Зависимость развития амилолитической активности в прорастающих семенах озимого ячменя от экологических условий Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

Вестник аграрной науки Дона

3(19)2012

УДК 633.16:581.1:584.19

ЗАВИСИМОСТЬ РАЗВИТИЯ АМИЛОЛИТИЧЕСКОИ АКТИВНОСТИ В ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЕНАХ ОЗИМОГО ЯЧМЕНЯ ОТ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

© 2012 г. И.С. Игнатенко, А.С. Казакова

Впервые дана характеристика изменения активности а- и р-амилаз, а также суммарной амилолитической активности по микрофенологическим фазам прорастающего семени озимого ячменя в условиях оптимального увлажнения в зависимости от условий года репродукции семян.

Ключевые слова: ячмень, прорастание семян, амилолитические ферменты, условия года репродукции семян.

An original characteristic of a- and p-amylase activity changes and total amylolytic activity of micro-phenological phases of winter barley germinating seed in conditions of optimum moisture, in dependence on year conditions of a seeds reproduction is submitted.

Key words: barley, germination of seeds, reproduction.

Интенсивность физиологических процессов, протекающих в прорастающих семенах, зависит от активности ферментативного комплекса зерна и от условий окружающей среды. Главная особенность прорастания и его общая биохимическая направленность - распад в эндосперме и семядолях высокомолекулярных веществ до растворимых низкомолекулярных при участии влаги и под действием ферментов, прежде всего, амилолитического комплекса с высокой активностью а-амилазы [1]. Частично ферменты находятся в эндосперме или зародыше в связанном неактивном состоянии и под влиянием набухания переходят в активное состояние [2]. Под влиянием амилазы крахмал в эндосперме зерновки переводится в декстрины и мальтозу. Мальтоза под влиянием фермента мальтазы расщепляется при прорастании семян до глюкозы. Одновременно с накоплением глюкозы идет образование сахарозы, которая используется растущим проростком [3].

Изучение амилазной активности проводят, как правило, на определенный день прорастания семян [4, 5]. Так было показано, что максимум активности суммарных амилаз зерновой массы в процессе прорастания семян пшеницы обычно проходит на 3-6-й день. При таком подходе в одну про-

amylolytic enzymes, year conditions of a seeds

бу попадают семена, находящиеся на разных этапах прорастания либо вовсе невсхожие, что не дает возможности оценить нарастание активности фермента для одного семени. Для получения общего представления и для производственных целей такой подход, возможно, и оправдан, но для проведения фундаментальных исследований физиологии и биохимии прорастания семян, а также для сравнения сортов в селекции и партий семян в семеноводстве необходимо проводить изучение не по дням, а по фазам прорастания семян. На кафедре физиологии и химии разработана усовершенствованная шкала микрофенологических фаз прорастания семян (МФФ ПС) ячменя [6]. В этой шкале, кроме существующих в настоящее время фаз, представлены также МФФ, описывающие этапы роста и развития корневой системы проростка. Использование в исследованиях данного подхода даёт возможность зафиксировать изменение активности а- и р-амилаз по МФФ ПС и трактовать полученные результаты применительно к отдельному семени.

Целью настоящей работы было изучение влияния года репродукции семян на амилолитическую активность в прорастающем семени озимого ячменя различных сортов.

62

3(19)2012

Агрономия, лесное хозяйство и биологические науки

Методика. Объектом исследования служили семена трех сортов озимого ячменя: Зимур, Романс, Самсон, которые внесены в реестр селекционных достижений и допущены к использованию в СевероКавказском регионе. Анализ провели на семенах трех лет репродукции - 2007 г. -острозасушливого (семена-07), 2008 г. -умеренно засушливого (семена-08), 2009 г. - оптимального (семена-09) по гидротермическому режиму. Семена проращивали в растильнях на фильтровальной бумаге в дистиллированной воде при температуре +20 0С согласно ГОСТу [7]. В анализ отбирали семена, находящиеся на одной МФФ ПС [3]. Суммарную амилолитическую активность, а также активность а- и р-амилаз определяли стандартным методом [8]. Активность ферментов выражали

Суммарная активность амилазы

Активность 0-амилазы

Активность а-амилазы в семенах-07 и -09 имеет практически одинаковые значения, лишь наибольшие различия регистрировались в фазах «росток» и «проросток», здесь активность фермента в семенах-07 выше активности в семенах-09 в 1,2 и в 1,1 раз соответственно. В семенах-08

в мг гидролизованного крахмала за 1 час на 1 мл ферментного препарата. Биологическая повторность опытов 2-кратная, аналитическая - 4-кратная. Результаты подвергали статистической обработке с использованием программ Excel ПК.

Результаты и обсуждение. Изменение суммарной активности амилазы и активности а- и р-амилаз в зависимости от гидротермических условий лет репродукции семян мы рассчитали по средним значениям активности ферментов по всем сортам озимого ячменя отдельно за каждый год.

Изменение суммарной активности амилазы и активности а- и р-амилазы в прорастающем семени озимого ячменя в зависимости от условий года репродукции семян представлено на рисунке 1.

Активность а-амилазы

МФФ ПС

Рис. 1. Влияние года репродукции семян на изменение амилолитической активности озимого ячменя (среднее по трем сортам)

в фазе «длинные корешки» активность а-амилазы выше, чем в семенах-07, в 1,9 раза и выше, чем в семенах-09, в 2,2 раза. Далее к фазе «проросток» активность фермента в семенах-08 ниже, чем в семенах-09, в 1,3 раза, и в 1,4 раза ниже, чем в семенах-

07.

63

Вестник аграрной науки Дона

3(19)2012

Суммарная активность амилазы в прорастающем семени озимого ячменя разных лет репродукции имеет общие закономерности с небольшими количественными отличиями. В семенах-07 активность фермента в МФФ «точка» ниже в 1,6 раза, чем в семенах-08 и -09. От фазы «вилка» до фазы «короткие корешки» различия лет репродукции едва заметны. В фазе «длинные корешки» суммарная активность амилазы в семенах-08 в 1,4 раза выше, чем в семенах-07 и -09.

Активность р-амилазы имела более высокие значения в семенах-08, причем существенное превышение активности было зарегистрировано с МФФ «росток». В семенах-08 и -09 с фазы «сухое зерно» до фазы «вилка» активность фермента имела практически одинаковые значения. А в семенах-07 с фазы «сухое зерно» до фазы «короткие корешки» активность р-амилазы линейно возрастает, но с заметно более низкими значениями.

Значения коэффициентов вариации активности амилолитических ферментов в прорастающем семени озимого ячменя по МФФ ПС в зависимости от года репродукции семян (среднее по трем сортам)

Культура Год МФФ ПС

СЗ Т К1 К2 КЗ Р П

Суммарная активность амилазы

Озимый ячмень 2007 3,1 26,4 25,1 35,4 16,5 19,4 20,3

2008 4,2 34,4 26,3 43,3 5,6 1,6 2,6

2009 0,6 26,7 28,5 30,2 28,1 12,0 21,2

Активность а-амилазы

Озимый ячмень 2007 - - 51,1 56,4 45,4 38,7 31,4

2008 - - 12,1 38,6 36,8 11,8 1,7

2009 - - 52,1 16,8 39,1 19,6 16,9

Активность р-амилазы

Озимый ячмень 2007 3,1 30,1 28,4 38,3 35,2 4,8 15,1

2008 4,2 34,3 27,9 44,2 17,2 11,4 16,1

2009 0,6 26,7 33,5 33,6 28,2 29,9 33,6

Таким образом, в озимом ячмене суммарная активность амилазы и активность р-амилазы возрастают от фазы «сухое зерно» до фазы «проросток» независимо от года репродукции семян. Активность а-амилазы не регистрируется в сухих семенах и в фазе «точка», а с фазы «вилка» активность этого фермента начинает возрастать вплоть до фазы «проросток». Кривые на графиках изменения активности этих ферментов имеют одинаковый вид. Следовательно, условия произрастания материнского растения не влияют на характер изменения активности амилолитических ферментов в процессе прорастания семян. Однако условия года репродукции семян

влияют на величину активности амилолитических ферментов.

Значения коэффициентов вариации активности амилолитических ферментов по МФФ ПС озимого ячменя позволяют проанализировать влияние условий года репродукции семян и выявить, на какие МФФ приходится максимальная вариабельность активности ферментов. В таблице 1 представлены результаты вариационного анализа активности амилолитических ферментов.

Суммарная активность амилазы в прорастающих семенах озимого ячменя имеет общие закономерности: самая низкая вариабельность наблюдается в сухой зерновке, затем несколько возрастает до МФФ ПС

64

3(19)2012

Агрономия, лесное хозяйство и биологические науки

«короткие корешки» и снижается до фазы «росток», далее снова идет нарастание вариабельности к фазе «проросток». Вариабельность стартовой суммарной активности семян-09 в 5,2 раза ниже, чем у семян-07, и в 7 раз ниже, чем в семенах-08. Следовательно, в условиях оптимального года в семенах всех генотипов синтезируется одинаковое количество свободной р-амилазы, о чем свидетельствует Квар = 0,6%. Для сравнительной характеристики генотипов по способности формировать фонд р-амилазы в созревающих семенах нецелесообразно использовать семена, полученные в оптимальный год.

Значения Квар активности а-амила-зы по фазам прорастания семени озимого ячменя могут либо повышаться, либо снижаться. Интересно отметить, что Квар стартовой активности а-амилазы в фазе «вилка» имеет практически одинаковые значения в семенах-07 и семенах-09. Вероятно, это связано с тем, что растения озимого ячменя имеют возможность в большей степени использовать запасы почвенной влаги, поэтому засуха летнего периода на них меньше влияет. Стартовая активность р-амилазы имеет минимальное значение в семенах 2009 года. Затем в семенах-07 и -08 вариабельность возрастает до фаз «длинные корешки» и «росток», а затем снижается. В семенах оптимального 2009 года вариабельность активности р-амилазы, наоборот, возрастает в процессе прорастания семян.

Таким образом, сравнивая реакцию изученных сортов по величинам вариабельности стартовой активности а- и р-амилаз и их активности по МФФ ПС, можно сделать вывод, что условия года репродукции семян по-разному влияют на формирующееся семя изученных генотипов ярового и озимого ячменя.

Изменение активности амилолитических ферментов за межфазные периоды может дать дополнительную информацию для оценки влияния экологических условий. Для этого мы оценили изменение активности (увеличение или уменьшение) ферментов между всеми МФФ, начиная от сухого семени и до проростка в среднем по трем сортам за каждый год.

Изменение активности амилолитических ферментов за межфазные периоды прорастания семени озимого ячменя представлено на рисунке 2.

Прирост активности а-амилазы в семенах-07 и -09 имеет общие закономерности: небольшой прирост с фазы «вилка» до фазы «длинные корешки», затем резкий всплеск активности до фазы «росток» и снижение в фазе «проросток». В семенах-08 активность фермента имеет иную закономерность: резкое увеличение активности с момента образования до фазы «длинные корешки», затем прирост несколько замедляется до фазы «росток» и снижается к фазе «проросток». Прирост активности а-амилазы в семенах-07 и -09 от фазы «вилка» до фазы «росток» происходит в 9 и 8,3 раза соответственно, а в семенах-08 -всего в 4,3 раза.

У семян трех лет репродукции происходит снижение прироста активности фермента в МФФ «проросток»: у семян-07 -в 1,9 раза, у семян-08 - в 2,9 раза, а у семян-09 - в 1,4 раза.

Необходимо отметить, что возрастание активности фермента за межфазный период «вилка - короткие корешки» имеет практически одинаковые значения в семенах разных лет репродукции и составляет в семенах-07 - 0,045, в семенах-08 - 0,047, а в семенах-09 - 0,042 мг крахмала/г АСМ*час. Таким образом, условия года репродукции несущественно влияют на нарастание активности а-амилазы.

Изменение активности р-амилазы в целом у озимого ячменя характеризуется снижением, при этом в зависимости от года репродукции семян степень снижения активности фермента и форма кривой несколько меняется: увеличение прироста активности фермента сменяется его снижением. Уже с фазы «сухая зерновка» происходит снижение прироста активности фермента у семян-07 в 1,2 раза, у семян-08 - в 3,2 раза, а у семян-09 - в 2,6 раза.

Увеличение прироста суммарной активности амилазы от фазы «сухая зерновка» до фазы «росток» происходит в семенах-07 в 6,2 раза, в семенах-08 - в 2,7 раза, а в семенах-09 - в 2,2. В отличие от ярового ячменя [9] прирост активности амилоли-

65

Вестник аграрной науки Дона

3(19)2012

тических ферментов у озимого ячменя в разные по гидротермическим условиям годы снижается к фазе «проросток»: в семенах-07 - в 1,6 раза, в семенах-08 - в 2,2 раза, а в семенах-09 - в 1,4 раза.

2009г

Заключение. Гидротермические условия весенне-летнего периода года репродукции семян не влияют на характер изменения активности амилолитических ферментов в процессе прорастания семян, а оказывают влияние только на количественные характеристики активности изученных ферментов. Как и в яровом [9], так и в озимом ячмене суммарная активность амилазы и активность р-амилазы возрастают от фазы «сухое зерно» до фазы «проросток» независимо от года репродукции семян. Активность а-амилазы не регистрируется в сухих семенах и в фазе «точка», а с фазы «вилка» активность этого фермента начинает возрастать вплоть до фазы «проросток». Кривые на графиках изменения активности этих ферментов имеют одинаковый вид.

Таким образом, возрастание активности р-амилазы сменяется возрастанием активности а-амилазы. Прирост суммарной активности амилазы отражает от фазы «сухая зерновка» до фазы «вилка» ход кривой р-амилазы, а затем - а-амилазы.

2008г.

Рис. 2. Прирост активности амилолитических ферментов по МФФ ПС озимого ячменя (среднее 3 сорта за 3 года)

Сравнивая реакцию изученных сортов по величинам вариабельности стартовой активности а- и р-амилаз и их активности по МФФ ПС, можно сделать вывод, что условия года репродукции семян по-разному влияют на формирующееся семя изученных генотипов ярового и озимого ячменя.

У культуры ячменя в целом возрастание активности р-амилазы сменяется возрастанием активности а-амилазы. Прирост суммарной активности амилазы отражает от фазы «сухая зерновка» до фазы «вилка» ход кривой р-амилазы, а затем - а-амилазы.

Литература

1. Костин, В.И. Физиологический механизм воздействия пектина и микроэлементов при прорастании семян зерновых культур / В.И. Костин, В.А. Исайчев,

66

3(19)2012

Агрономия, лесное хозяйство и биологические науки

О.Г. Музурова // Вестник РАСХН. - 2006. - № 4 (июль-август). - С. 38-39.

2. Якушкина, Н.И. Физиология растений: учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности 032400 - Биология / Н.И. Якушкина, Е.Ю. Бахтенко. -Москва: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2005. - 321 с.

3. Кретович, В.Л. Основы биохимии растений / В.Л. Кретович. - Москва: Высшая школа, 1971. - С. 81, 87.

4. Гельманов, М.А. Методы очистки и изучение ферментов растений / М.А. Гельманов, О.В. Фурсов, А.П. Францев. - Алма-Ата. 1981. - 92 с.

5. Livesley, M.A. a-Amilase izoenzymes in aged wheat aleurone layers // Biochem. Soc / Trans. 1991. V. 19. № 4. - P. 360-364.

6. Казакова, А.С. Шкала микрофенологических фаз прорастания семян ярового ячменя / А.С Казакова, С.Ю. Козяева // Сель-

скохозяйственная биология (серия Биология растений). - 2009. - № 3. - C. 88-92.

7. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести: ГОСТ 12038-84; Введен 01.07.86. Москва; ИПК Из-во стандартов, 2004. - С. 34-38.

8. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков, Л.А. Паничкин, М.Н. Кондратьев и др. - 4-е изд. перераб. и доп. - Москва: КолосС, 2003. - С.172-175.

9. Игнатенко, И.С. Влияние экологических условий года репродукции семян на развитие амилолитической активности в прорастающих семенах ярового ячменя // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. Режим доступа:

http://ej.kubagro.ru/2011/06/pdf/13.pdf № 70 (06) - 2011.

Сведения об авторах

Игнатенко Инна Сергеевна - канд. с.-х. наук, ассистент кафедры агробиотехнологии Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).

Тел. 8(86359)34-6-12. E-mail: inna.ignatenko@hotbox.ru.

Казакова Алия Сабировна - д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой агробиотехнологии Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 40-6-01. E-mail: Kasakova@inbox.ru.

Information about the authors

Ignatenko Inna Sergeevna - Candidate of Agricultural Sciences, instructor of the agrobiotechnology department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). E-mail: inna.ignatenko@hotbox.ru.

Kazakova Aliya Sabirovna - Doctor of Biological Sciences, professor, chief of the agrobiotechnology department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). E-mail: Kasakova@inbox.ru.

УДК 633.16:631.8

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОСЕВНЫХ И УРОЖАЙНЫХ КАЧЕСТВ СЕМЯН СОРТОВ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТИМУЛИРУЮЩИМИ ПРЕПАРАТАМИ

© 2012 г. М.А. Соловьев, В.Б. Хронюк

Изложены результаты трехлетних исследований по реакции сортов ярового ячменя на обработку стимулирующими препаратами. Изучены особенности формирования всхо-

67