CC BY
113
Химия растительного сырья. 2005. №4. С. 53-56.
УДК 577.114 : 581.142 ВЛИЯНИЕ ПЕКТИНОВ НА РОСТ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР
© Е.А. Елькина , А.А. Шубаков, Ю.С. Оводов
Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, Сыктывкар (Россия) E-mail: [email protected]
Исследовано влияние экзогенных пектиновых полисахаридов на всхожесть и скорость прорастания семян, рост корней и проростков пшеницы мягкой Triticum aestivum L. и ржи посевной Secale cereale L.
Показано, что экзогенные пектины оказывают стимулирующее влияние на всхожесть и скорость прорастания семян, рост корней и проростков Triticum aestivum L. и Secale cereale L. Можно предполагать, что это связано с различиями в молекулярных размерах и особенностях структуры пектиновых полисахаридов.
Работа выполнена при дополнительном финансировании РФФИ (проект № 03-04-48136); поддержке ведущих научных школ (проект № НШ-1260.2003.4); УрО РАН (проект «Физико-химическая биология»); фундаментальных научных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО РАН (координационный грант).
Введение
Одним из перспективных направлений фундаментальных и прикладных исследований является изучение регуляции роста и развития растений с помощью природных и синтетических физиологически активных веществ [1, 2]. При этом очевидно, что главное внимание следует обратить на первые этапы онтогенеза растений, начиная с прорастания семян и роста проростков, когда происходят наиболее заметные, существенные и принципиальные изменения в растениях.
Ранее было показано [2, 3], что в регуляции роста однодольных растений важную роль играют пектины и арабиноксиланы, входящие в состав семян этих растений. Установлено, что олигосахариды, полученные при фрагментации пектина и арабиноксилана клеточных стенок семян зерновых культур, являются эндогенными регуляторами роста: меняют специфичность действия фитогормонов в отношении органогенеза, служат сигнальными молекулами при регуляции ряда процессов в клетке, т.е. относятся к классу олигоса-харинов [4-6]. Однако о влиянии экзогенных полисахаридов на онтогенез однодольных растений имеются лишь очень ограниченные сведения.
Повышение всхожести семян растений и скорости их прорастания достигается обработкой перед посевом водными растворами биостимуляторов, что приводит к активации биохимических процессов, увеличивает энергию прорастания, улучшает всхожесть семян [7, 8].
Цель настоящей работы - изучение влияния экзогенных пектиновых полисахаридов на всхожесть и скорость прорастания семян, рост корней и проростков пшеницы мягкой Triticum aestivum L. и ржи посевной Secale cereale L.
Экспериментальная часть
Растительный материал. Объектами исследования служили семена пшеницы мягкой Triticum aestivum L. сорта «Иргина» и ржи посевной Secale cereale L. сорта «Фаленская».
* Автор, с которым следует вести переписку.
Обработка семян и определение биологического действия пектинов на ранние стадии онтогенеза злаков. Семена перед посевом обрабатывали 0,002% водными растворами следующих пектинов: лемнана из ряски малой Lemna minor L., потамогетана из рдеста плавающего Potamogeton natans L., комарумана из сабельника болотного Comarum palustre L., бергенана из бадана толстолистного Bergenia crassifolia L., а также силенана и галактуроноарабиногалактана (ГАГ) из каллусной ткани смолевки обыкновенной Silene vulgaris (Moench) Garke [Oberna behen (L.) Ikonn], выделенных ранее по разработанным в Институте физиологии Коми НЦ УрО РАН оригинальным методикам [9-14]. Для сравнения рост-регулирующего действия исследуемых пектинов в качестве положительного контроля использовали семена, обработанные
0,002% водными растворами яблочного пектина (ICN) [15]. Контролем служили семена, которые предварительно обрабатывали водопроводной водой.
Обработку семян пшеницы и ржи проводили по ранее описанному способу [8]. Обработанные семена инкубировали в чашках Петри при комнатной температуре (23 °С) в течение 8 суток. В процессе прорастания семян и роста проростков на 2, 4, 6 и 8-й день измеряли длину корней и надземной части пшеницы и ржи. Всхожесть семян определяли в процентах. Опыты проводили в 3-кратной повторности по 50 семян в каждом варианте опыта. Достоверность результатов оценивали с помощью t-критерия Стьюдента, а для их статистической обработки использовали компьютерную программу ORIGIN 4.1. Сравнение скорости прорастания семян и роста проростков опытных и контрольных растений использовали в качестве показателя биологического действия экзогенных пектинов на первых стадиях онтогенеза злаков.
Обсуждение результатов
Для определения оптимальной концентрации водных растворов пектинов, обусловливающих наибольшее рост-стимулирующее действие, нами была проведена обработка семян водными растворами различных пектинов в концентрациях от 0,0002 до 0,2% и показано, что 0,002% водные растворы пектинов являются оптимальными для обработки семян перед посевом.
Нами установлено, что в данной концентрации водные растворы всех испытанных пектинов оказывают позитивное влияние на всхожесть, скорость прорастания семян, рост корней и проростков пшеницы и ржи (табл. 1, 2).
Ранее в Институте физиологии Коми НЦ УрО РАН было установлено химическое строение лемнана [11], силенана [12] и комарумана [13], получены предварительные сведения о структуре остальных изучаемых пектинов. Использованные нами пектины заметно различаются в строении их макромолекул. Лемнан относится к типу апиогалактуронановых пектинов: к основной углеводной цепи а-1,4-Б-галактуронана с включенными в нее в небольшом количестве остатками а-1,2-связанной L-рамнопиранозы присоединяются боковые цепи из одиночных и 1,5-связанных остатков D-апиозы [10, 11]. Силенан [12, 14] и по предварительным данным потамогетан относятся к типу рамногалактуронана I (RG-I) [15] с высоким содержанием боковых цепей, построенных из разветвленных фрагментов макромолекулы: арабинана, галактана и арабиногалактана. ГАГ [14], являющийся промежуточным продуктом биосинтеза силенана в каллусной культуре, по своему строению также относят к типу RG-I. По предварительным данным, макромолекула бергенана представляет собой а-1,4^-галактуронан, отдельные участки которого связываются друг с другом через остатки L-рамнопиранозы, включенные в углеводную цепь а-1,2-связями. Своеобразием комарумана [13] является наличие разветвления в основной углеводной цепи галактуронана, так что боковые цепи представлены также фрагментами галактуронана, присоединенными к остаткам D-галактуроновой кислоты кора.
Обработка семян указанными пектинами повышает всхожесть семян пшеницы на 16-23% (табл. 1), ржи - на 18-25% (табл. 2), а также увеличивает скорость роста их корней и проростков.
Как видно из таблиц 1 и 2, на всхожесть семян пшеницы и ржи все пектиновые полисахариды оказывают примерно одинаковое действие, вероятно, играя роль олигосахаринов благодаря наличию галактуро-нана в углеводной цепи макромолекул.
На скорость роста проростков пшеницы (табл. 1) примерно в одинаковой степени влияют (8 сут): лем-нан, силенан на 43% и потамогетан - на 39% выше по сравнению с контролем.
На скорость роста проростков ржи (табл. 2) активно влияют (8 сут): силенан на 55%, лемнан - на 50%, комаруман - на 37% выше по сравнению с контролем.
Таблица 1. Влияние экзогенных пектинов на всхожесть и скорость прорастания семян Triticum aestivum Ь.
Пектин Всхожесть семян, % Средняя длина корня, мм Средняя длина проростка, мм
2 сут. 4 сут. б сут. В сут. 2 сут. 4 сут. б сут. В сут.
Лемнан 95 11±5 27±В 74±10 95±12* 2±1 5±1 35±5 б0±9*
Потамогетан 95 9±4 23±9 бВ±13 В3±15 2±2 3±1 30±4 5В±б
Комаруман 90 10±5 25±7 бВ±9 В0±15 2±1 4±1 29±5 50±б
Бергенан 88 7±4 23±7 б5±11 В2±1б + 2±1 29±4 49±7
Силенан 95 9±4 25±В 72±10 93±15* 1±1 5±2 32±5 б0±7*
ГАГ** 90 7±4 24±В б7±11 В2±17 - 4±2 30±4 4В±б
Яблочный пектин 80 б±4 22±В 5В±11 75±1В - 2±2 29±б 44±В
Контроль 72 б±5 20±10 55±15 бВ±1В - 2±2 2В±5 42±В
+ Роста нет. * Достоверное влияние (P<0,05). ** ГАГ - галактуроноарабиногалактан.
Таблица 2. Влияние экзогенных пектинов на ранние стадии онтогенеза Secale cereale Ь.
Пектин Всхожесть семян, % Средняя длина корня, мм Средняя длина проростка, мм
2 сут. 4 сут. б сут. В сут. 2 сут. 4 сут. б сут. В сут.
Лемнан 95 7±4 25±б 70±В В3±В* 1±1 4±1 3В±7 57±5*
Потамогетан 95 б±3 22±5 бВ±9 77±В 1±1 3±1 29±5 47±4
Комаруман 90 5±3 24±7 б5±9 7В±11 1±1 4±1 27±5 52±7*
Бергенан 88 5±4 23±7 б5±В В0±9 + 2±1 30±б 4В±4
Силенан 95 7±4 2б±5 б9±10 В3±12* 1±1 4±2 37±В 59±б*
ГАГ** 90 7±4 22±б б1±10 73±10 - 2±2 25±7 4б±7
Яблочный пектин 80 б±4 22±б 51±В б5±12 - 1±1 22±5 42±В
Контроль 70 4±3 15±7 4В±9 б0±12 - 1±1 20±4 3В±7
+,* ,** См. примечание к таблице 1.
На скорость роста корневой системы пшеницы и ржи значительно влияют два пектина: лемнан и силе-нан (табл. 1 и 2). Можно полагать, что для влияния на рост корневой системы важным является разветв-ленность макромолекулы пектиновых полисахаридов: имеющие наибольшее число боковых цепей лемнан и силенан оказывают самое сильное влияние. Близкие к линейным полисахаридам бергенан и ГАГ обусловливают наименьший рост корневой системы пшеницы и ржи. Комаруман, характеризующийся своеобразием структуры главной углеводной цепи, по-разному действует на рост корневой системы пшеницы и ржи: сравнительно слабо влияет на пшеницу и значительно сильнее - на корневую систему ржи.
Показана также рост-стимулирующая активность 0,002% раствора яблочного пектина на всхожесть семян пшеницы и ржи (на 8 и 10% соответственно), скорость прорастания семян и рост корней (на 11 и 9%) и проростков (на 5 и 11%) выше по сравнению с контролем. Столь низкая активность яблочного пектина связана с тем, что используемый образец практически лишен боковых углеводных цепей, построенных из нейтральных моносахаридов.
Выводы
Показано, что экзогенные пектины оказывают стимулирующее влияние на всхожесть и скорость прорастания семян, рост корней и проростков Triticum aestivum L. и Secale cereale L., при этом вполне обоснованным представляется предположение о роли молекулярных размеров и разветвленности молекулы в отношении степени такого влияния.
Авторы выражают свое признание сотрудникам отдела молекулярной иммунологии и биотехнологии Института физиологии Коми НЦ УрО РАН к.х.н. Р.Г. Оводовой и к.б.н. Е.А. Гюнтер за любезно предоставленные образцы растительных полисахаридов.
Список литературы
1. Gould S.E., Rees D.A., Richardson N.G., Steel I.W. Pectic polysaccharides in the growth of plant cells: molecular structural factors and their role in the germination of white mustard // Nature. 1965. V. 208. P. 876-882.
2. Francis D., Sorrell D.A. The interface between the cell cycle and plant growth regulators: a mini review // Plant Growth Regulation. 2001. V. 33. P. 1-12.
3. Stoddart R.W., Barrett A.J., Northcote D.H. Pectic polysaccharides of growing plant tissues // Biochem. J. 1967. V. 102. P. 194-204.
4. Ridley B.L., O'Neill M.A., Mohnen D. Pectins: structure, biosynthesis, and oligogalacturonide-related signaling // Phytochemistry. 2000. V. 57, P. 929-967.
5. Darvill A., Augur C., Bergmann C., Carlson R.W., Cheong J.J., Eberhard S., Hahn M.G., Lo V.M., Marfa V., Meyer B., et al. Oligosaccharins-oligosaccharides that regulate growth, development and defence responses in plants // Glycobiology. 1992. V. 2. №3. P. 181-198.
6. Aldington S., Fry S.C. Oligosaccharins // Adv. Bot. Res. 1993. V. 19. P. 2-101.
7. Кораблева Н.П., Платонова Т.А. Биохимические аспекты гормональной регуляции покоя и иммунитета растений: (Обзор) // Прикл. биохим. микробиол. 1995. Т. 31. №1. С. 103-114.
8. Елькина Е.А., Шубаков А.А., Оводов Ю.С. Влияние растительных полисахаридов на скорость прорастания семян Lycopersicon esculentum M. и Cucumis sativus L. // Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 105-109.
9. Оводова Р.Г., Бушнева О.А., Шашков А.С., Оводов Ю.С. Выделение и предварительное исследование строения полисахаридов из смолевки обыкновенной Silene vulgaris // Биоорган. химия. 2000. Т. 26. №9. С. 686-692.
10. Оводова Р.Г., Головченко В.В., Шашков А.С., Попов С.В., Оводов Ю.С. Структурные исследования и физиологическая активность лемнана - пектина из Lemna minor // Биоорган. химия. 2000. Т. 26. №10. С. 743-751.
11. Golovchenko V.V., Ovodova R.G., Shashkov A.S., Ovodov Yu.S. Structural studies of the pectic polysaccharide from duckweed Lemna minor L. // Phytochemistry. 2002. V. 60. P. 89-97.
12. Бушнева О.А., Оводова Р.Г., Шашков А.С., Чижов А.О., Оводов Ю.С. Строение силенана, пектина из смолевки обыкновенной Silene vulgaris (Moench) Garcke // Биохимия. 2003. Т. 69. Вып. 12. С. 1687-1696.
13. Оводова Р.Г., Бушнева О.А., Шашков А.С., Чижов А.О., Оводов Ю.С. Структурное изучение пектина сабельника болотного Comarumpalustre L.// Биохимия. 2005. Т. 70. Вып. 8. С. 1051-1062.
14. Гюнтер Е.А., Оводов Ю. С. Продуцирование полисахаридов каллусной культурой Silene vulgaris в зависимости от углеводов среды // Биохимия. 2003. Т. 68. Вып. 8. С. 1079-1087.
15. O'Neill M.A., Albersheim P., Darvil A.G. The pectic polysaccharides of primary cell walls // Meth. Plant. Biochem. V.2 (Day P.M., Ed.). Lnd.: Acad. Press. 1990. P. 415-441.
Поступило в редакцию 12 октября 2005 г.
