Влияние аммиакатов на фотосинтез, продуктивность
advertisement
На правах рукописи СЕРГЕЕВА АЛЕКСАНДРА АЛЕКСАНДРОВНА ВЛИЯНИЕ АММИАКАТОВ НА ФОТОСИНТЕЗ, ПРОДУКТИВНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УДОБРЕНИЙ 06.01.04 – агрохимия 03.00.12 – физиология и биохимия растений АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва - 2007 Работа выполнена в лаборатории биохимии апопласта Казанского Института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН и в ГУ «Татарский НИИ агрохимии и почвоведения РАСХН» Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук Ахтам Хусаинович Яппаров доктор биологических наук, профессор Владимир Иванович Чиков доктор биологических наук, профессор Официальные оппоненты: Наталья Ивановна Аканова доктор биологических наук Любимов Валерий Юрьевич ФГУ ВПО Казанский государственный Ведущая организация: аграрный университет, г. Казань Защита состоится 1 марта 2007 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д 006.029.01 в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова (ВНИИА) по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 31А С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова Автореферат разослан « __ » _________________ 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук С.И. Цыганок 2 ОБЩАЯ ХАРКАТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Одним из важных приемов повышения урожайности сельскохозяйственных культур является оптимизация минерального питания растений. В наибольшей мере это относится к азотным удобрениям, так как растения наиболее чутко реагируют и на недостаток, и на избыток именно этого элемента. Исследованиями физиологов растений установлено, что повышение уровня азотного питания усиливает неуглеводную направленность фотосинтеза (Карпилов, Недопекина, 1965; Андреева, Авдеева, 1982; Чиков, 1987) и тормозит транспорт ассимилятов из листьев (Тарчевский и др., 1973). Негативные изменения в основном связаны с действием нитратного азота (Чиков, 1998). Исследование распределения 14 С среди продуктов фотосинтеза в мезофилльных клетках и апопласте выявило, что в условиях повышенного нитратного питания усиливается гидролиз сахарозы в межклетниках листа (Chikov et al., 2001), а так как продукты гидролиза (глюкоза и фруктоза) уже не могут "загружаться" во флоэмные окончания, то они вынуждены возвращаться в клетки мезофилла, где активируют ростовые процессы листа. Поскольку апопластная инвертаза активна в кислой среде (Курсанов, 1976), то на процесс транспорта ассимилятов через апопласт и фотосинтез можно повлиять, изменив рН апопласта путем вытеснения ионов водорода из внеклеточной жидкости с помощью адсорбирования других положительно заряженных ионов на клеточных стенках мезофилла. Роль таких ионов могут играть тяжелые металлы, которые, адсорбируясь на фибриллах целлюлозы клеточных стенок (Blinda et al., 1997), своим положительным зарядом "выталкивают" из жидкости апопласта ионы водорода, тем самым подщелачивая водную среду. "Агентами", несущими ионы металла, являются аммиакаты - комплексные соединения некоторых металлов (Zn и Cu) с аммиаком (Чиков, 2002), общая формула которых [Металл(NH3)n]+m(Анион)-m). Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы – обоснование возможности и установление дозы применения нового препарата аммиакатов, как стимулятора оттока ассимилятов, его влияние на продуктивность растений и эффективность использования минеральных удобрений в растениеводстве. Задачи исследования: 1. Изучить распределение 14С среди меченых продуктов фотосинтеза листьев льнадолгунца, в побег которого вводится раствор аммиакатов (СтО); 3 2. Оценить влияние обработки растений аммиакатами на метаболизацию экзогенной 14C-глюкозы в листьях льна-долгунца; 3. Изучить влияние опрыскивания посевов аммиакатами на продуктивность различных сельскохозяйственных культур (сахарной свеклы, ячменя и томатов); 4. Провести качественную оценку продукции сельскохозяйственных культур (сахарной свеклы, ячменя); 5. Установить эффективность использования минеральных удобрений. Научная новизна. Впервые установлено, что с помощью аммиакатов можно препятствовать чрезмерному гидролизу транспортного продукта фотосинтеза – сахарозы. При этом повышается экспортная функция листьев и хозяйственная продуктивность растений. Впервые изучено влияние опрыскивания аммиакатами на качество и количество растениеводческой продукции на различных сельскохозяйственных растениях (сахарной свекле, ячмене, томатах). Обработка аммиакатами позволяет снизить дозы используемых азотных удобрений. Практическая значимость работы заключается в том, что предложен новый препарат – аммиакаты - в качестве стимулятора оттока ассимилятов, повышающий продуктивность сельскохозяйственных культур, путем опрыскивания растений каталитическими дозами раствора. Положения, выносимые на защиту: 1. Раствор аммиакатов, попадая в апопласт листьев растений в каталитических количествах, стимулирует фотосинтез; 2. Аммиакаты способствуют усилению углеводной направленности фотосинтеза; 3. Использование препарата повышает доли низкомолекулярных транспортных веществ и соотношения радиоактивности сахарозы/гексозы среди меченых продуктов ассимиляции 14СО2; 4. Опрыскивание посевов сельскохозяйственных культур (сахарной свеклы, ячменя и томатов) повышает их продуктивность и обеспечивает снижение количества азотных удобрений, вносимых в почву; Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на V Всероссийском съезде ОФР России (Пенза, 2003), Международной школе-конференции молодых ученых "Биология – наука ХХI века" (Пущино, 2004), Международной 4 конференции “Проблемы физиологии растений Севера” (Петрозаводск, 2004), Всероссийской научной конференции "Пути мобилизации биологических ресурсов повышения продуктивности пашни, энергоресурсосбережения и производства конкурентоспособной продукции" (Казань, 2005), итоговых научных конференциях Казанского научного центра РАН (2004, 2005). Препарат на основе аммиакатов прошел испытания в АКХ им. Кирова Буинского района, на Апастовском, Заинском госсортоучастках, и в ООО "Агрокомбинат Майский" Республики Татарстан. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных публикаций, из них 5 статей, в том числе 2 - в рецензируемых журналах из списка ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 19 таблиц и 10 рисунков. Она состоит из разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, заключение, выводы и предложения производству, список литературы (140 наименований, в том числе 70 иностранных авторов). Благодарности. Считаю своим приятным долгом поблагодарить д.б.н., профессора В.И. Чикова и д.с.-х.н, профессора А.Х. Яппарова за ценные советы при обсуждении полученных результатов; сотрудников лаборатории биохимии апопласта Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН; сотрудников отдела воспроизводства почвенного плодородия и питания растений ГУ "Татарский НИИ АХП РАСХН", д.б.н., с.н.с. И.А. Дегтяреву за поддержку и внимание; главного специалиста ОАО "Красный Восток" И.Ф. Левина; директора ООО "Майский" И.Г. Ганиева и агронома И.Ш. Музафарова. 1. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Физико-географическая характеристика и природно-климатические условия района исследований. Лабораторные и научно-производственные опыты проводились с 2002 по 2006 г.г. Исследования проводили на вегетационной площадке Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН, в ГУ «Татарский НИИ агрохимии и почвоведения РАСХН», ООО "Агрокомбинат Майский" Зеленодольского района, в АКХ им. Кирова Буинского районов, на Апастовском и Заинском госсортоучастках Республики Татарстан. 5 Урожайность и биохимические показатели сельскохозяйственных растений при применении аммиакатов Экспериментальные и лабораторные исследования влияния аммиакатов на лен-долгунец Введение раствора в побег Экстрагирования Опрыскивание растений Хроматография Параметры исследований Радиоизотопный Радиоавтография Научно-производственные опыты Сахаристость Белковость зерна Сахарная свекла Томаты Ячмень Урожайность Дозы минеральных удобрений Концентрация и сроки опрыскивания аммиакатами Эффективность использования аммиакатов, рекомендации производству Рис 1. Направление и объем исследований Проведены научно-производственные опыты на нескольких сельскохозяйственных культурах, в которых были использованы различные сорта растений. Схема направления 6 и объем исследований представлена на рис. 1, а экспериментальные и научнопроизводственные опыты на рис. 2. Лен-долгунец Новоторжский 1–К 40 мин (3 повтор- + 3 мин (экспоностях) зиция 14СО2) 1–О (8 повторностей) Соединения Методы определения 14С Продолжительность опыта, Варианты опыта Вид растений, сорта РАЗДЕЛ 1. Влияние введения аммиаката в побег льна-долгунца с транспирационным током воды Опыт № 1 (научно-экспериментальный) Радиоизотопный Хромотография Радиоавтографией Сахароза Гексоза Сахароза/гексоза ФЭС Аминокислоты Олигосахара Малат Серин Глицерат Пигменты Прочие РАЗДЕЛ 2. Влияние опрыскивания аммиакатами растений льна-долгунца Опыт № 2 (научно-экспериментальный) Лен-долгунец Новоторжский 1–К (3 повторностях) 1–О (8 повторностей) 2 часа Радиоизотопный (экспозиция Экстрагирования меченой Радиоавтографией. глюкозы) Низкомолекулярные водорастворимые вещества Водорастворимые белки Солерастворимые белки Спирторастворимые белки Щелочерастворимые белки Белки, растворимые в тритон-Х100 Полисахариды, растворимые в горячей воде Крахмал Нерастворимые полисахариды Сахарная свекла ЛБМС-1, Крокодил, Ахат, Рамонская односемянная Ячмень Раушан Данута Томаты Валет 1800 контроль Р60К150+N75* Р60К150+N90* Р60К150+N105* 30 Корнеплоды Количественная характеристика определяемых органов Качественная характеристика Урожайность Дозы СтО, мл/л Удобрения, кг/га (д.в.*) Площадь, м2 Вид растений, сорта РАЗДЕЛ 3. Опрыскивание аммиакатами сельскохозяйственных растений Опыт № 3 (научно-производственный) Сахаристось - Белок Зерно Опыт № 4 (научно-производственный) 200 0–К (неудобреный) 270 - NH4NO3 0 10 30 Зерно компьютерная дозировка 30 Плоды Опыт № 5 (научно-производственный) 100 Листья - Рис. 2. Экспериментальные и научно-производственные опыты 7 Согласно агроклиматическим условиям Республика Татарстан - это прохладный район. Сумма активных температур колеблется в пределах 2070-2130°С. Количество осадков с мая по сентябрь составляет более 250 мм. Гидротермический коэффициент довольно высокий (превышает 1,0). Весенние заморозки на повышенных местах заканчиваются во второй декаде, а на пониженных - в третьей декаде мая. Период активной вегетации (с накоплением массы органического вещества) - 140-170 дней. Объектом при изучении влияния аммиакатов на фотосинтетический метаболизм 14 СО2 в лабораторных условиях выбран лен-долгунец сорта Новоторжский. Исследования выполнялись в условиях вегетационного опыта, заложенного в 2002 году на растениях льна-долгунца выращенных, на вегетационной площадке Казанского института биохимии и биофизики Казанского научного центра РАН при естественных условиях температуры и влажности воздуха. Закладка опытов проводилась по методике З.И. Журбицкого (1968) на растениях, выращенных в вегетационных сосудах Вагнера, вмещающих 9 кг 450 г почвы. Для исследования использовалась серая лесная среднесуглинистая почва со следующей агрохимической характеристикой: pH – 6,0, гумус – 3,3%, N щелочно-гидролизуемый - 86,6 мг/кг, P2O5 и K2O – 161,8 и 127,8 мг/кг соответственно. Перед посевом в почву вносили Р, К в расчете 105 мг/кг почвы каждого элемента. Азотные удобрения вносили в виде аммиачной селитры (NН4NО3) в дозе – 1 г азота на сосуд. Посев осуществлялся сухими семенами по 60 шт./сосуд. Оптимальное увлажнение осуществляли путем полива сосудов по весу до 70% ППВ. Все опыты с 14СО2 проведены с 10 до 12 часов, когда интенсивность фотосинтеза достигает максимума, а полуденная депрессия еще не возникает. В исследованиях использована смесь аммиакатов цинка и меди в сочетании 1:1. Полученный в ходе синтеза препарат представляет собой водный раствор, в котором формируется смесь комплексных ионов переменного состава молекулярных формул: n1NH4+ + n2CO32 + n3[Cu(NH3)4]2+ + n4[Zn(NH3)4]2+ + n5[Cu(NH3)3]2+ + n6[Zn(NH3)3]2+ + n7[Cu(NH3)2]2+ + n8[Zn(NH3)2]2+ + n9[Cu(NH3)]2+ + n10[Zn(NH3)]2+ + n11Cu2+ + n12Zn2+ + n13HCO3, где n1-13 число соответствующих ионов в растворе. Все комплексные соединения устойчивы только в водном растворе и при упаривании разлагаются. В опытах изучали два способа применения аммиакатов: первый – введение раствора в побег льна-долгунца и второй – опрыскивание растений. 8 Для выяснения метаболитной судьбы, меченая глюкоза вводилась с транспирационным током воды в растение с помощью специальной установки (рис.3). Исследование 14 С-глюкозы в различных тканях льна-долгунца проводили в период бутонизации. Аммиакаты (в концентрации 10-6 М) вводили в срезанный под водой побег льна-долгунца (высота растений 50-60 см) и закрепляли в специальном приспособлении, с помощью которого раствор можно было подавать под давлением 0,1 атм., равным обычному корневому давлению пасоки. Предварительные опыты показали, что в такой системе растение может функционировать в условиях июльской температуры и освещенности в течение нескольких дней без видимых повреждений. Рис. 3. Схема введения в побег льна-долгунца воды или экзогенной 14 С-глюкозы через транспирационный ток воды Обозначения: 1 - разъемная обкладка с резиновым уплотнителем; 2 - силиконовая трубка с раствором; 3 - погруженный в воду моностат для стабилизации давления воздуха; 4 – компрессор Необходимый эквивалент корневого давления создавали воздушным компрессором. При этом избыток давления сбрасывался через моностат, погруженный в воду на глубину 100 см. Таким образом, создавалось постоянное давление подаваемого в растение раствора. В качестве контроля в побег вводили дистиллированную воду. После 40 мин поступления раствора в побег на верхнюю часть растения надевали 9 фотосинтетическую камеру, в которую с помощью компрессора подавали из газгольдера 14 СО2. Через 3 мин экспонированную в 14 СО2 часть побега срезали, расчленяли на листья, луб и древесину, также фиксировали верхушку, которую отделяли от побега в характерной «точке слома» (Gorshkova et al., 2003). Фиксированные пробы растирали 60% этанолом, после нанесения гомогената на диски хроматографической бумаги определяли радиоактивность на сцинтиляционном счетчике "Дельта-300" (США). Нативные растения льна-долгунца опрыскивали раствором аммиакатов (10-6 М), а затем в срезанный побег вводили раствор 14 С-меченой глюкозы. Через 2 часа растения фиксировали паром кипящей воды, с последующей досушкой при температуре 60С. Размолотый фиксированный и высушенный материал анализирован на содержание 14С в различных по растворимости фракциях веществ: извлекаемых безводным ацетоном (липиды и пигменты), извлекаемые водой (низкомолекулярные соединения), с последующим диализом через мембраны фирмы Baxter (США и Канада), пропускающими вещества с молекулярной массой менее 6000 кД (водосолерастворимые белки). Оставшиеся в диализных мешках вещества далее экстрагированы 0,2 М NaCl; 80,0%-этанолом (спирторастворимые белки); горячей водой для экстрагирования растворимых пектинов, 0,1 М КОН (щелочерастворимые белки) и тритон-Х100 (труднорастворимые белки). Осадок обрабатывали -амилазой (Sigma, США) в концентрации 1 мг/л для гидролиза крахмала и определения в нем конечного осадка рассматривали как включение 14 14 С. Радиоактивность С в нерастворимые полисахариды (целлюлоза). Для изучения влияния аммиакатов на распределение 14 С среди низкомолекулярных продуктов фотосинтеза применяли хроматографию на бумаге с последующей радиоавтографией. Радиоактивность проб и пятен на хроматограммах, соответствующих меченым соединениям, определяли на сцинтиляционном счетчике "Дельта-300" (США). Полевые опыты на сахарной свекле проведены в хозяйствах Буинского района на разных сортах: ЛБМС-1, Крокодил, Ахат, Рамонская односемянная. Продолжительность вегетационного периода сахарной свеклы в республике 130-140 дней. Почва опытного участка – выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем со следующей агрохимической характеристикой: pH – 6,39, гумус – 7,46%, P2O5 и K2O –175 10 и 234 мг/кг соответственно. Схема опыта (двухфакторного). Формула опыта АБ – 4х2; число вариантов – 8; количество делянок – 24. Фактор А – дозы азота под сахарную свеклу, кг/га д.в.: 1-N75, 2N90, 3- N105, 4 - N120. Фактор Б – обработка посевов сахарной свеклы аммиакатами: 1 – без опрыскивания аммиакатами, 2 – опрыскивание аммиакатами. Размеры делянок: первого порядка – 4мх25м=100м2, второго порядка – 4мх12,5м=50м2. Размещение вариантов – метод расщепленных вариантов. Содержание сахара в выжатом соке сахарной свеклы определяли на рефрактометре РЛУ. На Апастовском и Заинском госсортоучастках РТ совместно с ОАО "Красный Восток" были проведены испытания влияния аммиакатов на урожайность и качество ячменя сортов Раушан и Данута. Опрыскивание растений аммиакатами проводили сразу после цветения. Белковость ячменя проверяли на аппарате «Инфратек» (Чехия). Почва Апастовского госсортучастка – выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем со следующей агрохимической характеристикой: pH – 5,5, гумус – 6,2%, P2O5 и K2O – 192,0 и 174,0 мг/кг соответственно. Почва Заинского госсортучастка – выщелоченный чернозем. pH – 5,5, гумус – 7,38%, P2O5 и K2O – 132,0 и 130,0 мг/кг соответственно. В почвенных образцах определяли: рН солевой вытяжки – потенциометрически; содержание гумуса – по Тюрину; содержание подвижного фосфора (Р2О5) и обменного калия (К2О) – по Чирикову. Испытания на томатах сорта Валет проведены в ООО «Агрокомбинат «Майский». В совхозе используются системы капельного полива: датская - Volmatic и израильские - Eldar Gall и Netafim. Во всех цехах на оставшихся площадях успешно работает автоматизированный растворный узел российской фирмы «Фито». Субстрат тепличного грунта – природный цеолит. Семена томатов высевали в кассеты, заполненные цеолитом. Рассаду из кассет пикировали при наличии двух настоящих листьев в горшки емкостью 0,9-1,0 л. Растения томатов по достижении 50-55 дневного возраста высаживали в грунт. Субстрат перед высадкой рассады в грунт насыщали растворами удобрений, дозы которых зависели от состава субстрата. Питание растений, размещенных в грядках или контейнерах, велось в течение всей вегетации томатов через систему капельного полива по капельницам, подведенным к 11 корням каждого растения. Концентрация питательного раствора, его объем, время подкормки регулировались на компьютере по специальной программе. Статистическая обработка результатов. Измерение всех параметров проводили не менее чем в трехкратной повторности. Экспериментальный материал обработан статистически (Лакин, 1990). В таблице представлены среднеарифметические данные со стандартной ошибкой. 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Влияние введения раствора аммиакатов в апопласт побега льна-долгунца на фотосинтетическую ассимиляцию 14СО2 листьями Результаты исследований показали, что введение аммиакатов во внеклеточное пространство льна-долгунца вызвало стимуляцию фотоассимиляции 14 СО2 всем побегом. В большей степени это проявилось на ювенильных листьях, что связано с трудностями экспорта сахарозы из молодых листьев из-за несформированной флоэмы. Большее накопление у опытных растений меченого углерода в стеблевой части побега происходило в связи с большим экспортом ассимилятов из зрелых листьев-экспортеров. Анализ распределения 14 С среди меченых продуктов фотосинтеза в зрелых листьях- донорах ассимилятов обнаружил повышение соотношения метки сахарозы/гексозы в опытном варианте, что свидетельствует о снижении степени гидролиза сахарозы. С этим же, по-видимому, связано и увеличение содержания 14 С в ювенильных листьях, куда меченые продукты фотосинтеза могут попасть после их выхода в апопласт с током транспирационной воды (рис. 4). Рис. 4. Влияние введения в апопласт побега льна-долгунца раствора аммиакатов (10-6М) на ассимиляцию побегом 14СО2 Обозначения: К - контроль (введение воды), О - опыт (введение аммиакатов) 12 Меньшее содержание метки в монозах объясняет и пониженную радиоактивность олигосахаридов у опытных растений. Увеличение у них радиоактивности малата и глицерата было связано с тем (рис. 5), что ион калия транспортировался из корней в листья с нитрат-ионом, а возвращался обратно в корни за следующей порцией нитрата с анионом малата (Липс, 1997). Более успешный экспорт "свежих" ассимилятов (в виде сахарозы) из листьев опытных растений несколько снижал включение 14 С в продукты гликолатного пути (образование серина). При этом увеличивалась фиксация 14 СО2 по темновому типу (образование с помощью ФЕП-карбоксилазы малата и аспартата). Рис. 5. Схема регуляции аммиакатами фотосинтеза и взаимоотношения между корнями и фотосинтетическим аппаратом растения Обозначения: РБФ - рибулозобисфосфат; РБФК - рибулозобисфосфат- карбоксилаза/оксигеназа; ФЭС - фосфорные эфиры сахаров; ИНВ - инвертаза (фермент гидролизующий сахарозу в апопласте); [М +] - ион металла аммиаката Уменьшение поступления у опытных растений меченого углерода в органические кислоты и аминокислоты снижало синтез белков. Меньшее образование количества моноз, в результате снижения гидролиза сахарозы, приводило к уменьшению радиоактивности олиго- и полисахаридов (табл. 1). 13 Таблица 1 Влияние введения аммиакатов (10-6 М) с транспирационным током воды в апопласт побега на распределение 14С среди меченых продуктов 3 минутной фотоассимиляции 14 СО2 зрелыми и ювенильными листьями льна-долгунца (в % от радиоактивности) Зрелые листья Соединения вода Сахароза 59,4 1,6 Гексоза 4,3 0,5 Сахароза/гексоза 13,8 ФЭС 3,2 0,4 Аминокислоты 21,1 1,2 В том числе: серин 5,7 0,1 малат 1,8 0,1 глицерат 0,8 0,1 пигменты 2,7 0,2 олигосахара 2,9 0,2 Прочие 3,8 Ювенильные листья СтО Вода СтО 59,3 1,1 3,3 0,1 18,0 5,2 0,4 19,3 1,1 4,8 0,3 3,9 0,3 2,0 0,2 2,2 0,2 2,3 0,1 2,5 40,1 1,5 8,3 0,6 4,8 0,5 4,5 0,5 30,0 1,7 9,5 0,4 4,5 0,2 1,7 0,3 4,2 0,3 4,0 0,3 2,7 45,4 1,7 6,1 0,7 7,4 0,6 3,2 1,1 27,3 1,6 7,2 0,5 5,6 0,3 3,6 0,3 2,6 0,1 0,6 0,1 5,6 Полученные данные свидетельствуют о благоприятном влиянии аммиакатов на синтез сахарозы и ее экспорт из листа. Поскольку сахароза частично гидролизуется в апопласте, а продукты ее гидролиза (глюкоза и фруктоза) обратно возвращаются в мезофилльные клетки и там метаболизируются, то нами было проверено, как влияет обработка растений путем опрыскивания аммиакатами на метаболизацию экзогенной меченой глюкозы. 2.2. Влияние опрыскивания аммиакатами растений льна-долгунца на метаболизацию 14С-меченой экзогенной глюкозы Для изучения влияния опрыскивания растений аммикатами на метаболизацию экзогенной меченой глюкозы нативные растения льна-долгунца опрыскивали раствором аммиакатов в концентрации 10-6, а затем в срезанный побег подавали меченую глюкозу. Обработка растений аммиакатами существенно повысила долю метки в низкомолекулярных (транспортных) веществах. Среди высокомолекулярных веществ у опытных растений больше меченого углерода содержалось в белках и полисахаридах, которые локализованы или синтезированы внутри клетки (табл. 2). Под действием аммиакатов сильно подавлялся синтез полисахаридов, растворимых 14 в горячей воде (в основном это пектины клеточной стенки), но больше 14 С попадало из экзогенной глюкозы в крахмал. Эти два фактора существенно влияли на распределение метки по другим соединениям. В листе, вводимая таким способом меченая экзогенная глюкоза, поступала в обычное фотосинтетическое русло метаболизма углерода с образованием основного транспортного соединения фотосинтеза - сахарозы. Известно (Чиков и др., 2005), что метаболизация меченой глюкозы на свету уже через час достигает 78,0-87,0%. Это означает, что распределение углерода из меченой глюкозы отражает ситуацию с изменениями самого фотосинтеза. Таблица 2 Влияние опрыскивания растений аммиакатами (10-6 М) на распределение 14С среди меченых веществ после метаболизации экзогенной 14С-глюкозы, подаваемой в побег льна-долгунца с транспирационным током воды (% от радиоактивности) Фракции меченых соединений Контроль Опыт Низкомолекулярные водорастворимые вещества Водорастворимые белки 39,2 2,4 56,0 4,0 11,3 2,3* (29,7)** 19,9 3,1* (26,2) ** Солерастворимые белки 7,8 2,0 (20,5) 7,8 0,8 (10,3) Спирторастворимые белки 1,7 0,5 (4,5) 7,3 2,3 (9,6) Щелочерастворимые белки 5,9 0,9 (15,5) 10,8 1,8 (14,2) Белки, растворимые в тритон-Х100 1,9 0,5 (5,0) 4,0 0,7 (5,3) Всего белков 28,6 3,3 (75,3) 49,8 4,7 (65,5) Полисахариды, растворимые в горячей воде 61,8 4,7 23,9 4,8 Крахмал 5,3 0,8 (13,9) 14,5 1,2 (19,1) Нерастворимые полисахариды 4,2 0,3 (11,1) 11,8 1,7 (15,5) Обозначения: * - в % от суммы радиоактивности всех высокополимерных веществ; ** - без полисахаридов, растворимых в горячей воде Таким образом, полученные данные по метаболизации глюкозы также подтверждают, что обработка растений аммиакатами способствовала большему образованию транспортных продуктов фотосинтеза. 15 2.3. Влияние аммиакатов на продуктивность сельскохозяйственных растений 2.3.1. Влияние опрыскивания аммиакатами на продуктивность сахарной свеклы Во всех полевых опытах раствор аммиакатов был использован в каталитических количествах. Фоны азотного питания были созданы внесением азотного удобрения под предшественник сахарной свеклы - озимую рожь. Обработка растений в виде опрыскивания водным раствором проводилась 22 августа. Сахаристость сока корнеплодов сахарной свеклы определяли 22 августа, 6 и 23 сентября. Массу корнеплодов измеряли 24 сентября. Перед обработкой посевов аммиакатами первоначальное определение содержание сахара сока корнеплодов колебалось в пределах от 13,0-15,8%. При этом повышение уровня азотного питания растений вызывало монотонное снижение сахаристости. Определение содержания сахаристости 6 сентября показало (табл. 3), что за две недели произошло заметное ее повышение во всех вариантах опыта. При этом у обработанных аммиакатами растений оно было более выражено (на 1,3 - 1,8%) относительно первоначального показателя контроля. Это свидетельствует о том, что происходящий процесс возрастания сахаристости был сформирован с помощью аммиакатов. Таблица 3 Влияние уровня азотного питания и опрыскивания посева сахарной свеклы стимулятором оттока (СтО) на сахаристость Уровень азотного питания 22 августа Содержание сахарозы, % 6 сентября контроль Р60К150+N75 до опрыскивания 15,8 19,6 Р60К150+N90 14,9 Р60К150+N105 13,0 СтО 23 сентября контроль СтО 20,9 21,5 22,2 20,4 22,2 21,6 22,4 19,1 20,8 20,9 21,5 Через 17 дней (к 23 сентября) продолжалось увеличение сахаристости во всех вариантах. У обработанных растений повышение содержания сахара сохранилось, однако его разрыв сократился и составил 0,6 - 0,8%. 16 120 выход сахара, ц/га 101 100 104 94 92 101 77 80 60 40 20 0 N75 N90 N105 дозы азота кг/га контроль опыт Рис. 6. Выход сахара с гектара при обработке посева сахарной свеклы аммиакатами Наиболее высокий сбор сахара 101–104 ц/га при обработке посева аммиакатами был достигнут при дозах азота 75-90 кг/га д.в. (рис.6), а наибольший прирост сбора сахара от обработки посевов получили на фоне 75 кг/га д.в., что на 24 ц/га (31,0%) превышало показатели контроля. Обработка растений аммиакатами оказывала различное действие и на урожай корнеплодов. Наибольший эффект был отмечен при дозе азота 75 кг/га (табл. 4), где обработка посевов сахарной свеклы повысила урожай на 24,0%, при 90 кг/га – на 9,0%, при 105 кг/га – на 3,0% по отношению к контролю. Это означает, что при применении аммиакатов можно получить повышенный урожай при одновременном снижении уровня минерального питания растений. Таблица 4 Урожайность сахарной свеклы (ц/га) в зависимости от уровня азотного питания и обработки растений аммиакатами № п/п 1 Дозы азота, кг/га д.в. 75,0 Контроль Обработка аммиакатами 359,0 446,0 Прибавка от обработки аммиакатами 87,0 2 90,0 426,0 464,0 38,0 3 105,0 450,0 462,0 12,0 Аммиакаты оказались наиболее эффективным при низком уровне азотного питания растений, то есть в тех условиях, когда фотосинтез имеет наиболее углеводную направленность. Обработка сахарной свеклы аммиакатами способствовала более раннему технологическому созреванию корнеплодов, что означает возможный сдвиг сезона уборки в более благоприятные по погодным условиям сроки. 17 2.3.2. Влияние стимулятора оттока на урожайность и качество ячменя Полученные данные на Апастовском госсортучастке показали (табл. 5), что обработка ячменя аммиакатами в концентрации 30 мл/л как без применения удобрений, так и с использованием их (270 кг/га NH4NO3) обеспечивала повышение урожайности на 19,0-20,0%. При этом происходило не только увеличение белковости зерна, но и возрастала доля крупной фракции зерна. По-видимому, дополнительный приток к корневым волоскам ассимилятов, которые функционировали при достаточной влажности почвы, способствовал усилению поглощения элементов минерального питания, что и привело к повышению белковости зерна. Таблица 5 Влияние дозы стимулятора оттока (СтО) на урожай ячменя и содержание белка Вариант Контроль 10 мл/л Урожай, ц/га 41,0 41,6 57,4 58,6 Содержание белка в зернах, % 10,9 11,5 10,9 11,7 4,47 4,82 Фракции зерен, % 48,0 44,6 5,9 - Неудобренный Удобренный Неудобренный Удобренный Выход белка, ц/га Более 2,8 мм 2,8-2,5 мм 2,5-2,2 30 мл/л 49,2 68,6 13,3 12,5 6,23 72,5 24,2 2,2 На Заинском госсортоучастке к фазе цветения ячменя под действием засухи наблюдалось замедление ростовых процессов, что привело к преждевременному отмиранию корневых волосков. Таблица 6 Влияние обработки СтО на содержание белка в зерне ячменя (%) Содержание белка Отклонение от Сорт контроль обработка СтО контроля Раушан 11,5 10,6 - 0,9 Данута 10,6 10,2 - 0,4 В этом случае усиленный отток ассимилятов из листьев способствовал повышению массы зерна только за счет его углеводной составляющей (крахмала). Поэтому зерно 18 обработанных растений отличалось пониженным содержанием белка (табл. 6). Полученные результаты научно-производственных работ по испытанию выращивания ячменя при опрыскивании растений показали следующее: - обработка ячменя аммиакатами вызывала повышение урожайности на 19,0-20,0%; - применение аммиакатов на посевах ячменя различалось в зависимости от цели его выращивания. Обработка должна проводиться сразу после колошения, если ячмень посеян на фураж. Это способствует как повышению урожая ячменя, так и белковости зерна. При этом возрастает доля крупной фракции в урожае зерна. Для целей пивоварения обработка должна осуществляться позже. 2.3.3. Влияние стимулятора оттока на урожайность томатов защищенного грунта Опрыскивание томатов стимулятором оттока один раз в месяц в концентрациях, использованных и проверенных на других культурах, позволило увеличить число "работающих" листьев и сократить число удаленных. Так, к концу периода наблюдений число "работающих" листьев у опытных растений превысило контроль на 9,0%, а число удаленных снизилось на 11,5%. В результате у опытных растений соотношение "работающих" листьев и удаленных оказалось выше. Это свидетельствует о том, что опытные растения стареют в меньшей степени, и у них осуществляется лучшее снабжение корней продуктами фотосинтеза (рис. 7). 35 30 количество листьев 25 20 15 10 22,5 21,5 20,3 23 21 23,7 20,7 24 27,2 24,6 28,3 25,7 21,3 22,5 21,8 5 23,4 32,1 28,4 21,2 23,2 0 контроль опыт контроль опыт 13мая 20 мая 28 мая 3 июня 10 июня - число работающих листьев - число удаленных листьев Рис.7. Влияние обработки стимулятором оттока (СтО) на морфометрические изменения растений томата (обработки СтО проводились 3 мая и 4 июня) В итоге наблюдалось повышение конечного урожая плодов у обработанных растений от 2,0 до 14,0% (табл. 7). 19 Таблица 7 Влияние опрыскивания СтО на урожай томатов (кг/секция) Сроки обработки 3 мая 4 июня 2 июля Сроки определения урожая 10-20 мая Контроль Опыт 520,0 10,0 531,0 15,0 Опыт в% к контролю 102,0 22-31 мая 582,0 18,0 609,0 20,0 105,0 3-12 июня 622,0 19,0 678,0 22,0 109,0 14-24 июня 475,0 45,0 544,0 19,0 114,0 26 июня-5 июля 362,0 39,0 398,0 33,0 110,0 8-17 июля 721,0 34,0 778,0 36,0 108,0 19-29 июля 566,0 23,0 619,0 62,0 109,0 3848,0 4157,0 108,1 1,4 Всего за период опыта Полученные нами результаты в ООО «Агрокомбинат «Майский» по испытанию выращивания томатов при опрыскивании растений показали следующее: - при опрыскивании аммиакатами растений происходило увеличение времени вегетации "работающих" листьев у опытных растений; - обработанные аммиакатами растения интенсивнее снабжали корни продуктами фотосинтеза за счет увеличение времени вегетации "работающих" листьев, при этом они не тратились на создание новых аппаратов ассимиляции; - за счет применения аммиакатов конечный урожай плодов у обработанных растений оказался выше на 8,0%. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Изучение влияния аммиакатов на фотосинтез показало, что с помощью стимулятора оттока, используемых в каталитических концентрациях, можно изменять интенсивность и направленность фотосинтетического метаболизма углерода в углеводную сторону. При этом возрастало отношение сахарозы/гексозы среди меченых продуктов ассимиляции 14 СО2. Изменение состава первичных продуктов фотосинтеза отражалось и на конечном результате фотосинтетической деятельности растений. Из продуктов фотосинтеза в зрелых листьях-донорах в ассимилятах синтезировалось меньше полисахаридов, но больше низкомолекулярных веществ, что 20 способствовало их лучшему оттоку. В результате стимулировались ростовые процессы в потребляющих ассимиляты органах, что положительно отражалось на величине хозяйственно полезного урожая. Влияние аммиакатов на продуктивность различных сельскохозяйственных культур носит явно выраженный неспецифический характер (для видов с так называемой апопластной "загрузкой" флоэмы). Для сахарной свеклы это было подтверждено в опытах с различными сортами. Во всех случаях стимулятор оттока проявил положительный эффект. Стимуляция продукционного процесса была отмечена не только на сахарной свекле, у которой запасался непосредственно транспортный продукт фотосинтеза - сахароза, но также и на льне-долгунце, ячмене и томатах где процессы аккумуляции конечных продуктов фотосинтеза были сопряжены со сложными вторичными биохимическими превращениями продуктов фотосинтеза. Стимулируемый аммиакатами отток ассимилятов из листьев вызывал активацию процессов не только в запасающих органах, но и в поглощающей части корневой системы. В результате усиливалось потребление из почвы элементов минерального питания. Это происходило только в том случае, если обработка растений проведена в период, когда поглотительная зона корней еще функционально активна. Интенсификация оттока сахаров фотосинтетического происхождения в корневую систему создала условия для более благоприятного взаимодействия растения с почвой. В результате с обработанного аммиакатами посева был получен повышенный урожай при одновременном снижении количества внесенных в почву азотных удобрений. Таким образом, положительное действие обработки посевов аммиакатами носит полифункциональный характер, а именно достигаются повышенные и более качественные урожаи при умеренном использовании азотных удобрений. ВЫВОДЫ 1. Введение раствора комплексных соединений цинка и меди (аммиакатов) в апопласт побега льна-долгунца увеличивает ассимиляцию фотосинтетической ассимиляции 14 14 СО2. При этом после СО2 в листьях повышается отношение меченых сахарозы/гексозы, свидетельствующее о снижении степени гидролиза сахарозы фотосинтетического происхождения и возможности ее более полного экспортирования из листа. 21 2. Опрыскивание раствором аммиакатов растений льна-долгунца повышает содержание метки (из 14 С-глюкозы, подаваемой с транспирационным током в побег) в низкомолекулярных растворимых (транспортных) веществах. 3. Обработка раствором аммиакатов посевов сахарной свеклы позволяет повысить сахаристость и урожайность корнеплодов при одновременном снижении количества вносимых в почву азотных удобрений. 4. Стимулирование продукционных процессов с помощью обработки растений аммиакатами позволяет более эффективно использовать азотные удобрения. В опытах, проведенных на сахарной свекле, на фоне 75 кг/га д.в. азотного удобрения аммиакаты способствовали повышению урожая на 24,0%, при 90 кг/га - на 9,0%; на фоне 105 кг/га азота - на 3,0%. 5. В почвенно-климатических условиях Республики Татарстан получение высококачественного сырья для пивоваренной промышленности возможно при правильном выборе сроков опрыскивание растений аммиакатами. Обработка раствором аммиакатов посевов ячменя способствует повышению урожая зерна при значительном увеличении доли крупной фракции (более 2,5%). 6. Показано положительное действие обработок аммиакатами на продуктивность тепличных томатов (конечный урожай плодов у обработанных растений больше на 8,0% по сравнению с контролем). ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ Для повышения урожайности рекомендовать в производство при возделывании сахарной свеклы, ячменя, томатов новый препарат – аммиакаты путем их опрыскивания. Аммиакаты обеспечивают прибавку урожая сахарной свеклы до 24,0%, при этом возможна экономия вносимых азотных удобрений до 30 кг/га д.в. (сбор сахара до 24 ц/га), ячменя до 19,0-20,0% (белковости до 1,76 ц/га), томатов до 8,0%, , Рекомендовать применение аммиакатов на посевах ячменя в зависимости от цели его выращивания. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Сергеева А.А., Бакирова Г.Г., Нестерова Т.Н., Чемикосова С.Б., Чиков В.И. // Особенности фотосинтеза и ростовых процессов льна-долгунца при воздействии на 22 растение некоторыми аммиакатами // Тез. докл. Международной конференции “Физиология растений – основа фитобиотехнологии (V съезд ОФР России). - Пенза, 2003. - С.73. 2. Баташева С.Н., Сергеева А.А. Влияние присутствия в апопласте нитратов или мочевины на фотосинтез льна-долгунца - Владимирский земледелец. - №3-4. – 2004. - С.22-23. 3. Бакирова Г.Г., Баташева С.Н., Сергеева А.А., Чиков В.И. Особенности фотосинтеза и метоболизма углерода в листьях льна-долгунца при введении в апопласт раствора аммиакатов // Тез. докл. Международной конференции "Проблемы физиологии растений Севера". - Петрозаводск, 2004. - С.15. 4. процессов Сергеева А.А., Бакирова Г.Г., Чиков В.И. Интенсификация продукционных у ячменя Международной путем конференции обработки растений "Проблемы аммиакатами физиологии // растений Тез. докл. Севера". - Петрозаводск, 2004. - С.164. 5. Сергеева А.А., Баташева С.Н., Хамидуллина Л.А. // Влияние аммиакатов на фотосинтез и продуктивность растений // Тез. докл. 8-ой Международной школыконференции молодых ученых "Биология – наука XXI века". - Пущино, 2004. - С.69. 6. Чиков В.И., Бакирова Г.Г., Баташева С.Н., Сергеева А.А. Влияние дефолиации или удаление точек роста на состав меченых продуктов фотосинтеза в листьях и пасоке фасоли // Физиология растений. – 2005. – Т.52, №4. – С.518-521. 7. разработке Чиков В.И., Бакирова Г.Г., Сергеева А.А., Храмов И.Т. Новые аспекты в проблемы ресурсосберегающих технологий в сельскохозяйственном производстве // Труды Татарского НИИ агрохимии и почвоведения. - Казань, 2005. С.35-51. 8. Чиков В.И., Бакирова Г.Г., Сергеева А.А., Храмов И.Т. Новые подходы к форсированию продукционного процесса у растений // Материалы Всероссийской научной конференции "Пути мобилизации биологических ресурсов повышения продуктивности пашни, энергоресурсосбережения и производства конкурентоспособной продукции". - Казань, 2005. - С.314-319. 9. Chikov V., Bakirova G., Batasheva S., Sergeeva A. The influence of ammoniates on plant photosynthesis and productivity // Biologia Plantarum. – 2006. - V. 44 (3). Р - 749751. 23 10. Чиков В.И., Бакирова Г.Г., Баташева С.Н., Сергеева А.А., Храмов И.Т., Яппаров А.Х. Влияние аммиакатов на фотосинтез и продуктивность растений // Сельскохозяйственная биология. - 2006, № 3. С.53-57. 11. повышения Сергеева А.А., Чиков В.И., Яппаров А.Х. // Применение аммиакатов для продуктивности и эффективности использования удобрений в растениеводстве // Тез. докл. 40 Международной конференции "Агрохимические приемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно ландшафтных системах земледелия". - Москва, 2006. – С.97-100. Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии РИВЦ МСХиП РТ. г. Казань, ул. Оренбургский тракт, 24, оф. 202. Тел.: (843) 277-51-21. Подписано в печать 22.01.2007 г. Усл. п.л. 1,5. Заказ № 31. Тираж 100 экз. Формат 6084 1/16. Бумага офсетная. Печать – ризография. 24 25
