МОБИЛИЗАЦИЯ ЗАПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ПРОРОСТАНИИ

Ученые записки ЗабГГПУ
УДК 582. 542
ББК E 592. 71Gr
И. Э. Илли, Е. П. Якимова
Мобилизация запасных веществ
при проростании зерновок
ксерофитных злаков
Восточного Забайкалья
В статье рассматриваются вопросы значения накопления белка и его использование при
прорастании семян злаков Восточного Забайкалья.
Ключевые слова: злаки, семена, запасные
вещества, белки, аминокислоты.
I. E. Illi, E. P. Yakimova
Mobilization of Storage Compounds
at Xerophytic Sereals Caryopsis
Sprouting in Eastern Transbaikalia
In the article the author considers the questions
of the protein accumulation importance and the
usage of protein in the process of cereals seeds
sprouting in Eastern Transbaikalia.
Key words: cereals, seeds, storage compounds,
proteins, amino acids.
Общеизвестно, что белки выполняют многообразную роль: каталитическую, регуляторную, транспортную, структурную и ряд других
функций, связанных с процессом жизнедеятельности растительной клетки. Уже этот далеко не полный перечень свидетельствует о том,
что скорость роста проростка во многом обусловлена его способностью поддержать процессы
синтеза белков на необходимом для этих целей
уровне. В этой связи проросток нуждается в постоянном притоке азотистых веществ. Последние
откладываются в семенах, в основном, в форме
белков. Биологический смысл такого способа запаса, по-видимому, так велик, что злаки, как одна
из эволюционно наиболее продвинутых форм
растений, в ходе эволюции приобрели уникальную способность: запасать особую группу белков
– проламины. Они откладываются в эндосперме и составляют 45–50% от общего белка в этой
части зерновки [1; 4]. Остальные белки представлены глутелинами и глобулинами, которые считаются основными запасными белками семян
двудольных растений [3].
Вопрос о том, какие белки семян можно рассматривать в качестве запасных, является в настоящее время предметом дискуссии [11]. Если
исходить из того, что запасные белки используются проростком в виде аминокислот, ами-
68
дов и реже – пептидов, то в качестве запасных
можно рассматривать все те белки, которые
при прорастании гидролизуются до свободных
аминокислот и низкомолекулярных пептидов
[11], т.е. функцию запаса аминного азота могут
выполнять и альбумины в семенах двудольных
растений и альбумины и глобулины в зерновках злаков.
Известно, что высокое содержание альбуминов (42%) в зрелых семенах гороха резко
уменьшается в период прорастания и к 7 дню
их становится в 2 раза меньше [14], чем было
накоплено в период формирования. Это позволило Муррею предположить, что значительная
часть альбуминов семян гороха не выполняет
каталитическую функцию, а служит формой
запаса аминокислот. Резкое снижение содержания альбуминов в первые дни прорастания
обнаружено в семенах многих видов растений.
Таким образом, у семян двудольных растений запасную функцию выполняют не только
глобулины, но и альбумины. Несомненно, что
основная доля запасных белков у злаков приходится на глобулины [3].
По современным представлениям [3; 11], к
запасным можно отнести те белки, которые
отвечают следующим критериям: высокое содержание их в той или иной части семени, высокое содержание у них аргинина, глутаминовой, аспарагиновой и ряда других аминокислот
и, наконец, их интенсивный гидролиз в период
прорастания.
Повышенное содержание ряда аминокислот
в запасных белках семян предполагает [11], что
оно связано с особо важной ролью их в развертывании метаболических процессов при порастании семян. В отношении дикарбоновых
аминокислот и их амидов имеются экспериментальные данные, подтверждающие это предположение. Так, еще Д. Н. Прянишниковым [7]
была показана исключительная роль аспарагина как временного резерва азота, накапливающегося в процессе распада белков семян при
прорастании и затем используемого растущим
проростком. Аналогичную роль в прорастающих семян выполняет и глутамин. При этом показано [5], что по сравнению с аспарагином,
глутамин обладает большей метаболической активностью. Образовавшиеся в результате амидирования аспарагин и глутамин служат транспортной формой азота из запасающей ткани в
проросток [2]. При этом в зависимости от вида
растения в составе транспортируемых азотных
продуктов может преобладать тот или иной
амид. У пшеницы, например, основной транспортной формой органического азота является
глутамин, у люпина аргинин. Важно отметить
Естественные науки
и специфическую роль глутамина в прорастающих семенах как вещества, участвующего
в активировании фитазы фермента, осуществляющего мобилизацию фосфорных запасов
семени при прорастании.
Высокое содержание в запасных белках аргинина объясняют [13] тем, что он наряду с глутамином представляет собой резервный фонд
азота у растений. Это предположение становится вероятным, если учесть, что в молекуле
аргинина содержится 32,2 % азота, а сам аргинин накапливается в семенах в значительных
количествах. Так, в зародышах семян фасоли
свободный аргинин составляет 60–80% от суммарного содержания свободных аминокислот
[10]. В этой же работе показано, что концентрация аргинина особо велика в гипокотиле
– органе, который первым переходит к активному росту. В процессе прорастания содержание свободного аргинина в зародыше быстро
падает и на смену ему приходит глутаминовая
кислота. На этой основе авторы предположили,
что аргинин, равно как и глутаминовая кислота, выполняет функцию легко мобилизуемых и
подвижных резервов восстановленного азота.
Высокое содержание пролина в запасных
белках, по-видимому, можно объяснить тем,
что он подобно аргинину и амидам дикарбоновых кислот является легко метаболизируемым
веществом, связанным путем обратимых реакций с такими физиологически активными аминокислотами, как глутаминовая кислота и аргинин [5]. Наряду с этим известно, что пролин в
форме оксипролина входит в состав клеточных
стенок. Поскольку прорастание сопровождается новообразованием клеток, то предполагают,
что он также используется в качестве конституционного вещества.
Таким образом, у злаков функцию резервного азота в той или иной сте¬пени выполняет
каждая из четырех вышеназванных фракций
белка. Доля их вклада в ростовые процессы оси
прорастающего зародыша до сих пор мало изучена. Однако прежде всего важно знать, какова
связь между общим количеством резервного
белка в зерновке и ростом проростка.
Объектами исследований были представители семейства Роасеае; Agropyron cristatum
(L) Beaw, Festuca Litvinovii (J3vel) E. Alexeev и
Spodiopogon sibiricus Trin.
Agropyron cristatum – многолетнее рыхлокустовое дерновинное травянистое растение,
имеет общеазиатский ареал. Это один из немногих видов, обладающий большой экологической амплитудой, сохранился в неизменном
виде с доплейстоценовых времен.
Вид типичен для степных и лесостепных
районов Восточного Забайкалья. Входит в состав травостоя в значительном обилии мятликоковыльных и полидоминантных мелкодерновиннозлаковых степей. Эти степи имеют
хозяйственное использование – ценные пастбища, используются как сенокосы.
Festuca litvinovii – многолетний плотнокустовой мелкодерновинный злак, произрастает на
каменистых склонах и скалах, иногда на песках;
до нижнего горного пояса [12]. Географически
распространение вида ограничено, является
субэндемом.
Овсяница Литвинова широко представлена
в горных степях Восточного Забайкалья, где
часто занимает доминирующее положение,
образуя литвиновотипчаковые степи, хозяйственное значение которых значительно. В
фитомассе этих степей преобладает овсяница
Литвинова – растение высокой питательной
ценности.
Spodiopogon sibiricus – многолетнее корневищное дерновинное травянистое растение.
Вид встречается на каменистых склонах, лесных полянах, среди кустарников, в разреженных лесах; до нижнего горного пояса [12].
Серобородник сибирский – единственный
вид рода, который заходит на север до Прибайкалья, являясь эндемом. М. А. Рещиков [9]
серобородник сибирский относит к реликтам
древесно-кустарниково-травянистой
растительности третичного периода. Серобородник
имеет некоторое кормовое значение: в молодом состоянии удовлетворительно поедается
скотом, а также имеет фитомелиративное значение.
Таким образом, объекты исследований –
реликтовые и эндемичные степные злаки Восточного Забайкалья – представляют собой своеобразную группу растений, что проявляется
как в их биоморфологическом строении, так и
в физиологобиохимических особенностях.
Для семян исследованных ксерофитных
злаков очень важно быстро перейти в состояние активного метаболизма, который, в свою
очередь, приведет к интенсивному росту осевых органов проростка. Общеизвестно, что
основные запасы у злаков сосредоточены в
эндосперме, поэтому рост осевой части проростка находится в зависимости от величины
запасов семени и от скорости их мобилизации.
У изучаемых злаков в течение 24 ч после начала
прорастания обнаружена мобилизация и отток
питательных веществ из эндосперма в зародыш
(рис. 1, 2). Об этом также свидетельствуют данные содержания общего азота в эндосперме
прорастающих зерновок (рис. 3). Усиленный
69
Ученые записки ЗабГГПУ
отток веществ идет после 24-часового проращивания у овсяницы и житняка, а у серобородника это наблюдается после 48 ч прорастания.
Мы произвели такие расчеты для исследованных видов, являющихся объектами наших опытов. Результаты (табл. 1) согласуются с темпами
роста проростков данных злаков. У житняка
интенсивность роста проростков значительно
выше, чем у других злаков, и, видимо, определяется темпами мобилизации запасных веществ
семени. Для других злаков (серобородник)
меньшее количество мобилизуемых в процессе
прорастания веществ не означает, что мобилизуется и меньше энергии. В этом случае можно предположить, что более медленный расход запасов при росте приростка определяется
другими причинами: общим запасом веществ в
семени, активностью ферментативных систем,
уровнем сформированности зародыша и т.д.
Таблица 1
Эффективность использования проростком
запасных веществ семени при прорастании, %
24
48
72
Житняк гребенчатый
28
48
72
Овсяница Литвинова
10
60
66
Серобородник сибирский
10
15
61
Время прорастания
Вид
Известно, что рост стимулирует мобилизацию веществ. У житняка этот процесс идет
интенсивно, с первых часов прорастания. У
овсяницы и серобородника интенсивность роста проростков к 72 ч выравнивается и мобилизация веществ эндосперма в зародыше так
же выравнивается. На ход прорастания семян
и темпы роста проростков в значительной степени влияет количество и природа запасных
белков. Известно, что белковистые семена поглощают больше воды, чем масличные. Наиболее гидрофильными соединениями являются
белки, целлюлоза и пектиновые вещества семени [6]. Отмечено также повышение энергии
прорастания у зерна пшеницы с более высоким
содержанием белка. В опытах с семенами яро-
70
вой пшеницы установлено, что высокобелковое
зерно, несмотря на меньшую абсолютную массу, имело большую всхожесть и давало более
продуктивные растения, чем зерно с низким
содержанием белка. Таким образом, интенсивный рост проростков находится в тесной связи
с количеством запасного белка в эндосперме.
Семена различных растений существенно различаются по природе запасных белков. Двудольные в качестве основного запасного белка семян содержат глобулины, в то время как
злаки – проламины и глутелины [2]. Проламины – глобулярные белки, бедны некоторыми незаменимыми аминокислотами, содержат
большое количество глутаминовой кислоты и
пролина (до 14%). Глутелины – простые белки,
содержащие глутаминовую кислоту и лизин.
Кроме этого, в состав белков семян входят водорастворимые альбумины и солерастворимые
глобулины.
Мы провели определение фракционного состава белков при прорастании злаков (рис. 4).
Изученные виды значительно различаются по
фракционному составу белков в эндосперме.
У исследованных злаков в эндосперме преобладает фракция щелочерастворимых белков
– глутелинов (40–45%). У житняка выше содержание альбуминов, но несколько меньше
проламинов, что соответствует 38% и 13% от
общего содержания белка. Расход отдельных
фракций белка на протяжении 72 ч прорастания показал, что интенсивный распад белков
начинается до 24 ч прорастания. В эндосперме
зерновок серобородника быстрее расходуются
альбумины, чем другие фракции белка. За первые 24 ч прорастания в эндосперме используется около 95% альбуминов от исходного содержания этих белков в зрелых зерновках, тогда как у
овсяницы и житняка расщепление альбуминов
составляет только 70 и 60% соответственно. Согласно широко распространенным представлениям, альбумины включают преимущественно
ферментативные белки, являются легкомобилизуемым резервом белка при переходе зародыша к росту. Находящиеся в эндосперме зерновок исследованных злаков глобулины при
прорастании расходуются наиболее медленно.
Наиболее активно расходуются проламины,
значительно медленнее глутелины.
Естественные науки
масса сухого эндосперма мг/100 зерновок
250
200
150
серобородник
житняк
овсяница
100
50
0
0
24
48
72
время прорастания, часы
Рис. 1. Изменение содержания сухого вещества в эндосперме прорастающих злаков
содержание сухого веса мг/100 органов
30
25
20
серобородник
15
житняк
овсяница
10
5
0
0
24
48
72
время прорастания, часы
Рис. 2. Содержание сухого вещества в зародыше прорастающих семян злаков
содержание сухого веса мг/100 органов
80
70
60
50
серобородник
40
житняк
овсяница
30
20
10
0
0
24
48
72
время прорастания, часы
Рис. 3. Изменение содержания общего азота в эндосперме зерновок злаков
Расходы запасов семени при прорастании
могут быть в первую очередь использованы
на получение в процессе дыхания энергии,
необходимой для последовательной цепи биохимических реакций и образования новых
структур организма. В результате этого часть
веществ семени преобразуется в структурно
и функционально организованное вещество
проростка. Величина этой части определяет
эффективность использования ростком запасов семени [8]. Эту величину можно выразить в процентах, применяя формулу
А = а 100/б, где
А – эффективность использования запасов семени; «а» – масса сухого вещества
в 100 выросших проростках и «б» – масса
(в г) сухого вещества, израсходованного сотней семян на образование проростков.
71
Ученые записки ЗабГГПУ
Серобород ник
45
белок, мг/г сухого веса
40
35
30
Глутелин
25
Проламин
20
Альбумин
Глобулин
15
10
5
0
0
24
48
72
время прорастания, часы
Овсяница
40
белок, мг/г сухого веса
35
30
Глутелин
25
Проламин
20
Альбумин
15
Глобулин
10
5
0
0
24
48
72
время прорастания, часы
Житняк
45
белок, мг/г сухого веса
40
35
30
Глутелин
25
Проламин
20
Альбумин
15
Глобулин
10
5
0
0
24
48
72
время прорастания. часы
Рис. 4. Изменение содержания белка в эндосперме при прорастании семян
ксерофитных злаков
Таким образом, у ксерофитных злаков интенсивность мобилизации отдельных белков
эндосперма при прорастании различна.
В связи с тем, что в литературе имеются сведения о корреляции устойчивости растений с
содержанием аминокислот, мы сочли необходимым определить аминокислотный состав и
его изменение при прорастании у ксерофитных злаков. Качественный и количественный
состав аминокислот определяли на автоматическом аминокислотном анализаторе Т-339
(ЧССР) на ионообменной смоле OSTION LG AN
72
в режиме анализа физиологических жидкостей
в Li-цитратной системе элюирования.
В опыте идентифицировано 17 аминокислот
(табл. 2). Результаты показывают, что житняк и
овсяница имеют близкое по значению количество аминокислот, что нельзя сказать о содержании аминокислот в белках у серобородника. Наибольшее значение от общей фракции
аминокислот в белке составляют глутаминовая
кислота, гистидин, аргинин, у серобородника
так же аланин.
Естественные науки
Содержание аминокислот в белке при прорастании зерновок злаков
(в % от общей суммы аминокислот)
Аминокислота
Житняк гребенчатый
Овсяница Литвинова
Таблица 2
Серобородник сибирский
0
24
48
72
0
24
48
72
0
24
48
72
Аспарагиновая
1,01
2,60
4,00
3,90
1,80
2,93
3,20
3,50
1,90
4,90
4,20
5,50
Треонин
3,40
2,70
4,10
5,70
3,38
2,44
2,36
2,60
2,60
3,50
2,80
3,60
Серии
4,80
5,20
5,50
5,40
4,55
3,90
3,75
4,50
5,60
5,50
5,20
4,30
Глутаминовая
19,40
24,80
25,50
18,21
22,00
26,80
26,40
20,80
16,40
17,71
18,60
16,19
Глицин
7,51
6,90
5,90
6,89
7,20
7,20
7,27
10,00
3,61
3,80
4,00
4,41
Аланин
5,10
4,87
3,32
10,34
5,20
4,75
4,72
6,70
16,06
17,31
16,00
16,84
Валин
3,64
3,08
3,20
4,10
5,20
4,20
3,96
3,90
5,10
5,00
4,94
4,90
Цистеин
3,09
2,70
2,90
3,10
3,09
2,70
2,70
3,50
2,48
2,30
2,20
2,28
Метионин
1,35
1,40
1,10
1,10
1,48
1,30
1,20
1,20
2,50
2,31
2,52
2,70
И-лейцин
2,80
2,55
2,20
1,70
3,32
3,20
2,40
3,30
5,70
4,68
4,11
3,00
Лейцин
5,88
5,45
4,20
5,79
6,26
5,90
6,00
5,90
8,90
8,70
10,70
10,07
Тирозин
2,05
2,20
1,80
1,45
2,60
1,96
2,30
1,50
3,59
2,90
3,00
2,66
Фенилаланин
4,19
4,30
3,59
2,90
5,90
5,10
4,79
5,17
5,40
4,19
4,38
5,45
Пролин
5,41
4,19
4,31
4,09
4,45
2,79
2,31
4,09
1,44
1,72
1,9
1,75
Лизин
6,02
5,30
3,60
5,08
5,73
5,09
4,40
5,10
4,70
3,80
4,29
4,00
Гистидин
10,87
8,60
7,60
9,70
8,50
7,80
11,35
6,13
4,10
3,48
3,70
5,50
Аргини
13,48
13,16
17,18
10,52
12,34
11,94
10,89
12,21
7,79
8,17
7,46
6,94
СПИСОк Литературы
1. Вакар А. Б. Белковый комплекс клейковины / отв. ред. В.А. Кретович // Растительные белки и их
биосинтез. М.: Наука, 1975. С. 38–58.
2. Измайлов С. Ф., Пискарская В. П., Смирнов А. М. Взаимодействие радиального и продольного транспорта органического азота в корнях проростков кукурузы при их питании с сахарозой //
Физиология растений растений.1979. Т. 26 С.108–114.
3. Клименко В. Г. Белки созревающих семян бобовых растений. Кишенев: Штиинца, 1975. 121 с.
4. Конарев В. Г. Белки пшеницы. М.: Колос, 1980. 351 с.
5. Кретович В. Л. Биохимия растений. М.: Высшая школа, 1980. 448 с.
6. Обручева Н. В., Антипова О. В., Иванова И.М. Запуск роста осевых органов и его подготовка при
прорастании семян, находящихся в вынужденном покое // Физиология растений. 1993. Т. 40. Вып. 5.
С. 742–748.
7. Прянишников Д. Н. Азот в жизни растений и в земледелии СССР. М.: Изд-во АН СССР, 1945. 199 с.
8. Реймерс Ф. Э., Илли И. Э. Физиология семян культурных растений Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. 144 с.
9. Рещилов М. А. Степи Западного Забайкалья. М.: Наука, 1961. 172 с.
10. Ситник К. М., Богданова Т. А., Мусатенко Л. Аминокислоты орнтинового циклу nig час дозревания I прорастания насiнини // Укр. Ботан. журн. 1980. Т. 37. С. 7–10.
11. Соболев А. М. Запасные белки в семенах растений. М.: Наука, 1985. С. 113-164.
12. Цвелев Н. Н. Злаки СССР. Л.: Наука, 1976. 788 с.
13. Elmore C., King E. Ameno acid composition of derminating cotton seeds // Plant Physiol. 1978. V. 62.
P. 531–535.
14. Murray O. Astorage role of albuminc in pea cotyledons // Plant and Cell Environ. 1976. V. 2.
P. 221–226.
73