Влияние погодных условий выращивания на биохимический состав семян и морфологические показатели дикорастущей сои Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Вестник ДВО РАН. 2011. № 4

УДК 577.15(571.61)

Л.Е.ИВАЧЕНКО, О.А.СЕЛИХОВА, А.Я.АЛА, В.С.АЛА

Влияние погодных условий выращивания на биохимический состав семян и морфологические показатели дикорастущей сои

Анализируется влияние погодных условий выращивания шести линий дикорастущей сои на ее хозяйственно ценные признаки и биохимический состав. Установлено, что увеличение количества осадков, как и повышение температуры воздуха, вызывает рост активности ферментов основных метаболических путей. Вследствие этого увеличивается адаптивный потенциал растений, что в свою очередь улучшает качество их семян.

Ключевые слова: дикорастущая соя, погодные условия, высшие жирные кислоты, ферменты, адаптация.

Influence of weather conditions cultivation on morphological parameters and biochemical structure of wild soya. L.E.IVACHENKO (The Blagoveshchensk State Pedagogical University), O.A.SELIHOVA (Far East State Agrarian University, Blagoveshchensk), A.J.ALA, V.S.ALA (All-Russia Scientific Research Institute of Soya, Blagoveshchensk).

Influence of weather conditions of cultivation of six lines of a wild soya on economic-valuable attributes and biochemical structure of its seeds is investigated. It is established that the increase of quantity of deposits, as well as air temperature cause an increase of activity of enzymes of the basic metabolic ways. Thereof the adaptive potential ofplants is increased, that, in turn, improves quality of its seeds.

Key words: wild soya, weather conditions, high fat acids, enzymes, adaptation.

Соя - экономически выгодная ведущая техническая культура на Дальнем Востоке России - основном ее производителе в стране [14]. Сегодня территории ее выращивания продвигаются на север, следовательно, встает проблема ее акклиматизации и более глубокого изучения эколого-биохимических механизмов устойчивости и продуктивности в различных условиях произрастания. Сотрудниками лаборатории генетики и биотехнологии ВНИИ сои было установлено, что у культурных сортов из-за роста доли рецессивных генов теряется адаптивный потенциал, т.е. это увеличение напрямую влияет на урожайность. Для усиления полезных свойств возделываемых сортов сои селекционеры используют гены ее дикорастущих форм Glycine soja Siebold et Zucc. У дикорастущей сои как морфологические, так и хозяйственно ценные признаки кодируются, как правило, доминантными генами, поэтому она обладает оптимальным адаптивным потенциалом [5].

Дикорастущая соя, которая, возможно, является предком описанной в 1927 г. Б.В.Скворцовым культурной сои (Glycine max (L.) Merr.) [13], относится к числу растений, внутривидовая неоднородность семян которых недостаточно исследована. Анализ различных гипотез происхождения позволяет предположить, что культурная соя имеет наиболее близкое генетическое родство с дикорастущей уссурийской [1].

*ИВАЧЕНКО Любовь Егоровна - кандидат биологических наук, доцент (Благовещенский государственный педагогический университет), СЕЛИХОВА Ольга Александровна - кандидат сельскохозяйственных наук, директор Института агрономии и экологии (Дальневосточный государственный аграрный университет, Благовещенск), АЛА Александр Янович - доктор сельскохозяйственных наук, руководитель Селекционного центра, АЛА Валентина Степановна - кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник (ВНИИ сои РАСХН, Благовещенск). *Е-шай: [email protected]

На протяжении ряда лет в лаборатории генетики и биотехнологии ВНИИ сои изучаются дикорастущие формы сои, интродуцированные из различных регионов Амурской области. В настоящее время создана генетическая коллекция, которая насчитывает более 1300 форм дикорастущей сои. Достаточно подробно изучена изменчивость основных биологических, морфологических и хозяйственно ценных ее свойств [5]. При анализе морфологических признаков, включая форму, размеры листовых пластинок и семян (цвет которых также учитывался), была выявлена вариабельность исследуемых образцов в пределах вида. Изменения затрагивали форму (от удлиненной до округло-овальной) и размеры (от крупных до мелких) листовых пластинок. Окраска семян варьировала от светло-коричневой до темно-бурой [3].

В настоящее время на Дальнем Востоке России дикорастущую сою широко используют в качестве исходного материала для введения в культуру доминантных генов (детерминирующих, как правило, такие свойства растения, как экологическая пластичность, высокий гомеостаз, устойчивость к болезням и вредителям), а также генов, контролирующих содержание белка, спелость, урожайность с одного растения [2, 4, 5].

Показателем устойчивости сорта может служить ферментная система, включающая каталазу и пероксидазу: роль, которую они (обладая антипатогенными свойствами по отношению к вирусам и бактериям, холодовым стрессам, а также к различным загрязнителям окружающей среды) играют в системе иммунной защиты растений, хорошо известна. Ферменты амилазного и эстеразного комплексов, а также кислая фосфатаза являются важнейшими для основных метаболических путей живых систем. Однако вопросам изучения удельной активности и множественных форм ферментов дикорастущей сои уделяется недостаточно внимания.

Цель статьи - определение влияния погодных условий на хозяйственно ценные признаки, биохимический состав и энзиматическую активность дикорастущей сои.

Для более точной оценки исходного материала культурной сои мы проанализировали различные линии дикорастущей сои (Амурская область), установили направление биохимической адаптации, используя показатели морфометрических и биохимических тестов в зависимости от влияния комплекса климатических факторов. Изучение большого количества исходного материала выполнено в лаборатории молекулярной биологии Благовещенского государственного университета. Статистическая обработка полученных данных коллекции сои различного филогенетического происхождения потребовала длительного времени.

В данной работе представлены материалы исследований шести образцов дикорастущей сои (Glycine soja Siebold et Zucc.) трех агроклиматических зон Амурской области (КА - Архаринский район, юг, КБ - Белогорский район, центр, КЗ - Зейский район, север). Сою выращивали в 2000-2002 гг. на опытном поле ВНИИ сои в пос. Садовый Тамбовского района Амурской области.

Для определения биохимических показателей мы использовали следующие методы: хроматография (белок, масло и их качественный состав исследовались на ИК-сканере Nir-42 во ВНИИ сои), фотоколориметрический (активность кислой фосфатазы, перок-сидазы, амилазного и эстеразного комплексов), газометрический (активность каталазы), биуретовый (содержание белка) [8]. Биохимические исследования выполняли в двух биологических и трех аналитических повторностях в лаборатории молекулярной биологии Благовещенского государственного педагогического университета.

Вегетационные периоды по годам исследований имели некоторые отличия от сред-немноголетних по температуре и количеству осадков (рис. 1). В 2000 г. стояла жаркая погода, сумма активных температур была на 13% выше нормы. Жаркими выдались июнь, август и сентябрь. Только в июле преобладала прохладная погода с обильными осадками (на 18% выше нормы). Позднее наступление заморозков позволило растениям сформировать физиологически зрелые семена. 2001 г. по температурным условиям соответствовал среднемноголетним данным, но дефицит влаги в течение вегетации был основным

Рис. 1. Сумма активных температур, средняя температура воздуха и количество осадков, 2000-2002 гг.

лимитирующим фактором для урожая. 2002 г. стал благоприятным для роста и развития сои по сравнению с предыдущими годами и соответствовал среднемноголетним данным.

Изучение линий сои в условиях культуры позволяет выявить среди них лучшие (по хозяйственно ценным и биологическим признакам), которые целесообразно использовать для селекции в качестве исходного материала. Сравнивая характеристики шести линий по хозяйственно ценным и морфологическим признакам (см. таблицу), мы установили, что высота растений значительно колебалась в зависимости от года выращивания. Наиболее высокорослые растения линий отмечены в 2001 г. Этот же год был благоприятным в отношении массы семян с одного растения (наибольшая - у линий из Архаринского района). Масса 1000 семян в исследуемые годы колебалась незначительно.

Известно, что содержание белка и масла в семенах культурной сои изменяется в зависимости от климатических условий [6]. Нами выявлено, что в семенах дикорастущей сои в самый засушливый вегетационный период (2002 г.) накопилось максимальное количество белка и минимальное - масла (см. таблицу), что соответствует ранее полученным данным [2].

Соевое масло содержит большое количество высших карбоновых кислот (их состав определяет стрессоустойчивость растений: чем больше ненасыщенных карбоновых кислот, тем выше приспособленность к низким температурам). В масле семян дикорастущей сои содержание этих кислот колеблется в довольно широких пределах (см. таблицу). В семенах культурной сои, как мы ранее установили, содержание олеиновой и линоленовой кислот различно по годам, зависит от погодных условий и территории выращивания [9].

Содержание олеиновой и линоленовой кислот в масле семян дикорастущей сои, выращенной в 2001 и 2002 гг., изменялось также в зависимости от условий: в 2001 г. показатель олеиновой кислоты в среднем на 2% выше, чем в 2002 г. (см. таблицу). Более значительные изменения по годам исследования выявлены для линоленовой кислоты: в 2001 г. ее было в 2 раза больше, чем в 2002 г. Таким образом, установлено, что содержание олеиновой и линоленовой кислот в семенах дикорастущей сои было значительно выше в засушливом 2001 г., что, как и в случае культурной сои, видимо, связано с процессом адаптации к условиям выращивания.

Следует отметить стабильные показатели по хозяйственно ценным признакам за три года исследований для КБ-49 и КБ-104.

При отборе сортов сои для выращивания в определенных условиях мы выбирали материал с потенциально высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам среды [12], тестирование такой устойчивости основывалось на определении активности ферментов [10; 11, ч. 1, 6]. В течение трех лет исследования активность пероксидазы увеличивалась, в то время как каталазы - снижалась (рис. 2А, Б), что соотносится с ранее установленными данными об обратной зависимости активности этих ферментов в семенах культурной сои [7].

Биохимический состав семян и морфологические показатели форм дикорастущей сои, 2000/2001/2002 гг.

Происхождение Белок, % Масло, % Олеиновая кислота, % Линоленовая кислота, % Число семян с одного растения, шт. Масса семян с одного растения, г Масса 1000 семян, г Высота растения, см Вегетационный период, дни

КА-1344 47,5/45,3/49,2 10,2/11,0/9,3 -/13,0/15,9 -/15,9/8,3 766/1150/964 24,5/34,5/24,1 32/30/30 97/124/108 97/95/98

КА-1388 49,0/45,7/52,3 10,4/11,6/9,2 -/14,7/15,9 -/15,9/7,5 750/1400/666 25,5/40,6/19,3 34/29/29 103/13/596 98/96/100

КБ-49 49,3/49,3/49,4 10,1/10,3/10,0 -/18,2/14,0 -/17,8/8,4 482/945/924 16,4/27,4/26,8 34/29/29 100/123/109 96/94/99

КБ-104 49,7/48,1/51,3 10,2/11,3/9,1 -/17,5/15,7 -/16,5/6,3 559/1097/730 18,9/34,0/21,9 34/31/30 98/111/110 93/93/93

КЭ-6316 48,0/46,0/49,9 10,6/12,0/9,1 -/19,5/12,9 -/15,6/6,1 548/1153/662 18,1/34,6/19,2 33/30/29 101/105/102 91/92/90

КЭ-6359 50,0/50,1/50,3 10,0/10,1/10,0 -/15,2/13,5 -/17,5/6,0 545/670/813 15,8/30,1/24,4 29/30/30 85/110/104 98/98/98

Примечание. Прочерк - нет данных.

Скорость биохимических процессов, протекающих в семенах сои, зависит от активности ферментов гидролитического комплекса [11, ч. 2, 3, 8]. Активность кислой фосфатазы, эстеразного и амилазного комплексов по годам исследования различалась в меньшей степени, чем оксидоредуктазы. Значительные различия зафиксированы только для эстеразного комплекса (рис. 2В): наименьшая его активность отмечена в самом благоприятном 2002 г., а наибольшая - в жарком 2000 г. Незначительные изменения удельной активности фермента выявлены во всех исследуемых образцах в условиях 2002 г.

К основным амилолитическим ферментам, составляющим амилазный комплекс, относят а- и Р-амилазу, глюкоамилазу, олиго-1,6-глюкозидазу, которые участвуют в гидролизе крахмала. В семенах, выращенных в жарком 2000 г., удельная активность ами-лазного комплекса была самой высокой для всех исследуемых форм дикорастущей сои (рис. 2Г), в последующие два года ее значительно снизившаяся активность оставалась на одном уровне.

Нами отмечена повышенная активность фермента фосфатазы в семенах дикорастущей сои, выращенных в сложных погодных условиях 2000 г. (рис. 2Д).

Примерно одинаковая невысокая активность кислой фосфатазы и амилазного комплекса обнаружена в семенах сои 2001 и 2002 гг., что, видимо, связано с недостатком осадков в период созревания семян.

Установлены соответствия средних значений удельной активности всех исследуемых ферментов соответствующим показаниям для семян растений линий дикорастущей сои КБ-49 и КБ-104 по годам исследования.

Таким образом, выявлены значительные изменения удельной активности исследуемых ферментов в семенах дикорастущей сои в зависимости от метеорологических условий выращивания. Следует отметить очень низкую активность пероксидазы и самую высокую - каталазы, кислой фосфатазы, амилазного и эстеразного комплексов в 2000 г., когда в течение вегетационного периода стояла жаркая погода. В 2001 г. по сравнению с 2000 г. удельная активность пероксидазы значительно повысилась, а активность остальных ферментов снизилась. В 2002 г. самой высокой была удельная активность пероксидазы, а активность каталазы, амилазного и эстеразного комплексов - низкой. За годы исследований установлена обратная зависимость между удельной активностью пероксидазы и каталазы. В 2001-2002 гг. не выявлены различия по удельной активности амилазного комплекса и кислой фосфатазы, что, очевидно, объясняется сходными условиями этих лет в течение вегетационного периода по сумме активных температур, которая незначительно отличалась от среднемноголетних данных.

Проведенные морфологические и биохимические исследования выявили стабильность линий дикорастущей сои КБ-49 и КБ-104, полученных из Белогорского района, которые можно рекомендовать селекционерам для выведения новых устойчивых сортов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ала А.Я., Ала В.С., Кашуба Л.К. Дикая соя как исходный материал для селекции // Проблемы возделывания сои на Дальнем Востоке России: сб. науч. тр. РАСХН. Благовещенск: ДВ НМЦ РАСХН ВНИИ сои, 1999. С. 74-78.

2. Ала А.Я. Изучение и использование генофонда культурной и дикой сои в селекции: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук. Пос. Тимирязевский: ДВ НМЦ РАСХН, Приморский НИИСХ, 2002. 49 с.

3. Ала А.Я. Отбор по крупности семян у сои // Генетика количественных признаков сои. 1976. № 5. С. 25-30.

4. Ала А.Я. Повышение адаптивного потенциала селекции сои // Пути повышения продуктивности полевых культур на Дальнем Востоке: сб. науч. тр. Ч. 1. Благовещенск: ДВ НМЦ РАСХН ВНИИ сои, 2004. С. 88-93.

5. Ала А.Я., Ала В.С., Тучкова Т.П., Ван Лан. Характеристика генофонда дикой и культурной сои рода Glycine Willd. // Состояние и перспективы научного обеспечения АПК Дальнего Востока: сб. науч. тр. Благовещенск: ДВ НМЦ РАСХН ВНИИ сои, 2009. С. 65-71.

6. Ефимова Г.П. Адаптивные особенности урожайных, посевных и технологических качеств сортов сои в экологических условиях Приамурья: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук. Хабаровск, 1999. 22 с.

7. Иваченко Л.Е., Селихова О.А., Тихончук П.В., Гинс В.К. Влияние условий выращивания сои на антиоксидантную систему ее семян // Вестн. РАСХН. 2004. № 4. С. 55-57.

8. Иваченко Л.Е., Кашина В.А., Маскальцова Е.С. и др. Методы изучения полиморфизма ферментов сои. Благовещенск: Изд-во БГПУ, 2008. 142 с.

9. Иваченко Л.Е., Ефимова Г.П., Гинс М.С., Або-Хегазин С.Р.Е. Сравнительный биохимический состав семян сои, выращенных в Амурской и Московской областях // Вестн. РАСХН. 2006. № 6. С. 47-49.

10. Иваченко Л.Е. Ферменты сои. Благовещенск: Изд-во БГПУ, 2010. 214 с.

11. Проблемы экологии Верхнего Приамурья: сб. науч. тр. / под общ. ред. Л.Г.Колесниковой. Благовещенск: Изд-во БГПУ, 1995. Вып. 2, ч. 1. С. 5-15; ч. 2. С. 16-25; ч. 3. С. 26-33; 1997. Вып. 3, ч. 6. С. 104-108; 2002. Вып. 5, ч. 8. С. 147-155.

12. Селихова О.А., Тихончук П.В. Исходный материал для адаптивной селекции сои: методические рекомендации. Благовещенск: Изд-во ДальГАУ, 2003. 45 с.

13. Скворцов Б.В. Дикая и культурная соя Восточной Азии. Харбин: О-во изучения Маньчжурского края, 1927. 25 с.

14. Шелепа А.С., Ким Л.В., Огородников А.А. и др. Прогноз развития сельского хозяйства на Дальнем Востоке на 2015-2020 гг. Хабаровск: РИЦ ХГАЭП, 2011. 124 с.

Новые книги

Черешнев И.А., Поезжалова-Чегодаева Е.А. Систематика и биология бельдюг рода Zoarces (Zoarcidae, Pisces) северной части Охотского моря.

Chereshnev ГА., Poezzhalova-Chegodaeva Е.А. Systematics and biology of Zoarces eel-pouts (Zoarcidae, Pisces) from the northern Sea of Okhotsk.

Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2011. - 184 с. - ISBN 978-5-94729-112-4.

Северо-Восточный научный центр ДВО РАН

685000, Магадан, ул. Портовая, 16

Fax: (4132) 63-04-42. E-mail: [email protected]

Приведены результаты изучения фауны, систематики и биологии бельдюг рода Zoarces (Zoarcidae, Perciformes) северной части Охотского моря - бельдюги Федорова (Z. fedorovi), бельдюги Андрияшева (Z. andriashevi) и восточной бельдюги (Z. elongatus). Комплексное сравнительно-морфологическое и молекулярно-генетическое (анализ изменчивости мтДНК) изучение североохотоморских и остальных видов рода Zoarces мировой фауны (Z. viviparus, Z. americanus и Z. gillii) показало различный уровень дивергенции видовых таксонов и наличие нескольких филогенетических линий, заселивших разные районы ареала рода. Впервые проведен анализ развития пигментации и скелета бельдюги Федорова в раннем онтогенезе в сравнении с европейской бельдюгой Z. viviparus. Описаны особенности распространения, сезонного и биотопического распределения, структура популяций, характер роста, созревания, размножения (живорождение), питания североохотоморских бельдюг. Обнаружены видоспецифичные черты в образе жизни и биологических параметрах видов. Составлены определительные таблицы бельдюг из района исследований, а также в целом мировой фауны рода Zoarces.

Адресована ихтиологам, биогeoграфам, генетикам, студентам и преподавателям биологических и географических факультетов университетов, любителям рыбной ловли и краеведам.