СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ И МЕХАНИЗМЫ БИОАКТИВАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КУЛЬТУР ПРИ ПРОРАЩИВАНИИ - Студенческий научный форум

VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ И МЕХАНИЗМЫ БИОАКТИВАЦИИ РАСТИТЕЛЬНЫХ КУЛЬТУР ПРИ ПРОРАЩИВАНИИ

Галочкина Н.А. 1, Клиновая М.А. 1, Лаптиёва Е.А. 1
1Воронежский государственный аграрный университет имени императора Петра I
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

В начале XXI века основные тенденции мирового развития будут определяться ростом населения и поиском принципиально новых подходов при решении продовольственной проблемы, так как дальнейшая интенсификация возделывания сельскохозяйственных культур в традиционном понимании обеспечивает все меньшие прибавки урожая на единицу дополнительно затраченной антропогенной энергии и часто приводит к загрязнению окружающей природной среды. Это позволяет предположить, что только традиционные технологии будут не в состоянии обеспечить рост урожайности, необходимый для обеспечения продовольствием и сырьем всего населения планеты.

Процесс дальнейшей интенсификации технологических приемов выращивания сельскохозяйственных культур становится все более затратным и менее эффективным. Поэтому в последние десятилетия все более активно ведется поиск физиологических, биохимических и биофизических приемов и технологий, направленных на реализацию генетического потенциала, повышения неспецифической устойчивости к различного рода абиотическим и биотическим стрессам, усиления адаптивного потенциала растений с целью роста и стабилизации урожая.

В наступившем новом тысячелетии придется в большей мере учитывать действие изменений климата, его глобальное потепление и другие проблемы, приводящие к новым стрессовым воздействиям на живые организмы. В таких условиях обеспечить высокие темпы роста сельскохозяйственной продукции позволит перевод технологий возделывания сельскохозяйственных культур на качественно новый уровень.

По оценкам экспертов, в перспективе рост производства продуктов питания и другой сельскохозяйственной продукции в мире будет определяться уровнем применения наукоемких технологий. В настоящее время необходим переход к технологиям, предусматривающим их максимальное согласование с биологическими особенностями культур и экологическими требованиями агроэкосистем.

Проблема предпосевных обработок посадочного материала факторами электромагнитной природы с целью активации ростовых процессов и урожайности имеет свою историю. Достижения ядерной физики открыли широкие возможности для исследования и практического использования действия ионизирующих излучений на живые организмы, в том числе и на растения.

К настоящему времени накоплен многочисленный материал по эффективности физических способов стимулирования роста и развития растений, а целесообразность их применения не вызывает сомнения. Хорошо известны приемы предпосевной обработки семян, с помощью которых можно увеличить всхожесть семян. Ионизирующая радиация в малых дозах, звуковая, ударно-волновая и кратковременная тепловая обработки, экспонирование в электрическом и магнитных полях, лазерное облучение, облучение ультрафиолетовыми и инфракрасными лучами и другие внешние физические воздействия могут увеличить всхожесть семян и урожайность сельскохозяйственных культур на 15-25 % [1].

Например, в результате предпосевной биоактивации семян излучениями плазмы происходит ускорение начального этапа онтогенеза, что позволяет существенно поднять степень использования биофизического потенциала растений [1]. Стимулирующий эффект проявляется в ускорении темпов роста колеоптилей и корешков зародышей, повышении лабораторной всхожести. В дальнейшем на первых этапах развития проростки и, особенно, их корневая система, активнее растут, что повышает их конкурентоспособность с сорняками и повышает устойчивость к поражению вредными организмами.

Семена различных культур и сортов поразному реагируют на биоактивацию низкотемпературной плазмой и для них свойственны разные области спектра, так впервые было отмечено, что обработанные семена имеют характерные спектры люминисценции, которые затем можно измерить и по их параметрам определить стимулирующий эффект облучения.

Полученными авторами [1] результатами доказано, что одним из основных механизмов биологического эффекта низкотемпературной плазмы является генерация после биоактивации в семенах сельскохозяйственных растений индуцированных свободных радикалов, молекулярная структура которых отличается от исходных (контрольных) семян без облучения.

Низкотемпературная плазма может воздействовать и на ферментативные системы семян, так экспериментами установлено, что значительно повышается активность ферментов: амилазы, каталазы и протолитических ферментов в семенах ячменя, яровой пшеницы, клевера лугового и других культур [1].

Впервые в обработанных плазмой растениях наблюдается увеличение содержания хлорофилла, при стимулирующих экспозициях обработки семян излучениями плазмы отмечено существенное увеличение интенсивности фотосинтеза и дыхания растений. Быстрый рост интенсивности дыхания, в свою очередь, свидетельствует о том, что увеличиваются затраты энергии растением на поддержание гомеостатических механизмов.

Сформировавшиеся семена подавляющего большинства цветковых растений состоят из зародыша, эндосперма и семенной кожуры. Однако соотношение заро­дыша и эндосперма сильно варьирует. В одних случаях зародыш мал и ткань эндосперма занимает большую часть объема (злаки, лилейные, лютиковые). В других зародыш ко времени созревания сильно разрастается и от эндосперма остается лишь небольшой слой клеток под семенной кожурой (яблоня, тыква и др.) или ничего не остается, а зрелое семя состоит из зародыша и семенной кожуры (многие бобовые). В некоторых случаях помимо эндосперма в семенах имеется ткань, также заполненная питательными веществами, но развивающимися не из триплоидного ядра зародышевого мешка, а из нуцеллуса (перисперм). В соответствии с преимущественным содержанием тех или иных запасных питательных веществ семена делят на масличные, крахмалистые и белковые. В качестве примера масличных можно привести семена клещевины, содержание жира в которых достигает 64 % на сухое вещество. Наивысшее содержание крахмала характерно для семян злаков. Так, семена кукурузы содержат до 72 % крахмала. Белки содержатся во всех семенах. Они откладываются в виде алейроновых зерен, эластичных волокон или бесформенной массы. Высокое содержание белков характерно для бобовых растений. Так, семена сои содержат до 40 % белка [2].

Семена всех растений содержат фитин. Главная функция фитина - снабжать зародыш соединениями фосфора. Одновременно фитин содержит некоторое количество К, Mg, Са. В семенах содержатся также ферменты и гормоны, однако в неактивном состоянии. Распределение веществ в семенах неравномерно. Ткани зародыша обогащены минеральными элементами. Так, содержание золы в зародыше составляет 5-5,5 %, тогда как в эндосперме - всего около 0,5 %. Показано, что зародыш обогащен активными веществами (ферменты, аминокислоты, гормоны), причем особенно много их в зародышевом корешке. Последнее как бы уже предопределяет ту специфическую роль, которую играют клетки корня в жизнедеятельности растущего организма. Процесс прорастания семян включает в себя и те процессы, которые происходят в семени до того, как появляются признаки видимого роста. Для прорастания необходимы определенные условия. Прежде всего нужна вода. Воздушно - сухие семена содержат до 20 % воды и находятся в состоянии вынужденного покоя. Сухие семена быстро поглощают воду и набухают. Набухание обратимо: если еще не началось деление и растяжение клеток зародыша, то семена можно подсушить и они не потеряют жизнеспособности. Для процесса прорастания необходим кислород, поддерживающий процесс дыхания, поскольку процессы, происходящие на первых этапах прорастания, идут с затратой энергии. Оптимальные температуры для прорастания семян обычно соответствуют тем, которые характерны для ареала распространения данного вида растений. Семена некоторых растений лучше прорастают при сменной температуре. Прорастание семян ряда растений требует выдерживания при пониженных температурах. Есть растения, для прорастания семян которых необходим свет.

Вода поступает в семена по градиенту водного потенциала, согласно уравнению: Ψв = Ψосм + Ψдавл + Ψматр. Согласно развиваемым представлениям (Н.А. Аскоченская), поступление воды в семена можно разделить на три этапа. Первый этап осуществляется в основном за счет матричного потенциала, или сил гидратации. Гидратация - спонтанный процесс. Находящиеся в семени за­пасные питательные вещества содержат большое количество гидрофильных группировок, таких, как - ОН, - СООН, - NH2. Молекулы воды вокруг гидратированных веществ принимают льдоподобную структуру. Притягивая молекулы воды, гидрофильные группировки уменьшают ее активность. Водный потенциал становится более отрицательным, вода устремляется в семена. На втором этапе поглощения воды силы набухания, или матричный потенциал, также являются основными. Однако начинают играть роль осмотические силы - осмотический потенциал, поскольку в этот период происходит интенсивный гидролиз сложных соединений на более простые. На третьем этапе, который наступает в период наклевывания семян, когда клетки растягиваются и появляются вакуоли, главной силой, вызывающей поступление воды, становятся осмотические силы - осмотический потенциал. Уже в процессе набухания семян начинается мобилизация питательных веществ - жиров, белков и полисахаридов. Это все нерастворимые, плохо передвигающиеся сложные органические вещества. В процессе прорастания происходит перевод их в растворимые соединения, легко используемые для питания зародыша, поэтому необходимы соответствующие ферменты. Частично ферменты находятся в эндосперме или зародыше в связанном, не­активном состоянии и под влиянием набухания переходят в активное состояние. Однако ферменты образуются и de novo. Для образования ферментов de novo необходимы соответствующие матричные РНК. Согласно современным представлениям (Ш.Р. Дюр), матричную РНК в прорастающих семенах можно разделить на три типа (по времени образования). К первому типу можно отнести так называемую предсуществующую (предобразованную - остаточную) мРНК, которая была транскрибирована с ДНК еще в период эмбриогенеза семян. Эта РНК ис­пользовалась в эмбриогенезе для синтеза белков и теперь в процессе прорастания вновь может быть использована. Однако ее немного и ее роль невелика. Ко второму типу относится мРНК, также транскрибированная в эмбриогенезе, од­нако не прошедшая процессинга и поэтому неактивная. В процессе набухания она проходит все необходимые превращения (процессинг) и обеспечивает синтез белков, специфичных для прорастания, главным образом ферментов гидроли­за. Третий тип - это новообразованная РНК, которая появляется через 1-2 ч после намачивания. Эта РНК транскрибируется с ДНК в процессе прорастания РНК-полимеразой-1 и также ответственна за синтез специфических белков ферментов. Существуют данные, что в синтезе белка при прорастании сначала участвуют рибосомы, образованные еще в эмбриогенезе, затем, начиная примерно с 8 ч от намачивания семян, происходит усиленное образование рибосомальной РНК и формируются новые рибосомы [3].

Крахмал распадается до сахаров в основном под влиянием двух ферментов - - и -амилазы. Показано, что -амилаза находится в сухих семенах в связанном (неактивном) состоянии, а -амилаза вновь образуется в процессе прорастания. Одновременно происходит новообразование ферментов, катализирующих распад белков - протеаз, нуклеиновых кислот - нуклеаз. Вновь образуются также ферменты, участвующие в превращении жиров,- изоцитратлиаза и малатсинтетаза. Большую роль в регуляции образования ферментов играют фитогормоны, в частности гиббереллины. На семенах ячменя было показано, что если удалить зародыш, то ряд ферментов не образуется. Если эндосперм, лишенный зародыша, обработать гормоном гиббереллином, то в алейроновом слое появляются огамилаза и протеазы. Источником гиббереллина в семени является зародыш. В сухих семенах гиббереллины находятся в связанном состоянии. Они активизируются и частично образуются вновь под влиянием поступившей воды. Значение гиббереллина для индукции новообразования ферментов в процессе прорастания показано в основном на семенах однодольных растений. По-видимому, у разных растений в этом процессе могут участвовать и другие фитогормоны.

Под воздействием соответствующих ферментов начинается усиленная мобилизация - распад сложных нерастворимых соединений на простые растворимые. Так, крахмал распадается на сахара, белки расщепляются до аминокислот, а последние до органических кислот и аммиака. Образовавшийся аммиак обезвреживается в виде амидов. В процессах прямого аминирования и переаминирования образуются новые аминокислоты, которые перетекают в осевую часть зародыша, где из них строятся новые специфические белки. Специфичность этих белков закодирована в ДНК клеток зародыша.

Более сложные превращения претерпевают жиры. Жиры сравнительно с углеводами - восстановленные соединения, и при их окислении выделяется больше энергии. Возможно, поэтому растения с мелкими семенами в большинстве случаев накапливают жиры как запасное питательное вещество. Распад жиров начинается с образования жирных кислот и глицерина. Процесс катализируется двумя липазами, одна из которых находится непосредственно в олеосомах, а другая в мембране глиоксисом - специальных органелл. Жирные кислоты подвергаются в глиоксисомах окислению с образованием ацетил-КоА. Ацетил-КоА вступает в глиоксилатный цикл, изображенный на рис. 1.

Рис. 1. Глиоксилатный цикл [6]

При взаимодействии ацетил-КоА с щавелево-уксусной кислотой (ЩУК) образуется лимонная кислота. Лимонная кислота изомеризуется до изолимонной. Изолимонная кислота под влиянием изоцитратлиазы распадается на янтарную и глиоксилевую кислоты. В глиоксисомах оставшаяся глиоксилевая кислота со второй молекулой ацетил-КоА образует малат. Образовавшийся малат окисляется до ЩУК, и, таким образом, глиоксилатный цикл заканчивается. Янтарная кислота поступает в митохондрии, где превращается в реакциях цикла Кребса последовательно в фумаровую и ЩУК. ЩУК превращается в фосфоенолпировиноградную (ФЕП). Реакция катализируется ферментом ФЕП-карбоксилазой, требует затраты энергии. ФЕП в ряде реакций, обратных гликолизу, превращается в глюкозофосфат и далее в сахарозу. Глицерин превращается в дегидрооксиацетон и далее также в сахарозу. Образовавшиеся в результате распада растворимые соединения либо используются как дыхательный материал, либо транспортируются в зародыш. Таким образом, при прорастании семян идут многочисленные взаимосвязанные процессы - распад питательных веществ, их превращение, транспорт и образование из них новых веществ, идущих на построение клеток и органов. Энергия для всех этих процессов поставляется процессом дыхания. Уже в первый период после намачивания интенсивность поглощения кислорода возрастает. Особенно сильно увеличивается интенсивность гексозомонофосфатного пути, а затем гликолиза. Возрастание интенсивности дыхания сопровождается усилением накопления АТФ, что и является, в свою очередь, необходимым условием для процессов обмена. Через 10-12 ч от начала набухания митохондрии усиленно растут и дифференцируются. Часть митохондрии, деградировавшая в период созревания семян, реактивируется. В дальнейшем, через 24 ч, происходит деление митохондрии, их число резко возрастает. Процесс окислительного фосфорилирования резко интенсифицируется и становится основным источником образования АТФ. Образовавшиеся в процессе распада соединения перетекают в осевую часть зародыша и там используются частично как дыхательный материал, а частично для построения веществ, необходимых для роста новых клеток и органов. Так, поступившие в осевую часть зародыша питательные вещества расходуются на построение новых белков и нуклеиновых кислот, компонентов клеточных оболочек (целлюлозы, пектиновых веществ), а также различных липидов, входящих в состав мембран. Наконец, на этой фазе прорастания образуются и такие фитогормоны, как ауксины и цитокинины (рис. 2).

Рис. 2. Влияние фитогормонов на прорастание семян [6]

Как отмечалось выше, гиббереллины при набухании переходят в свободную форму и вызывают новообразование ферментов гидролаз в клетках алейронового слоя. Образовавшиеся при этом нуклеазы катализируют распад нуклеиновых кислот, появляются пуриновые основания, дают начало фитогормону цитокинину. Одновременно под влиянием ферментов протеаз белки распадаются до аминокислот, среди которых имеется триптофан. Как известно, триптофан является предшественником фитогормона ауксина. Цитокинины и ауксины регулируют рост зародыша (эмбриогенез). Цитокинины вызывают деление клеток, ауксины - их растяжение. Росту органов зародыша способствуют такие ферменты, как пектиназа и целлюлаза. Эндораманназы расщепляют маннаны (полисахариды), соединяющие фибриллы целлюлозы, и тем самым облегчают преодоление зародышевой осью сопротивления эндосперма. АБК ингибирует образование фермента манназы, и это одна из причин тормозящего влияния этого фитогормона на прорастание семян. Увеличение длины осевых органов зародыша начинается раньше видимого процесса проклевывания. Запуск ростовых процессов осуществляется, в первую очередь, за счет растяжения клеток и начинается, когда матричный потенциал близок к нулю. Для того чтобы началось деление ядра (митоз), необходима редупликация ДНК. Показано, что синтез ДНК в прорастающих семенах начинается значительно позже синтеза РНК и белков. В сухих семенах основная часть клеток находится в состоянии g1 (в предсинтетическом периоде). Перед началом деления клетки переходят в период синтетический, после чего наступает период g2 (постсинтетический). Митозы происходят не во всех клетках зародыша одновременно. По-видимому, прежде всего к митозу переходят клетки зародышевого корешка.

Зародыш состоит из зародышевого корешка, стебля и почечки. Дальнейший рост проростков несколько различается в зависимости от типа растений. У однодольных растений проклевывание начинается с роста зародышевого корешка, затем при подземном прорастании начинает расти колеоптиль (первый свернутый лист). Когда колеоптиль достигает поверхности почвы, его рост прекращается, из почечки начинает расти первый настоящий лист, который прорывает колеоптиль. У многих однодольных растений из нижней части стебля образуются придаточные корни. У однодольных при надземном прорастании (лук) после появления корешка начинается неравномерное разрастание семядоли, которая, образуя петлю, выходит на поверхность.

У двудольных растений, если семядоли выносятся на поверхность (надземное прорастание), прежде всего вытягивается гипокотиль - подсемядольное коле­но. Гипокотиль растет неравномерно и образует петлеобразный изгиб, что позволяет лучше преодолевать сопротивление почвы. Имеются данные, что образование крючка гипокотиля связано с фитогормоном этиленом. Под влиянием света синтез этилена тормозится, гипокотиль выпрямляется и выносит семядоли на поверхность. После этого трогается в рост почечка, которая дает начало главному стеблю, и формируются надземные побеги. При подземном прорастании семядоли на поверхность не выносятся, в этом случае вытягивается эпикотиль - надсемядольное колено. При этом на поверхность выносится хорошо сформированная почечка. Последовательность роста частей зародыша выработалась в процессе эволюции, что позволяет в первый период прорастания обеспечить прикрепление растения к субстрату и снабжение его водой. Для нормального роста и формообразовательных процессов проростка необходим свет. В течение первых фаз прорастания проросток питается за счет готовых органических веществ, находящихся в эндосперме или семядолях. Как только появляются первые зеленые листья, начинается фотосинтез. На этом фаза проростка заканчивается, и растение переходит в ювенильную фазу. На свету в клетках листьев из протопластид развиваются пластиды. Еще до завершения роста пластид с развитой гранулярно-ламеллярной структурой начинается образование ферментов, участвующих в процессе фотосинтеза. Так, один из основных специфических ферментов, катализирующий первую реакцию темновой фазы фотосинтеза, Rubisco присутствует в проростках еще до того, как листья приобретают зеленую окраску. Однако на свету происходит новообразование этого фермента. Для начала фотосинтеза необходимо также наличие акцептора углекислого газа рибулезо-1,5-бифосфата (РБФ). Это соединение образуется как промежуточный продукт апотомического пути дыхательного распада. Еще до прорастания в зародыше присутствует ключевой фермент апотомического пути дыхания - глюкозофосфатдегидрогеназа. В процессе прорастания активность этого фермента резко возрастает, что приводит к первичному накоплению акцептора углекислоты - РБФ. Затем начинает работать цикл Кальвина и активность глюкозофосфатдегидрогеназы падает [4].

Ряд работ направлен на выявление дополнительных экзогенных стимулирующих факторов в начальный период роста и развития растений [7-8], , среди которых привлекают внимание различные формы селена [9]. В случае реализации биотехнологических подходов к обогащению пророщенного зерна усвояемыми формами биологически активных веществ, например, путем биоконверсии неорганического селена в органическую форму продолжительность проращивания увеличивается до 7 суток [10].

Как было видно, прорастание семян зависит от условий. Существует много механизмов, регулирующих этот процесс, и множество барьеров, препятствующих ему, причем у разных видов эти механизмы и эти барьеры специфичны. Такая сложная система выработалась в процессе эволюции, и дает определенные преимущества растительному организму. В любой естественной обстановке все условия, необходимые для прорастания всех видов растения и даже всех семян, данного вида не могут быть соблюдены. Это приводит к тому, что прорастание семян даже одного и того же вида растягивается на несколько лет. Последнее дает возможность сохранить определенное количество жизнеспособных семян в том случае, если неблагоприятные условия привели к гибели проросшей особи. Именно поэтому прорастание семян является критическим этапом жизни растительного организма, во многом обеспечивающим выживаемость того или иного вида [3].

Селен выполняет невидимую работу в самых разных частях растения. Он является составной частью множества белков, липосахаридов, ферментов и обладает сильным антиканцерогенным действием. С учетом высокого биоповреждающего потенциала свободных радикалов и продуктов их метаболизма, антиоксидантная система клетки, неотъемлемой частью которой является селен, играет решающую роль в поддержании многих физиологических функций.

Список литературы

1. Цыганов, Ю.А. Гордеев, О.В. Поддубная // Защита растений: сборник научных трудов. РУП «Научно-практический центр HAH Беларуси по земледелию», Республиканское научное дочернее унитарное предприятие «Институт защиты растений». - Минск: 2009. - Вып. 33. - С. 108-113.

2. Степанова И.В.: Санитария и гигиена питания: СПб.: Троицкий мост. 2010г

3. Гомонов, A.A. Эффективность плазменной обработки семян .Текст. / A.A. Гомонов // Наука сельскохозяйственному производству и образованию. Т. 2 Агрономия. Ч. I - Смоленск: 2004. - С. 243-244.

4. Емельянов, Л.Г., Анкуд, С.А. Водообмен и стресс-устойчивость растений Текст. / Л.Г. Емельянов, С.А. Анкуд Минск: Наука и техника, 1992. -144 с.

5. A.И. Ермаков, В.В. Арасимович, Н.П. Ярош. Под ред. А.И. Ермакова. Л.: Колос, 1987. - 430 с.

6. Онлайн энциклопедия – физиология растений [сайт] [Электронный ресурс]. – Электрон. дан. – Режим доступа: http://fizrast.ru/razvitie/rost/prorastanie-semyan.html.

7. Щукин В.Б. Cелен как экзогенный стимулирующий фактор в начальный период роста и развития растений / В.Б. Щукин, А.А. Громов, Н.В.Щукина //Известия Оренбургского государственного аграрного университета. - 2005. - Т. 3. № 7-1. С. 107-110.

8. Добруцкая Е.Г. Роль селена в формировании всхожести семян моркови и укропа/ Е.Г. Добруцкая, О.В. Курбакова, Н.А. Голубкина// Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. 2010. № 4. С. 41-43.

9. Галочкина Н.А. Проблемы целенаправленного обогащения селеном продуктов питания повседневного спроса / Галочкина Н.А., Глотова И.А. // Сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная российская наука глазамимолодых исследователей». - Красноярск. - 2012. - Том 2. - с. 192-195.

10. Аслалиев А.Д. Исследование влияния селенита натрия на проращивание // А.Д. Аслалиев, М.Б. Данилов, Ю.Е. Хамаганова // Вестник Восточно-Сибирского государственного технологического университета. - 2009. - № 3. - С. 47-51.

Просмотров работы: 7854