeds, diffusion and metabolic components.
