CC BY
56
УДК 631.4:635.656
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ НА АНТИОКСИДАНТНУЮ СИСТЕМУ ЗАЩИТЫ СОИ
П.В. ТИХОНЧУК, доктор сельскохозяйственных наук, ректор
Т.П. ХАЙРУЛИНА, кандидат биологических наук, доцент
Дальневосточный ГАУ, Россия, г. Благовещенск, ул. Политехническая, 86
E-mail: [email protected]
Резюме. В статье представлены результаты биохимических исследований активности ферментов (каталазы и перокси-дазы) и содержания витаминов (аскорбиновой кислоты и каротина) в листьях культурной и дикорастущей форм сои в условиях недостаточного и избыточного увлажнения почвы в различные периоды вегетации. Опыт закладывали в вегетационных сосудах в вегетационном домике в 2008-2010 гг. В первой половине вегетации одни растения испытывали недостаток влаги в почве (35% ППВ), другие росли в условиях избыточного увлажнения почвы (135% ППВ), в сосудах третьей группы растений поддерживали оптимальный уровень влажности (70% ППВ). После цветения влажность почвы изменяли с 35 и 135 % на 70 %, с 70 % на 35 и 135 % ППВ. Недостаток влаги в почве активизирует деятельность фермента пероксидаза (в фазе третьего тройчатого листа активность возрастает в 4 раза, в фазе цветения - 2,3 раза, фазе бобоо-бразования - в 3,5 раза), а переувлажнение почвы приводит к росту активности каталазы (с фазы третьего тройчатого листа до фазы бобобразование - от 2-3 до 6 раз соответственно фазе развития). Содержание каротина в листьях культурной сои в зависимости от фазы развития снижается в условиях водного стресса от 5 до 70%, у растений формы КА 1344 такой ситуации не наблюдали. В период недостаточного увлажнения почвы содержание аскорбиновой кислоты увеличивается в зависимости от фазы развития сои на 30...60%. Ключевые слова: соя, влажность почвы, каталаза, перок сидаза, аскорбиновая кислота каротин.
ется на протекании ряда физиолого-биохимических процессов в растениях. При избыточном увлажнении они испытывают действие анаэробиоза (гипоксия -временный дефицит кислорода, или аноксия - отсутствие кислорода), который затрудняет поступление воды и минеральных веществ в корни, усиливает дыхание и одновременно снижает активность синтеза органических веществ, нарушает водный режим растений [3].
При сильном недостатке влаги в почве задерживается биосинтез органических соединений и усиливается гидролиз, в результате чего нарушаются ростовые процессы [4].
Цель наших исследований - изучить влияние различных уровней влажности почвы на активность ферментов и содержание витаминов антиоксидантной системы в листьях культурной и дикорастущей сои в течение периода вегетации.
Условия, материалы и методы. Эксперименты проводили в 2008-2010 гг. на опытном участке Дальневосточного ГАУ (Амурская обл., г. Благовещенск). Объект исследований - растения культурной сои сорта Лидия и дикой формы КА-1344.
Схема опыта предусматривала следующие варианты:
I - контроль - 70% полной полевой влагоемкости (ППВ) весь период вегетации;
II - 135% ППВ весь период вегетации;
Таблица 1. Удельная активность ферментов в листьях сои, среднее за 2008-2010 гг.
В зависимости от степени активности ферментов изменяется интенсивность и направленность метаболических процессов в растительном организме. Известно, что интенсивность дыхания связана с активностью окислительно-восстановительных ферментов [1].
Витамин С (аскорбиновая кислота) - наиболее распространенный анти-оксидант в растениях, но при этом именно он наименее изучен. Известно, что каротины, в частности, р-каротин, - самый часто встречающийся метаболит живых организмов, участвующий в системе защиты клеток от воздействия неблагоприятных факторов среды [2].
Недостаточное и избыточное увлажнение почвы неблагоприятно сказыва-
Сорт Лидия Форма КА 1344
Вариант опы- активность активность каталазы, ед./мг белка х 10-3 активность ПО, ед./мг белка х 10-2 активность
та пероксидазы, ед./мг белка х 102 каталазы, ед./мг белка х 10-3
Фаза третий тройчатый лист
i* 4,4 4,8 8,1 2,4
ii 10,2 8,2 6,8 4,9
iii 18,6 4,8 10,9 3,8
iv 19,7 4,7 11,3 3,9
v 14,2 13,8 10,7 4,8
vi 4,1 4,9 10,8 4,5
vii 4,8 3,6 Фаза цветение 10,7 4,3
i 15,8 43,8 4,5 52,0
ii 26,7 86,9 6,2 130,0
iii 35,4 45,6 10,1 61,7
iv 36,8 48,6 8,6 75,3
v 25,3 80,8 6,5 132,6
vi 15,2 35,2 5,9 44,7
vii 17,4 48,1 4,4 34,3
Фаза бобообразование
i 18,7 16,3 9,8 12,4
ii 15,3 101,0 10,9 18,2
iii 65,3 27,0 21,0 9,4
iv 29,1 103,1 13,7 12,0
v 20,7 15,0 11,9 9,4
vi 53,0 75,3 14,1 11,1
vii 26,3 106,0 13,9 19,2
нср05 0,14 0,38 0,39 0,66
нср0А 0,05 0,14 0,15 0,25
нср в 0,08 0,22 0,22 0,38
I - контроль (70%); II - 135% весь период; III - 35% весь период; IV - 35% до цветения, затем 70%; V- 135% до цветения, затем 70%; VI - 70% до цветения, затем 35%; VII - 70% до цветения, затем 135%; фактор А - фенологическая фаза, фактор В - вариант опыта.
III - 35% ППВ весь период вегетации;
IV - 35% ППВ всходы - цветение, затем перевод на 70% ППВ;
V - 135% ППВ всходы - цветение, затем перевод на 70% ППВ;
VI - 70% ППВ всходы - цветение, затем перевод на 35% ППВ;
VII - 70% ППВ всходы - цветение, затем перевод на 135% ППВ.
Активность пероксидазы (ПО) определяли фотоколориметрическим методом [5], каталазы (КАТ) - газометрическим методом [5], витамин С и каротин по общепринятой методике [5], белок - по методу Lowry [6], статистическую обработку данных проводили по методу Н.А. Плохинского [7].
Результаты и обсуждение. В зависимости от активности каталазы и пероксидазы повышается или понижается жизнеспособность организма, а, следовательно, и продуктивность сельскохозяйственных растений.
Анализ удельной активности каталазы листьев G. max в фазе третьего настоящего листа показал ее рост, по сравнению с контролем, в 2-3 раза в вариантах со 135% ПВ в фазе всходы - цветение (II и V вариант). А наибольший рост удельной активности пероксидазы отмечен у растений, испытывавших на начальных этапах развития недостаток влаги в почве (III и IV вариант), в таких условиях она увеличивалась » в 4 раза
предположить, что у листьев G. soja она выше, чем у G. max.
В фазе бобообразования в варианте с переувлажнением почвы в течение всего периода вегетации (II) активность каталазы в листьях культурной сои возросла в 6 раз. Такому же повышению величины этого показателя, по сравнению с контролем, способствовало увеличение полевой влагоемкости с 35 до 70% ПВ. Резкий рост активности каталазы (превышение над контролем в 6,5 раз) отмечен и в обратном случае (вариант VI). Наименьшую величину этого показателя наблюдали при недостатке влаги в почве в течение всего периода вегетации.
Избыточное переувлажнение во второй половине и в течение всей вегетации привело к самому высокому росту активности каталазы в листьях дикорастущей формы сои в фазе бобообразования - в 2 раза.
Наиболее значительное увеличение удельной активности пероксидазы в листьях сои в фазе бобообразования отмечено при недостатке влаги после цветения. В остальных вариантах опыта она находилась в пределах величины этого показателя в контроле.
В фазе третьего тройчатого листа синтез аскорбиновой кислоты в листьях культурной формы сои возрастает при недостаточном увлажнении, а избыток влаги в почве приводит к снижению ее содержания у растений обеих форм (табл. 2).
Таблица 2. 2010 гг.
(табл. 1).
У дикорастущей формы КА 1344 прослеживалась аналогичная динамика роста активности каталазы, а изменение активности пероксидазы было менее выражено, чем у культурной сои. При этом в целом начало вегетационного периода характеризуется относительной стабильностью активности пероксидазы [8].
В фазе цветения активность каталазы начинает возрастать и достигает максимальной величины к окончанию цветения - началу бобообразования. Этот период характеризуется повышением интенсивности обмена веществ, усиливается и процесс дыхания [9].
Самое значительное увеличение удельной активности каталазы (» в 2 раза), как у культурной, так и у дикорастущей формы сои, в этот период отмечено в вариантах с переувлажнением почвы. Такая закономерность прослеживается, начиная с фазы третьего
тройчатого листа. При недостатке влаги активность пероксидазы возрастает почти в 2,3 раза.
Наибольшее повышение удельной активности каталазы (в 3 раза) наблюдается у формы КА 1344. Так как величина этого показателя характеризует интенсивность дыхания, полученные результаты позволяют
Содержание витаминов в листьях сои, среднее за 2008-
Вариант Сорт Лидия Форма КА 1344
опыта аскорбиновая каротин, мг % аскорбиновая каротин,
кислота, мг % кислота, мг % мг %
Фаза третий тройчатый лист
i* 88,6 0,040 126,8 0,033
ii 55,8 0,023 92,7 0,015
iii 148,6 0,039 75,5 0,030
iv 109,2 0,038 76,7 0,021
v 57,6 0,024 42,2 0,013
vi 88,5 0,043 55,2 0,032
vii 79,5 0,043 Фаза цветение 59,4 0,033
i 84,8 0,084 112,7 0,12
ii 59,6 0,027 95,1 0,05
iii 141,5 0,043 146,7 0,24
iv 112,4 0,042 119,5 0,21
v 47,6 0,031 99,2 0,09
vi 84,5 0,078 121,9 0,15
vii 82,0 0,082 120,8 0,15
Фаза бобообразование
i 76,7 0,35 297,9 0,25
ii 36,4 0,10 186,8 0,13
iii 137,6 0,13 311,4 0,28
iv 226,5 0,12 248,1 0,35
v 48,4 0,07 159,5 0,51
vi 104,5 0,07 254,7 0,52
vii 65,0 0,07 217,8 0,57
нср05 0,53 0,007 0,17 0,01
нср0а 0,20 0,003 0,06 0,004
нср в 0,31 0,004 0,10 0,007
I - контроль (70%); II - 1350,20% весь период; III - 35% весь период; IV- 35% до цветения, затем 70%; V- 135% до цветения, затем 70%; VI - 70% до цветения, затем 35%; VII - 70% до цветения, затем 135%; фактор А - фенологическая фаза, фактор В - вариант опыта.
Максимальное в опыте увеличение количества аскорбиновой кислоты в листьях сои в фазе цветения отмечено в вариантах с недостатком влаги в почве (III, IV). У растений культурной сои содержание аскорбиновой кислоты в таких условиях возрастало, по сравнению с контролем, » в 2 раза.
Недостаток влаги в почве в первой половине вегетации способствовал увеличению синтеза аскорбиновой кислоты в листьях культурных растений в фазе бобообразования » в 2-3 раза, по сравнению с контролем, а в вариантах с переувлажнением почвы ее содержание было ниже, чем при 70% ППВ в течение всего периода вегетации, в 2 раза. Растения дикорастущей формы сои в фазе бобообразования более устойчивы к действию водного стрессора, и содержание витамина С в их листьях отклонялось от контроля менее значительно.
Концентрация каротина в листьях культурной сои в опытных вариантах в фазе третьего тройчатого листа находилась в пределах контроля. Однако в дальнейшем, как избыток, так и недостаток влаги в почве вели к уменьшению величины этого показателя, по сравнению с контролем, в 3,5 раза и более.
Выводы. Таким образом, в ходе исследований установлено, что удельная активность каталазы в листьях G. max и G. soja возрастает в фазе бобообразования, активность пероксидазы - в фазе цветения. Наибольшие величины этих показателей наблюдаются у G. soja.
Переувлажнение почвы приводит к увеличению активности каталазы, а недостаток влаги активизирует деятельность пероксидазы.
Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в листьях сои варьирует в зависимости от обеспеченности растений водой.Концентрация аскорбиновой кислоты увеличивается в период недостатка влаги в почве (30...60% в зависимости от фазы). Количество каротина в листьях культурной сои снижается в условиях как недостаточного (фаза цветения - 50%, бобообразования - 60%), так и избыточного (фаза цветения - 60%, бобообразования - 70%) увлажнения почвы.
Литература.
1. 1. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты / перевод с англ. Л.М. Гинодмана, М.И. Левянт/ под ред. В.К. Антонова и А.Е. Браун-штейна. М.: Иностранная литература, 1982. Т.1. 389 с.
2. 2. Ладыгин В.Г., Ширшикова Г.Н. Влияние состава каротинов на устойчивость клеток водорослей к действию УФ-излучения// Физиология растений. 1993. Т. 40. № 4. С. 644-649.
3. 3. Кошкин, Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур: учебник. М.: Дрофа, 2010. 638 с.
4. 4. Хайрулина Т.П., Тихончук П.В. Рост и развитие сои при действии водного стрессора //Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2012. № 5. С. 18-20.
5. 5. Плешков Б.П. Практикум по биохимии растений. М.: Колос, 1985. 256 с.
6. 6. Lowry O.H. [et al.] Protein measurement with the Folin phenol reagent// J. Biol. Chem. 1951. Vol. 193. № 1. P. 265-275.
7. 7. Плохинский Н.А. Биометрия. - 2-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1970. 560 с.
8. 8. Хайрулина Т.П., ТихончукП.В., Семенова Е.А. Антиоксидантная система защиты в листьях G.max и G.soja при водном стрессе // Вестник Алтайского государственного университета. 2010. № 12 (74). С.30-33.
9. 9. Семенова Е.А., Селихова О.А. Особенности биохимической адаптации сои // Устойчивость организмов к неблагоприятным внешним факторам среды: материалы Всероссийской научной конференции. Иркутск: НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. С. 414-417.
THE INFLUENCE OF SOIL MOISTURE ON THE ANTIOXIDANT SYSTEM PROTECT OF SOYBEAN P.V. Tikhonchuk, T.P. Khayrulina
The Far Eastern State Agrarian University, Russia, Blagoveshchensk, ul. Polytechnicheskaya, 86
Summary. The article presents the results of biochemical research activity of enzymes (catalase and peroxidase) and the content of vitamins (ascorbic acid and carotene) in the leaves of cultivated and wild forms of soybean in low and excess soil moisture at different periods of the growing season. Experience laid in pots in the vegetative house in 2008 - 2010 years. In the first half of the growing season some plants lacked soil moisture (35% PPV), other plants grown under conditions of excess soil moisture (135% PPV) in the blood vessels of the third group of plants maintain an optimal level of humidity (70% PPV). After flowering, the soil moisture content varied from 35 to 135% and 70%, with 70% at 35 and 135% PPV. Found that the lack of moisture in the soil activates the enzyme peroxidase activity (in the third phase ternate leaf activity increased 4-fold in the flowering stage -2.3 times, phase boboobrazovaniya - 3.5), and soil moisture leads to an increase in the activity of catalase (from ternate third phase to phase bobobrazovanie sheet - 2-3 times to 6 times, respectively development phase). Carotene content in the leaves of soybean depending on the phase of development is reduced under water stress from 5 to 70% in the leaves of plants form SC 1344, this trend is not checked. Between the lack of soil moisture content of ascorbic acid increased by 30 - 60% depending on the stage of soybean development.
Keywords: soybean, soil moisture, catalase, peroxidase, ascorbic acid, carotene.
