CC BY
2HILLESHOG ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ
УДК 633.33:581.3
doi.org/10.24412/2413-5518-2023-12-41-43
Влияние экзогенного мелатонина на накопление сахара в корнеплодах Beta vulgaris L.S
Р.В. УСАЧЁВА, ст. научн. сотр., канд. биолог. наук(е-mail: rima.usa@yandex.ru) Л.Н. ПУТИЛИНА, вед. научн. сотр., канд. с/хнаук
ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара имени А.Л. Мазлумова»
Введение
Метаболизм сахара в сахарной свёкле является одной из областей наиболее активных исследований.
В растениях сахароза расщепляется на UDG-глюкозу и фруктозу сахарозосинтазой (SUS), может быть расщеплена на глюкозу и фруктозу инвертазами для дальнейшего метаболизма сахара либо накапливается в корнеплодах [3]. Известно, что в процессе накопления метаболитов в органах растений важную роль играют фитогормоны. Сахароза накапливается в вакуолях, и механизм этого процесса интенсивно изучается. По современным представлениям, сахароза транспортируется через вакуолярную мембрану переносчиком, активность которого зависит от градиента концентрации протонов, обеспечиваемого протонными помпами Н+-АТФаза [4].
Экзогенный гормон мелатонин считается многообещающим веществом, повышающим устойчивость растений к абиотическому стрессу, урожайность и сахаристость путём влияния на экспрессию некоторых генов, участвующих в углеродном обмене [1]. По данным многих исследований, мелатонин улучшает рост
проростков сахарной свёклы, способствует увеличению урожайности корнеплодов и содержания сахара, синтезу хлорофилла, активности фотосистемы II (PS II) и параметров газообмена в условиях солевого стресса. Кроме того, он усиливает способность осмотической регуляции за счёт увеличения накопления осмолитов (бетаина, пролина и растворимого сахара) [5]. В то же время мелатонин повышает активность Н+-насоса в корнях, тем самым способствуя оттоку Na+ и притоку K+, что поддерживало гомеостаз K+/Na+ и снижало токсичность Na+. Эти положительные эффекты были более выраженными, когда мелатонин применялся путём комбинированной внекорневой и корневой подкормки [2].
В литературе известны данные, которые демонстрируют участие гена фруктокиназы MdFRK2 — ключевого фермента углеводного обмена — в индуцированном экзогенным мелатонином накоплении сахаров в растениях кукурузы (Zeamays) [1, 2], яблони (Malus) [3] и других культур. У проростков кукурузы синтез и гидролиз сахарозы увеличились в ответ на применение экзогенного мела-тонина, что отразилось в повышенной экспрессии генов и фер-
ментативной активности SPS и кислотной инвертазы [1]. Однако экспрессия MdFRK2 — гена, кодирующего фруктокиназу (FRK), которая фосфорилирует фруктозу ° до фруктозо-6-фосфата (F6P), — § была понижена как в исходной, | так и в поглощающей частях ли- | стьев кукурузы, особенно при | высоких концентрациях мелато- J нина [1]. |
CI
*
Материалы и методы |
исследований |
Для экспериментов были ото- i браны растения сахарной свёклы МС 1290, МС 9047 и МС 9080. | Укоренённые микроклоны Beta | vulgaris L. высаживали в пластико- ^ вые вазоны с хорошим дренажом | (12x12 см), которые заполняли | почвой и торфом в теплице, под- | держиваемые при 23 оС и 14-часо- | вом фотопериоде. В контрольном | варианте растения получали 30 мл £ воды каждые 3 дня. В опытном варианте для обработки растений g | использовали 30 мл раствора мела- |§ тонина в концентрации 1000 мкМ, J а который вносили в почву вазонов j=i каждые 3 дня. Через полтора меся- f ° ца были отобраны корнеплоды рас - | § тений (по 10 штук растений каждо - | | го генотипа) для исследований. § | Содержание сахара в корнепло- ills дах сахарной свёклы определяли S0 ==
№ 12 • 2023 САХАР 41
ARIBO гибриды сахарной свеклы HILLESHÖG
mariboseed.com/russia hilleshog.com/ru
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ
MARI ВО'
MC 9047 MC 9080 MC 1290
Ж Контроль Ш Опыт
Средние показатели содержания сахара в корнеплодах сахарной свёклы
методом холодного водного диге-рирования.
Фракционный состав Сахаров выявляли разделением на хрома-тографической колонке с Са2+-№+ катионобменной смолой при температуре 60 оС, скорости эллюции 1,0 см/мин. Для количественного измерения применяли рефрактометрический детектор.
Результаты и обсуждение
По результатам проведённых исследований выявлено, что концентрация сахаров в опытных вариантах с растениями, получавшими мелатонин, была выше, чем в контрольном варианте с растениями, получавшими воду. Ранее были проведены исследования по влиянию разных концентраций мелатонина на содержание сахаров в листьях сахарной свёклы и выбраны оптимальные концентрации мелатонина. Поэтому в данной работе установлена наиболее эффективная концентрация мелатонина [8]. В вариантах с применением мелатонина в концентрации 1000 мкМ отмечено увеличение содержания сахара в корнеплодах: у МС 9047 в 2,1 раза; МС 9080 - в 1,2; МС 1290 - в 1,5 раза (см. рис).
Было отмечено, что увеличение содержания сахарозы в корнеплодах положительно коррелирует с повышением количества сахаров в листьях сахарной свёклы, а также с активностью ферментов саха-розофосфатсинтазы и инвертазы. Выявлена отрицательная корреляция с активностью фермента
фруктокиназы. Это указывает на опосредованное влияние мелатонина на накопление Сахаров через включение молекулярно-генети-ческих механизмов.
В результате исследований не было значительных изменений во фракционном составе Сахаров при использовании мелатонина, несмотря на то что он подавляет фермент фруктокиназу на молекулярном уровне и активизирует ин-вертазу и сахарозофосфатсинтазу (см. табл.).
Вероятно, в растительных клетках происходят очень активная регуляция и синхронизация обмена веществ, в результате чего концентрация сахара в значительной степени регулируется метаболизмом сахара, который включает расщепление сахарозы инвертазой и сахарозосинтазой (SUSY), фос-
форилирование образующихся гексоз и взаимопревращение гек-созофосфатов и UDP-глюкозы, а также синтез сахарозы с помощью SPS и SPP [6, 7, 9].
Выводы
Таким образом, результаты экспериментов показали, что экзогенный мелатонин положительно влияет на накопление сахаров в корнеплодах сахарной свёклы, что, как известно из литературы, связано с влиянием на экспрессию генов MdFRK2, SPS, SS. Сахара, накапливаясь в клетке, являются сигнальными молекулами, которые запускают механизм процессов, связанных с обменом и утилизацией этих сахаров. Мелатонин ингибирует гены, участвовавшие в обмене сахаров, и таким образом способствует накоплению их в клетке, что и подтверждают проведённые исследования. В корнеплодах уровень сахаров повысился в среднем в 1,6 раза при применении мелатонина в концентрации 1000 мкМ.
Список литературы
1. Мелатонин усиливает регенерацию корней, фотосинтетические
Процентное соотношение сахаров в корнеплодах сахарной свёклы МС 9080
с применением мелатонина
Сахара Контрольный вариант При концентрации мелатонина 1000 мкМ
Глюкоза 0,63 0,72
Фруктоза 0,62 0,73
Сахароза 8,76 10,2
42 САХАР № 12 • 2023
MARIBO@ гибриды сахарной свеклы HILLESHÖG
mariboseed.com/russia hilleshog.com/ru
HILLESHÖG
ТЕХНОЛОГИЯ ВЫСОКИХ УРОЖАЕВ
пигменты, биомассу, общее количество углеводов и содержание пролина в подвое вишни PHL-C (Prunusavium х Prunuscerasus) / В. Сарропулу, К. Димасси-Териу, И. Териос, М. Кукурику-Петри-ду // Biochem. - 2012. - Vol. 61. -Р. 162-168.
2. Деннис, Д. Благотворное влияние экзогенного мелатонина на преодоление солевого стресса у сахарной свёклы (Beta vulgaris L.) / Д. Деннис, С. Блейкли // Метаболизм углеводов. Биохимия растений. - 2021. - С. 63-75.
3. Эволюция и экспрессия семейства генов фруктокиназы в сахаре / Ч. Ихун, Ч. Цин, Х. Вэйчан, Ч. Синтан // Genomics. - 2017. -Т. 18. - С. 197.
4. Метаболизм сахара и накопление в плодах трансгенных яблонь со сниженным синтезом сорбита / М. Ли, П. Ли, Ф. Ма [и др.] // Садоводство. - 2018. - Vol. 10.
5. Влияние обработок фитогор-монами на биомассу и накопление сахаров в корнеплодах столовой свёклы (Beta vulgaris L.) / Н.В. Озо-лина, Е.В. Прадедова, Ю.Г. Сапе-га [и др.] // Агрохимия. - 2007. -№ 1. - С. 47-51.
6. Pego, J.V. Фруктокиназы растений: семейная тусовка сладкоежек / J.V. Pego, S.C. Smeekens // Trends Plant Sci. - 2000. - Vol. 5. -Р. 531-536.
7. Руан, Ю.Л. Метаболизм сахарозы: ворота к разнообразному использованию углерода и передаче сигналов сахара / Ю.Л. Руан // PlantBiol. - 2014. - Vol. 65. -Р. 33-67.
8. Усачёва, Р.В. Влияние экзогенного мелатонина на накопление сахара в растениях Beta vulgaris L. / Р.В. Усачёва // Сахар. - 2023. -№ 2. - С. 20-23.
9. Zhang, S. Клонирование и характеристика двух фруктокиназ из кукурузы / S. Zhang, S.E. Nichols, J.G. Dong // Plant Sci. - 2003. -No. 165. - P. 1051-1058.
Телефон: (495) 232-90-07 Сайт: ikar.ru/gdemarzha
Аннотация. Проведён анализ влияния мелатонина на увеличение уровня Сахаров в корнеплодах сахарной свёклы. Выявлено, что мелатонин в концентрации 1000 мкМ через опосредованные молекулярные механизмы способствует увеличению содержания сахара в корнеплодах сахарной свёклы. Изучение механизма действия мелатонина на углеводный обмен важно для управления процессом накопления сахаров.
Ключевые слова: сахарная свёкла, in vitro, мелатонин, микроклоны, тепличные условия, содержание сахара, концентрации.
Summary. An analysis of the effect of melatonin on increasing the level of sugars in sugar beet roots was carried out. It was found that melatonin at a concentration of 1000 цМ, through indirect molecular mechanisms, helps to increase the sugar content in sugar beet roots. The mechanism of action of melatonin on carbohydrate metabolism is being studied in order to control the process of sugar accumulation.
Keywords: sugar beet, in vitro, melatonin, microclones, greenhouse conditions, sugar content, concentrations.
№ 12 • 2023 САХАР 43 -
ARIBO гибриды сахарной свеклы HILLESHÖG®
mariboseed.com/russia hiiieshog.com/ru
