Влияние экологических условий года репродукции семян на развитие амилолитической активности в прорастающих семенах ярового ячменя

Влияние экологических условий года репродукции семян на развитие амилолитической активности в прорастающих семенах ярового ячменя

Сухие семена быстро поглощают воду, набухают и начинают прорастать. Характер и интенсивность физиологических процессов, протекающих в прорастающих семенах, зависят от активности ферментативного комплекса зерна и от условий окружающей среды. Главная особенность прорастания и его общая биохимическая направленностьраспад в эндосперме и семядолях высокомолекулярных веществ до растворимых низкомолекулярных при участии влаги и под действием ферментов, прежде всего, ферментов амилолитического комплекса с высокой активностью б-амилазы [5]. В сухом семени ферменты частично находятся в эндосперме или зародыше в связанном, неактивном состоянии и при влиянии набухания переходят в активное состояние [9]. При прорастании семян под влиянием амилазы крахмал в эндосперме зерновки переводится в декстрины и мальтозу, а затем мальтоза под влиянием фермента мальтазы расщепляется до глюкозы. Одновременно с накоплением глюкозы идет образование сахарозы, которая используется растущим проростком [6].

Гидролиз крахмала в зерновках ячменя важен при его использовании для пивоварения. Качество солода зависит от жизнеспособности зародышей (и от синтеза гибберелловой кислоты): чем ниже всхожесть, тем хуже солод [1].

Изучение амилазной активности проводят, как правило, на определенный день прорастания семян [2, 10]. 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 пробу попадают семена, находящиеся на разных этапах прорастания либо вовсе невсхожие, что не дает возможности оценить нарастание активности фермента в одном семени. Для получения общего представления об активности ферментов 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 [4]. В этой шкале, кроме известных 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 би в-амилаз по МФФ ПС и трактовать полученные результаты применительно к отдельному семени. Применение оценки семян по МФФ ПС позволило нам выявить стимулирующий характер предобработки семян физическим фактором при проращивании в условиях пониженной температуры, который проявляется в синхронизации прорастания семян [3]. Однако до сих пор не была представлена полная картина изменения амилолитической активности в прорастающем индивидуальном семени ярового ячменя разных сортов в зависимости от условий года репродукции семян.

Целью настоящей работы было изучение влияние условий года репродукции семян на амилолитическую активность в прорастающем семени ярового ячменя различных сортов.

Методика. Объектом исследования служили семена трех сортов ярового ячменя Мамлюк, Ратник и Зерноградец 770, которые внесены в реестр селекционных достижений и допущены к использованию в Северо-Кавказском 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 +200С согласно ГОСТу [8]. В анализ отбирали семена, находящиеся на одной МФФ ПС [3]. Суммарную амилолитическую активность, а также активность би в-амилаз определяли стандартным методом [7]. Активность ферментов выражали в мг гидролизованного крахмала за 1 час на 1 мл ферментного препарата. Биологическая повторность опытов 2-кратная, аналитическая — 4-кратная. Каждый опыт повторяли дважды. Результаты исследований подвергали статистической обработке с использованием программ Excel ПК.

Результаты и обсуждение. Характер изменения активности амилолитических ферментов в процессе прорастания семян ярового ячменя имеет общие закономерности, однако проявляются и количественные отличия, как между сортами, так и между семенами разных лет репродукции. В связи с тем, что в процессе прорастания семени его влажность резко возрастает, мы выражали полученные данные активности ферментов на абсолютно-сухое вещество.

Суммарная активность амилазы в прорастающем семени трех сортов ярового ячменя представлена на рисунке 1. Самая низкая активность фиксируется у сортов Зерноградец 770 и Ратник в семенах-07, а у сорта Мамлюк — в семенах-08. Наибольшая суммарная активность амилазы регистрируется у сорта Зерноградец 770 в семенах-08, а у сортов Мамлюк и.

Рисунок 1. Изменение суммарной активности амилазы в прорастающих семенах ярового ячменя трех сортов за три года. МФФ ПС: СЗ — сухая зерновка; Т — точка; К1 — «вилка»; К2 — короткие корешки; К3 — длинные корешки; Р — росток; П — проросток.

Ратник — в семенах-09. Отмеченные различия активности отчетливо наблюдаются на графике, начиная с разных МФФ ПС у разных сортов. Так, у сортов Зерноградец 770 и Ратник различия в амилолитической активности по годам репродукции семян регистрируются с фазы «точка» (Т), а у сорта Мамлюк — только с фазы «вилка» (К1).

Активность б-амилазы по МФФ ПС представлена на рисунке 2. Установлено, что в сухих семенах ярового ячменя сортов Зерноградец 770, Мамлюк, Ратник трёх лет репродукции б-амилаза отсутствует — это согласуется с данными других авторов [6,10]. Мы показали, что она отсутствует и в наклюнувшихся семенах и появляется только в фазе «вилка» (К1), когда зародышевый корешок прорывает колеоризу. По форме кривой и положению максимума можно судить о ходе изменения активности б-амилазы при прорастании. Полученные экспериментальные кривые изменения активности б-амилазы у сорта Ратник имеют классическую S-образную кривую, что отражает неравномерность данного процесса в ходе прорастания семян при постоянных внешних условиях и носит общебиологический характер. Самая низкая активность б-амилазы фиксируется у сортов Зерноградец 770 и Ратник в семенах-07, а у сорта Мамлюк в семенах-08. Высокая активность отмечалась у сортов Мамлюк и Ратник в семенах-09, а у сорта Зерноградец 770 — в семенах-08. Различия в ходе кривых на графиках активности фермента в семенах сорта Зерноградец 770 начинается с фазы К2, а у сортов Мамлюк и Ратник — с фазы К1.

Рисунок 2. Изменение активности б-амилазы в прорастающих семенах ярового ячменя трех сортов за три года. Обозначения МФФ ПС: см. рисунок 1.

в-амилаза в сухих семенах находится в активной форме, что дает возможность на начальных этапах прорастания семян снабжать зародыш семени субстратом для получения энергии до запуска синтеза б-амилазы de novo. Активность в-амилазы в процессе прорастания семян возрастает (рис. 3). Наибольшая активность в-амилазы у сортов Зерноградец 770 и Ратник наблюдалась в семенах-08, а наименьшая активность у этих же сортов регистрировала в семенах-07. У сорта Мамлюк низкая активность в-амилазы отмечалась в семенах-08, а в семенах-07 и -09 активность этого фермента находила практически на одном уровне. Различия в ходе кривых на графиках активности фермента в семенах сортов Зерноградец 770 и Ратник начинается с фазы Т, а у сорта Мамлюк — с фазы К1.

Рисунок 3. Изменение активности в-амилазы в прорастающих семенах ярового ячменя трех сортов за три года. Обозначения МФФ ПС: см. рисунок 1.

Увеличение активности би в-амилазы в семени за весь период его прорастания мы определили по соотношению активности в микрофенофазах «проросток: К1» для б-амилазы и «проросток: сухое зерно» для в-амилазы в среднем по трём сортам за каждый год репродукции семян (таблица 1).

Таблица 1 — Увеличение активности би в-амилазы за период прорастания семени ярового ячменя в зависимости от условий года репродукции семян (среднее по трём сорта). Обозначения МФФФ ПС: см. рисунок 1.

Принципиальные отличия условий года выращивания семян в увеличении активности ферментов не выявлены. Несколько меньшие значения активности были установлены для семян-07 (острозасушливый год). Однако возрастание активности между ферментами существенно отличается. Активность б-амилазы в среднем по годам возрастает в 45,6 раза, а активность в-амилазы — только в 8,2 раза.

Варьирование активности амилолитических ферментов по МФФ ПС семени ярового ячменя в зависимости от года выращивания семян представлено в таблице 2.

Таблица 2 — Влияние года репродукции семян ярового ячменя на варьирование активности амилолитических ферментов в индивидуальном семени по МФФ при их проращивании в условиях оптимального увлажнения (среднее по трём сортам). Обозначения МФФ ПС — см. рис. 1.

Значения коэффициента вариации активности б-амилазы имеют максимальные значения в МФФ К1 и К2, а затем снижаются. Это свидетельствует о том, что условия года формирования семян влияют на систему активизации синтеза б-амилазы в клетках алейронового слоя при последующем прорастании семени в условиях оптимального увлажнения. Чтобы сказать конкретно, какой этап этой системы зависит от условий года, надо провести дополнительные исследования. На последующих МФФ ПС влияние года нивелируется, о чем свидетельствует снижение коэффициента вариации. амилаза микрофенологический репродукция прорастание Активность в-амилазы варьирует по МФФ ПС совершенно иначе. В сухом семени её активность практически не зависит от условий года выращивания семян (Квар=1,9 в среднем по годам). Следовательно, в процессе созревания семени на материнском растении на синтез ферментного белка (в-амилаза) и на его количество условия выращивания влияют очень мало. Однако на развитие активности в-амилазы в прорастающем семени год репродукции семян оказывает существенное влияние, о чем свидетельствуют возрастающие значения Квар. Наибольшее влияние условий года проявляется за период от замачивания и до наклевывания семени: Квар активности в-амилазы возрастает в 5.3 раза.

Варьирование общей амилазной активности на первых МФФ ПС определяется в-амилазой, а затем — результирующими значениями работы двух ферментов.

Заключение

. Впервые описана динамика изменения амилолитических ферментов в индивидуальном прорастающем семени ярового ячменя трёх сортов за три года по МФФ ПС. Выявлены общие для ярового ячменя и сортовые особенности изменения активности амилолитических ферментов при достижении семенем определенной МФФ ПС при проращивании их в условиях оптимального увлажнения.

Впервые показано, что активность б-амилазы регистрируется в прорастающем семени ярового ячменя только в МФФ ПС К1, когда происходит разрыв колеоризы корешком прорастающего семени. А активность в-амилазы присутствует в сухом семени и возрастает в процессе прорастания семени. Варьирование активности б-амилазы снижается в процессе прорастания семени, а варьирование активности в-амилазы, наоборот, возрастает.

• 1. Алехина Н. Д. Физиология растений / Н. Д. Алехина, Ю. В. Балнокин, В. Ф. Гавриленко и др.; под ред. И. П. Ермакова. — М.: Издательский центр Академия", 2005. 450 c.
• 2. Гельманов М. А., Фурсов О. В., Францев А. П. Методы очистки и изучение ферментов растений / М. А. Гельманов, О. В. Фурсов, А. П. Францев. — Алма-Ата. 1981. 92 c.
• 3. Игнатенко И. С. Применение экологически безопасного фактора синхронизации прорастания семян ярового ячменя в условиях пониженной температуры / Игнатенко И. С., Козяева С. Ю. // Труды II межд. Молодёжной конф. Улабуга, 23−24 декабря 2010 г. Казань: Изд. Казан. Гостехн. Ун-та, 2010. — Том 1. С. 221−226.
• 4. Казакова А. С. Шкала микрофенологических фаз прорастания семян ярового ячменя / А. С Казакова, С. Ю. Козяева // Сельскохозяйственная биология (серия Биология растений). — 2009. № 3. C. 88−92.
• 5. Костин В. И. Физиологический механизм воздействия пектина и микроэлементов при прорастании семян зерновых культур / В. И. Костин, В. А. Исайчев, О. Г. Музурова // Вестник РАСХН. — 2006, № 4 (июль-август), С 38−39.
• 6. Кретович В. Л. Основы биохимии растений /Кретович В.Л. — М.: «Высшая школа», 1971, С. 81,87.
• 7. Практикум по физиологии растений / Н. Н. Третьяков, Л. А. Паничкин, М. Н. Кондратьев и др. — 4-е изд. перераб. и доп. М.: КолосС. 2003. — С.172−175.
• 8. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести: ГОСТ 12 038;84; Введен 01.07.86. М.; ИПК Из-во стандартов. 2004. С. 34−38.
• 9. Якушкина Н. И. Физиология растений: учебник для студентов вузов, обучающихся по специальности 32 400 «Биология» / Н. И. Якушкина, Е. Ю. Бахтенко. — М.: Гуманитар. Изд. центр ВЛАДОС, 2005. 321 c.
• 10. Livesley M.A. б-Amilase izoenzymes in aged wheat aleurone layers // Biochem. Soc/ Trans. 1991. V 19. № 4/ P 360−364.