CC BY
77
УДК 633.11 «321»
ВЛИЯНИЕ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ РЕГУЛЯТОРАМИ РОСТА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОРАСТАНИИ И ПОСЕВНЫЕ КАЧЕСТВА СЕМЯН ПШЕНИЦЫ И ЯЧМЕНЯ
Г. А. Карпова, доктор с.-х. наук, доцент
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Россия, т. 8(412)54-85-16, email: [email protected]
Л. В. Карпова, доктор с.-х. наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА», Россия, т. (8412) 628373, email: [email protected]
Рассмотрены вопросы формирования физиолого-биохимических процессов при прорастании и посевных качеств семян яровой мягкой пшеницы сорта Нива 2 и ячменя сорта Ну-танс 642. Показано, что предпосевная обработка семян пшеницы и ячменя регуляторами роста различного спектра действия оказывает положительное влияние на их посевные качества, что способствует в дальнейшем формированию оптимальной плотности агроцено-зов данных культур. Под действием мелафена, пектина и пирафена происходит увеличение активности амилолитических ферментов в течение всего периода измерений относительно контрольных данных. Синхронность происходящих процессов указывает на сохранение общей метаболической направленности в семенах. Увеличение активности каталазы в семенах пшеницы и ячменя свидетельствует также о высокой интенсивности обменных процессов на первых этапах развития растений.
Ключевые слова: мелафен, пирафен, пектин, суммарная активность амилаз, активность каталазы, яровая мягкая пшеница, ячмень.
Введение. Качество семян является важнейшим фактором повышения урожайности всех сельскохозяйственных культур [1]. Эффективность процессов, характеризующих начальные фазы прорастания, в значительной мере определяет состояние формирующихся проростков, что находит свое отражение в показателях посевных качеств семян. Особенности процесса прорастания и начальные этапы онтогенеза являются критическим периодом в жизни растительного организма, во многом обеспечивающим выживаемость того или иного вида.
При поступлении воды в семя одним из первых проявлений метаболической активности является гидролитическая активность. В период набухания завершается активация гидролиза за счет предсущест-вовавших гидролитических ферментов. Синтез de novo многих гидролаз происходит благодаря активации механизма синтеза белка и сопутствующего окислительного метаболизма.
При распаде углеводов в организме идет высвобождение энергии, которая запасается в макроэргических связях АТФ. Кроме того, углеводы являются источником большого числа органических соединений, которые служат исходными продуктами для биосинтеза липидов, белков и нуклеи-
новых кислот, необходимых для активного роста и развития зародыша семени [2].
Первичная активизация метаболических процессов в прорастающих семенах обусловлена также интенсификацией дыхания, сопряженного с окислительно-восстановительными реакциями растительного организма. К реакциям свободного окисления относятся все реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием Н2О2, а также многие реакции, катализируемые оксидазами [3]. Согласно современным представлениям ка-талаза играет ведущую роль, регулируя окислительный режим в организме, и её активность может рассматриваться в качестве меры интенсивности и продуктивности общего метаболизма [4].
Таким образом, предпосевная обработка семян регуляторами роста может определить состояние начального развития растений и возможность управления формированием элементов продуктивности.
Методика исследований.
Объекты исследований - яровая пшеница мягкая сорта Нива 2, ячмень сорта Нутанс 642. В качестве регуляторов роста испытывали препараты мелафен, пирафен, пектин. Концентрации растворов следующие: мелафен - 110-7 %; пирафен -110-7 %; пектин - 510-2 %.
□ Контроль (обработка семян водой) НМелафен 1x10-7%
0 Пирафен 1x10-7 % ■ Пектин 5х 10-2 %
Рис. 1. Суммарная активность а- и в- амилаз в семенах яровой мягкой пшеницы при прорастании, мг гидролизованного крахмала за 1 час/1 г сухого вещества зерновки
□ Контроль (обработка семян водой) 0 Мелафен - 1-10-7%
0 Пирафен - 1-10-7 % ■ Пектин - 5-10-2 %
Рис. 2. Суммарная активность а- и в-амилаз в семенах ячменя при прорастании, мг гидролизованного крахмала за 1 час/1 г сухого вещества зерновки
В лабораторных исследованиях, проведенных на кафедре ботаники, физиологии и биохимии растений ПГУ, изучали активность гидролитических ферментов (амилазы) по Б. П. Плешкову [5]. Метод основан на извлечении амилаз из семян раствором хлористого натрия и инкубации полученно-
го ферментного раствора со стандартным раствором крахмала в течение заданного промежутка времени. Активность амилазы выражали в миллиграммах гидролизован-ного крахмала за 1 ч одним миллилитром ферментного раствора. Активность катала-зы определяли методом А. Н. Баха и
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 33
А. И.Опарина по количеству перекиси водорода, разложившейся под действием фермента. В реакционную смесь вносили избыток 0,1 н. раствора перекиси водорода. В контрольном образце каталазу инак-тивировали серной кислотой. Количество разложившейся под действием фермента перекиси водорода находили по разности между опытным и контрольным титрованием. Активность каталазы выражали в микромолях перекиси водорода, разложившейся под действием фермента за 1 мин., в расчете на 1 г свежего растительного материала. Энергию прорастания и лабораторную всхожесть определяли по ГОСТ 12038-84.
Результаты исследований.
Исследования, проведенные на пшенице и ячмене с использованием мелафе-на, пирафена и пектина показали, что суммарная активность амилаз при прорастании семян имела тенденцию к повышению в течение 72 часов измерений (рис. 1, 2). Обработка пектином вызывала увеличение изучаемого показателя на 20,9...34,1 % у семян пшеницы и на 20,6.42,8 % у ячменя. Наибольшая стимуляция активности амилолитических ферментов при этом отмечалась через 24 часа. Активные сахара, находящиеся в пектине, могут напрямую регулировать активность ферментов, выступая не как сигнальные молекулы, запускающие каскад последующих реакций, а как регуляторы элементарного звена биологической реакции [6].
Наибольший эффект от обработки по изучаемым культурам отмечался в вариантах с мелафеном. Превышение контрольных данных составляло 19,2.48,2 % на пшенице и 24,9.53,5 % на ячмене. Пира-фен в меньшей степени активизировал суммарную деятельность а- и ß-амилаз, но и в данном варианте показатели были выше контроля на 6,6.20,9 % на семенах пшеницы и на 11,4.31,0 % на семенах ячменя. Увеличение активности амилолити-ческих ферментов под действием мелафе-на на различных культурах неоднократно отмечалось в работах В. А. Исайчева, Ф. А. Му-дарисова, Н. Н. Андреева, В. И. Костина и др. [7-10].
В целом на обеих культурах с применением мелафена, пирафена и пектина был отмечен следующий характер воздействия изучаемых препаратов: максимальная активация амилолитических ферментов наблюдалась через 24 часа, затем, несмотря на общее увеличение суммарной активности а- и ß-амилаз, стимулирующий эффект снижался, хотя и оставался значи-
тельным. Через трое суток превышение контрольных данных по пшенице и ячменю составляло 6,6.24,9 %.
При изучении в динамике изменения суммарной активности амилаз на семенах пшеницы и ячменя с использованиеми природных и синтетических регуляторов роста было отмечено увеличение амило-литической активности в течение 72 часов наблюдений. Активизация ферментов происходит синхронно по всем вариантам, включая контроль по каждой культуре. Так, через 48 часов количество гидролизован-ного крахмала в семенах пшеницы и ячменя возросло в 2,0.2,2 раза, через 72 часа данный показатель увеличился в 2,3.2,4 раза. Затем активность ферментов снижается по всем вариантам опыта, что может быть связано как с уменьшением количества субстрата, так и инактивацией ферментов путем ингибирования конечными продуктами реакции.
В целом в результате проведенных исследований было установлено, что под действием регуляторов роста происходит увеличение активности амилолитических ферментов в течение всего периода измерений относительно контрольных данных.
В результате проведенных исследований на семенах пшеницы и ячменя было зафиксировано повышение активности ка-талазы в вариантах с использованием регуляторов роста (рис. 3, 4). Максимальный стимулирующий эффект от обработки наблюдался через 24 часа по всем вариантам опыта на обеих культурах. Превышение контрольных данных на яровой пшенице составило 31,2.49,9 %, на ячмене -30,1.54,7 %. Затем через 48 часов отмечалось снижение степени воздействия регуляторов роста. Превышение контрольных данных на обеих культурах составляло 9,8.14,0 % (пшеница) и 9,1.13,0 % (ячмень). В последующие сутки эффект от обработки сохранялся практически на достигнутом уровне. Несмотря на разницу абсолютных значений активности фермента стимулирующее воздействие по всем вариантам носило сходный характер. Максимальные значения отмечались в вариантах с мела-феном, что в целом согласуется с данными по степени набухания и активности гидролитических ферментов, представленных ранее. В течение всего периода измерений данный препарат увеличивал активность каталазы семян пшеницы на 14.49,9 %, семян ячменя - на 14,1. 54,7 %. Вторым по степени воздействия на пшенице был пирафен. Однако через 72 часа значения активности каталазы в вариантах с пекти-
мкМоль
40 35 30 25 20 15 10 5 0
24
48
72
Часы
□ Контроль (обработка семян водой) И Мелафен 1х10-7%
□ Пирафен 1х10-7 % ■ Пектин 5х10-2 %
Рис. 3. Активность каталазы в семенах яровой мягкой пшеницы при прорастании, мкМоль разложившейся Н2О2 за 1 мин / 1 мл ферментного раствора
мкМоль
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
24
48
72
Часы
□ Контроль (обработка семян водой) И Мелафен - 1-10-7%
0 Пирафен - 1-10-7 % ■ Пектин - 5-10-2 %
Рис. 4. Активность каталазы в семенах ячменя при прорастании, мкМоль разложившейся Н2О2 за 1 мин/ 1мл ферментного раствора
ном и пирафеном были почти равными -37,96 и 37,29 мкМоль разложившейся Н2О2 за 1 мин/1 мл ферментативного раствора соответственно. На семенах ячменя в первые сутки пектин показал более высокие результаты, чем пирафен, но незначительно уступал данному регулятору по степени воздействия через 72 часа.
Ряд авторов указывает на снижение уровня продуктов перекисного окисления
липидов в мембранах митохондрий под действием мелафена [11], а также увеличение максимальной скорости окисления НАД-зависимых субстратов и экзогенного НАДН. Рост активности НАД-зависимых дегидрогеназ, вероятно, обеспечивает активацию окислительно-восстановительных реакций в клетке и возможное увеличение пероксида водорода, разлагаемого каталазой.
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 35
Посевные качества семян при обработке семян регуляторами роста
Энергия Всхожесть, % Сила роста
Вариант прорастания, % масса 100
% проростков, г
Яровая пшеница
Контроль (обработка семян водой) 78,4±1,08 83,4±0,68 67,0±1,41 10,21
Мелафен 1-10-7 % 86,4±0,87 94,8±1,32 80,8±1,24 12,11
Пирафен 1-10-7 % 81,4±1,21 87,0±1,30 72,2±1,50 10,77
Пектин 5-10"2 % 86,6±0,75 91,6±1,03 77,8±0,97 12,09
Ячмень
Контроль (обработка семян водой) 80,3±0,75 85,7±0,95 75,0±0,71 10,78
Мелафен 1-10-7 % 90,3±0,85 95,2±0,48 88,5±0,65 12,08
Пирафен 1-10-7 % 84,0±1,08 89,3±0,63 80,0±0,41 11,13
Пектин 5-10"2 % 87,3±0,85 91,9±0,82 85,3±1,11 11,80
В результате активации метаболических процессов на пшенице и ячмене при использовании мелафена, пирафена и пектина отмечено улучшение посевных качеств семян данных культур (таблица).
Энергия прорастания и лабораторная всхожесть достоверно увеличивались по сравнению с контролем во всех изучаемых вариантах. Наиболее высокие показатели наблюдались в вариантах с мелафеном. У семян пшеницы энергия прорастания и всхожесть возрастали на 8,0 и на 11,4 % соответственно, у семян ячменя - на 10,0 и на 9,5 %. Предпосевная обработка семян сельскохозяйственных культур мелафеном в чрезвычайно низких концентрациях (110-8...1-10-7 %) приводит к значительному повышению энергии прорастания и всхожести семян (на 5.25 %) [12].
В варианте с пирафеном показатели энергии прорастания и всхожести были ниже. Однако они достоверно превышали контрольные данные у семян пшеницы на 3,0 и на 3,6 % и у семян ячменя на 3,7 и на 3,5 % соответственно.
Посевные качества семян пшеницы и ячменя в вариантах с пектином по абсолютным значениям превосходили показатели, полученные при обработке семян пирафеном, но уступали значениям в вариантах с мелафеном. Так, энергия прорастания и лабораторная всхожесть семян пшеницы синхронно возрастали на 8,2 %, семян ячменя - на 7,0 и на 6,2 % соответственно. Стимулирующее действие пектина в используемой нами концентрации на посевные качества семян озимой и яровой пшеницы, гороха, сои показано в работах В. А. Исайчева и Е. Л. Хованской [13] и др. [14, 15].
Результаты корреляционно-регресси-
онного анализа показали функциональную зависимость между активностью амилоли-тических ферментов и лабораторной всхожестью семян: г = 0,93; уравнение регрессии у =35,0189+0,24576 х (пшеница); г = 0,92; уравнение регрессии у = 48,9 + 0,180 х (ячмень).
Отмечена также высокая зависимость лабораторной всхожести от активности фермента каталазы: на пшенице г = 0,84; уравнение регрессии у = 44,5438 + 1,19028 х; на ячмене г = 0,89; уравнение регрессии у = 19,5 + 0,854 х.
Выводы.
В целом в результате проведенных исследований было установлено, что под действием регуляторов роста происходит увеличение активности амилолитических ферментов в течение всего периода измерений относительно контрольных данных. Синхронность происходящих процессов указывает на сохранение общей метаболической направленности в семенах при повышении интенсивности гидролиза крахмала в вариантах с использованием регуляторов роста, что может иметь определенную экологическую значимость.
Увеличение активности каталазы в прорастающих семенах свидетельствует о высокой интенсивности обменных процессов на первых этапах развития растений.
Таким образом, предпосевная обработка семян пшеницы и ячменя регуляторами роста различного спектра действия вызывает активизацию физиолого-биохимиче-ских процессов при прорастании, что оказывает положительное влияние на их посевные качества и способствует в дальнейшем формированию оптимальной плотности агроценозов и повышению продуктивности данных культур.
Литература
1. Кошеляев, В. В. Влияние элементов технологии на урожай и посевные качества семян озимой пшеницы / В. В. Кошеляев, Л. В. Карпова // Нива Поволжья. - 2014. - № 4(33). - С. 6-65.
2. Обручева, Н. В. Запуск роста осевых органов и его подготовка при прорастании семян, находящихся в вынужденном покое. 2. Инициация «кислого» роста в осевых органах семян кормовых бобов / Н. В. Обручева, О. В. Антипова // Физиология растений. - 1994. - Т. 41, вып. 3. -С. 443-447.
3. Плешков, Б. П. Биохимия сельскохозяйственных растений / Б. П. Плешков. - М.: Агропром-издат, 1987. - 494 с.
4. Полевой, В. В. Физиология роста и развития растений / В. В. Полевой, Т. С. Саламатова. -Л.: ЛГУ, 1991. - 239 с.
5. Плешков, Б. П. Практикум по биохимии растений / Б. П. Плешков. - М.: Агропромиздат, 1985. - 255 с.
6. Обручева, Н. В. Физиология инициации прорастания семян / Н. В. Обручева, О. В. Антипова // Физиология растений. - 1997. - Т. 44, № 3. - С. 287-302.
7. Исайчев, В. А. Действие пектина и микроэлементов на физиолого-биохимические процессы сельскохозяйственных растений / В. А. Исайчев, В. В. Ермошкин // Молодые ученые - агропромышленному комплексу: материалы научно-практ. конф. - Ульяновск, 2001. - С. 17-19.
8. Исайчев, В. А. Экологические аспекты использования пектина и мелафена в качестве фи-торегуляторов в технологии возделывания озимой пшеницы / В. А. Исайчев, Ф. А. Мударисов // Экологические аспекты интенсификации сельскохозяйственного производства: материалы Международной научно-практ. конф. - Пенза, 2002. - С. 208-209.
9. Исайчев, В. А. Действие пектина, мелафена и микроэлементов на прорастание гороха / В. А. Исайчев, Н. Н. Андреев // Аграрная наука. - 2004. - № 2. - С. 38-41.
10. Костин, В. И. Теоретические основы предпосевной обработки семян различными физическими и химическими факторами / В. И. Костин // Энергосберегающие технологии в растениеводстве: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 3-10.
11. Фаттахов, С. Г. Меламиновая соль бис (оксиметил) фосфиновой кислоты (мелафен) как регулятор роста и развития растений нового поколения / С. Г. Фаттахов, В. С. Резник, А. И. Коновалов // Тез. 13-й Межд. конф. по химии соединений фосфора. - С.-Петербург, 2002. - С. 80.
12. Костин, В. И. Элементы минерального питания и росторегуляторы в онтогенезе сельскохозяйственных культур / В. И. Костин, В. А. Исайчев, О. В. Костин. - М.: Колос, 2006. - 290 с.
13. Исайчев, В. А. Действие пектина, мелафена и микроэлементов на прорастание гороха / В. А. Исайчев, Н. Н. Андреев // Аграрная наука. - 2004. - № 2. - С. 38-41.
14. Карпова, Г. А. Оптимизация продукционного процесса агрофитоценозов яровой пшеницы и ячменя при использовании регуляторов роста / Г. А. Карпова, М. Е. Миронова // Нива Поволжья. - 2009. - № 1(10). - С. 8-12.
15. Карпова, Г. А. Формирование элементов продуктивности агроценоза овса при использовании бактериальных препаратов и регуляторов роста / Г. А. Карпова, Д. Б. Кудряшов // Нива Поволжья. - 2010. - № 4(17). - С. 20-23.
UDK 633.11 «321»
THE INFLUENCE OF PRE-SOWING SOIL TREATMENT WITH GROWTH REGULATORS ON PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PROCESSES DURING GERMINATION AND SOWING SEED QUALITY OF WHEAT AND BARLEY
G. A Karpova, doctor of agricultural sciences, assistant professor
FSBEE HPT «Penza State University», Russia, t. 8 (412) 54-85-16, e-mail: [email protected]
L. V Karpova, doctor of agricultural sciences, professor FSBEE HPT «Penza SAA», Russia, t. (8412) 628373, e-mail: [email protected]
The article deals with physiological and biochemical processes during the germination and sowing seed qualities of spring wheat Niva 2 and barley Nutans 642. It was discovered that pre-sowing seed treatment of wheat and barley with different growth regulators has a positive impact on the quality of the crop, which leads to further formation of the optimal agrocoenosis density. Under the impact of me-laphen, pectin and pyrafen there is an increase of the activity of starch-splitting enzymes during the measurement period in comparison with control data.
Нива Поволжья № 2 (35) май 2015 37
Synchronicity of the running processes indicates the preserving of metabolic processes in all seeds. The increase of catalase activity in wheat and barley seeds also proves high intensity of metabolic processes during the early stages of plant development.
Keywords: melafen, pyrafen, pectin, total activity of amylase, catalase activity, spring wheat and barley.
References:
1. Koshelyayev, V. V. Influence of technological elements on yield and sowing seed quality of winter wheat / V.V. Koshelyayev, L. V. Karpova // Niva Povolzhya. - 2014. - № 4(33). - P. 6-65.
2. Obrucheva, N. V. Starting the growth of axial organs and its preparation in the germination of seeds, which were forced to dormance. 2. Initiation of "sour" growth in the axial organs of the seeds of fodder beans / N. V. Obrucheva, O.V. Antipova // Phisiology of plants. - 1994. - Vol. 41, issue 3. - P. 443-447.
3. Pleshkov, B. P. Biochemistry of agricultural plants / B. P. Pleshkov. - M.: Agropromizdat, 1987. -494 p.
4. Polevoy, V. V. Physiology of growth and development of plants / V. V. Polevoy, T. S. Salama-tova. - Leningrad: Leningrad state University, 1991. - 239 p.
5. Pleshkov, B. P. Practicum on the biochemistry of plants / B. P. Pleshkov. - M.: Agropromizdat, 1985. - 255 p.
6. Obrucheva, N. V. Physiology of the initiation of seed germination / N. V. Obrucheva, O.V. Anti-pova // Physiology of plants. - 1997. - Vol. 44, No. 3. - P. 287-302.
7. Isaychev, V. A. Effect of pectin and trace elements on physiological and biochemical processes of agricultural plants / V. A. Isaychev, V.V. Ermoshkin // Young scientists to the agricultural complex: materials of scientific-practical conference. - Ulyanovsk, 2001. - P. 17-19.
8. Isaychev, V. A. Ecological aspects of using pectin and melafen as phytoregulators in the technology of cultivation of winter wheat / V. A. Isaychev, F. A. Mudarisov // Ecological aspects of intensification of agricultural production: materials of International scientific-practical conference. - Penza, 2002. - P. 208-209.
9. Isaychev, V. A. Effect of pectin, melafen and micronutrients on germination of peas / V. A. Isaychev, N. N. Andreyev // Agrarnaya nauka. - 2004. - No. 2. - P. 38-41.
10. Kostin, V. I. Theoretical foundations of presowing seed treatment by of various physical and chemical factors / V. I. Kostin // Energy-saving technologies in crop production: collection of materials of All-Russian scientific-practical conference. - Penza: EPD PSAA, 2005. - P. 3-10.
11. Fattakhov, S. G. Melamine salt of bis (hydroxymethyl) of phosphinic acid (Melafen) as a growth regulator and development of new generation plants / S. G. Fattakhov, V. S. Reznik, A. I. Konovalov // thesis of the 13-th Int. conf. on chemistry of phosphorus compounds. - S.-Petersburg, 2002. - 80 p.
12. Kostin, V. I. Mineral nutrition elements and growth regulators in the ontogeny of crops / V. I. Kostin, V. A. Isaichev, O. V. Kostin. - M.: Kolos, 2006. - 290 p.
13. Isaichev, V. A. Effect of pectin, melafen and micronutrients on germination of peas / V. A. Isaichev, N. N. Andreyev // Agrarnaya nauka. - 2004. - No. 2. - P. 38-41.
14. Karpova, G. A. Optimization of the production process of agrophytocenoses of spring wheat and barley when using growth regulators / G. A. Karpova, M. Ye. Mironova // Niva Povolzhya. - 2009. - № 1(10). - P. 8-12.
15. Karpova, G. A. Formation of productivity elements of agrocenosis of oats when using bacterial preparations and growth regulators / G. A. Karpova, D. B. Kudryashov // Niva Povolzhya. - 2010. - № 4(17). - P. 20-23.
