Применение перспективного природного стимулятора роста 4-гидроксифенэтилового спирта для улучшения качества посевного материала и продуктивности растений амаранта

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, № 5

УДК 635.3:574.45:631.8:577.175.14

ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРИРОДНОГО СТИМУЛЯТОРА РОСТА 4-ГИДРОКСИФЕНЭТИЛОВОГО СПИРТА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОСЕВНОГО МАТЕРИАЛА И ПРОДУКТИВНОСТИ

РАСТЕНИЙ АМАРАНТА

Е.П. ИВАНОВА1, Л.Л. КИРИЛЛОВА2, Л.Д. СМОЛЫГИНА1, О.П. СЕРДЮК1

Проведены сравнительные исследования влияния природного 4-гвдроксифенэтилового спирта — экзометаболита пурпурной бактерии Rhodospirillum rubrum и синтетического цитокини-на 6-бензиламинопурина на всхожесть семян, рост, продуктивность и развитие растений овощной формы амаранта (Amaranthus caudatus L.), а также на ряд их физиолого-биохимических свойств. Установлено, что обработка семян амаранта растворами исследуемых веществ (10-6 М) приводит к повышению всхожести и улучшению всех исследованных показателей у растений, полученных из таких семян. Предлагается применять 4-гидроксифенэтиловый спирт в качестве нового природного стимулятора роста с цитокининовым действием для повышения качества посевного материала и продуктивности растений.

Ключевые слова: 4-гидроксифенэтиловый спирт, цитокинины, амарант, всхожесть семян, онтогенез, продуктивность, содержание белка.

Keywords: 4-hydroxyphenethyl alcohol, cytokinins, amaranth, seeds germination, ontogenesis, productivity, protein content.

Амарант (Amaranthus caudatus L.) как ценная пищевая культура очень популярен в странах Европы, однако интродукция его в средней полосе России по ряду причин затруднена. Одна из них заключается в особенностях онтогенеза этого растения: в течение примерно месяца после появления всходы амаранта вступают в фазу так называемого скрыгтого роста, когда в надземной части фитомасса практически не накапливается и только корневая система продолжает интенсивно развиваться (1). Указанная фаза — критическая для растений амаранта, так как в этот период они очень чувствительны к факторам внешней среды, их легко заглушают сорняки. Для предотвращения гибели необходимо ускорить развитие растений и наступление фазы активного роста.

Проблему можно решить, используя соответствующие стимуляторы роста, в частности 4-гидроксифенэтиловый спирт (ГФЭС), выделенный нами из среды культивирования пурпурной фотосинтезирующей бактерии Rhodospirillum rubrum (2). Ранее мы установили, что ГФЭС в значительной степени стимулирует синтез амарантина в изолированных проростках амаранта, что представляет собой специфическую реакцию на действие цитоки-нинов. Высокую специфическую цитокининовую активность ГФЭС позднее подтвердили в ряде биотестов на фрагментах различных растений (3). На основании этих данных было сделано предположение, что цитокининовые свойства ГФЭС могут также проявляться на уровне целого растения.

Как известно, цитокинины способны регулировать прорастание и созревание семян (4), стимулировать рост и ускорять развитие растений, повышать содержание общего белка и активность фотосинтетического аппарата; они способны специфически увеличивать активность нитратредук-тазы (НР) и устранять последствия стресса (5). В результате такого стимулирующего воздействия цитокининов возрастает продуктивность растений. В случае обнаружения подобных свойств у ГФЭС представляется возможным его использование для улучшения качества посевного материала, повышения жизнеспособности растений на критических этапах развития, а также продуктивности сельскохозяйственных культур.

Цель нашей работы заключалась в выявлении стимулирующего ци-токининового действия 4-гидроксифенэтилового спирта на семена и растения амаранта в процессе их развития и его сравнение с эффектом синтетического цитокинина 6-бензиламинопурина (6-БАП).

Методика. В опыте использовали семена овощной формы амаранта (сортообразец К-173), полученные из Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (Московская обл.), природный ГФЭС, который был выделен из среды культивирования пурпурной несерной фото-синтезирующей бактерии Rhodospirillum rubrum (2), и синтетический цито-кинин 6-БАП («Sigma», США).

Предпосевная обработка семян амаранта зависела от задачи эксперимента. В первом варианте (определение всхожести) семена с исходной всхожестью 70 % замачивали в водных растворах ГФЭС и 6-БАП (диапазон концентраций — 10-9-10-4 М, опыт) или в дистиллированной воде (контроль) на 24 ч, высушивали в слабом токе воздуха при комнатной температуре. Во втором варианте (определение ростовых и физиолого-биохи-мических показателей растений) семена с исходной всхожестью 70 % обрабатывали 10-6 М растворами ГФЭС и 6-БАП (опыт) или дистиллированной водой (контроль) в том же режиме, что и в первом варианте, и получали из них растения. В третьем варианте (изучение эффекта стимулятора на фоне искусственного старения) также использовали семена с исходной всхожестью 90 %, которые замачивали в воде, как описано выше (контроль), или подвергали искусственному старению (ИС, опыт) в течение 4 сут при 41 °С и относительной влажности воздуха 100 % (6). Часть «состаренных» семян обрабатывали 10-6 М раствором ГФЭС.

При определении всхожести оценивали долю семян, проросших на влажной фильтровальной бумаге (чашки Петри, 72 ч при 24 °С). Для выращивания растений по 10 откалиброванных проростков высаживали в сосуды с песком (по 3 сосуда на каждый вариант эксперимента) и культивировали с использованием питательной среды Кноппа при температуре 24 °С, 14-часовом фотопериоде и освещенности 150 Вт-м-2.

Биометрические показатели растений учитывали каждые 15 сут до даты сбора урожая (115-е сут), продуктивность — по приросту биомассы. В суспензии изолированных хлоропластов (7) из листьев 45-суточных растений измеряли содержание хлорофилла (8), а также оценивали фотохимическую активность по скорости электронного транспорта (9) и интенсивности фотофосфорилирования (10). Кроме того, определяли активность НР (11) и количество общего белка в листовой ткани (12). Чистую продуктивность фотосинтеза листьев (ЧПФ) за период с 45-х по 60-е сут рассчитывали по методу А.А. Ничипоровича (13).

В статье приведены результаты одного характерного эксперимента из пяти. Биометрические параметры определяли у 30 растений. Повтор-ность биохимических анализов 3-кратная. Статистическую обработку данных выполняли с использованием ¿-критерия Стьюдента для первого порога вероятности 0,95.

Результаты. Исходная всхожесть исследуемых семян амаранта составляла 70 %. При оценке влияния обработки семян растворами ГФЭС и 6-БАП на всхожесть наибольший стимулирующий (по 28 %) и ингиби-рующий (в среднем соответственно на 20 и 12 %) эффект был обнаружен при концентрации растворов соответственно 10-6 М и 10-4 М (рис. 1). В концентрации 10-7 М 6-БАП не изменял всхожесть семян, а ГФЭС вызывал ее достоверное повышение на 13 %. В других исследованных концентрациях сравниваемые вещества эффекта не проявляли.

Было установлено, что растения амаранта, выращенные из обработанных семян, в критический период развития (15-30 сут) значительно превосходили контрольные как по высоте, так и по биомассе (табл. 1). При этом обработка семян также приводила к стимуляции роста корня в длину у 15-суточных проростков: под влиянием ГФЭС и 6-БАП его длина увеличивалась соответственно на 70 и 50 % по сравнению с контролем.

Стимулирующее воздействие исследуемых соединений на ростовые показатели (высота и масса надземной части) сохранялось на протяжении всей жизни растений, за исключением 75-х сут (табл. 1). В этот период происходила закладка генеративных органов, рост растений в высоту практически прекращался, но продолжался прирост биомассы надземной части.

1. Динамика ростовых показателей

Стимулятор Возраст растений, сут

роста 15 30 45 1 60 | 75 | 90 105 115

В ы с о т а р а с т е н и й

ГФЭС 154±4 167±14 185±12 132±10 119±12 148±15 133±6 122±7

6-БАП 122±4 141±15 144±10 129±8 100±7 140±9 133±5 122±4

М а с с а н а д з е м н о й ч а с т и

ГФЭС 252±6 237± 12 209±12 186±9 162±10 180±9 152±18 254±22

6-БАП 229±8 190±9 175 ± 10 166±10 159±12 168±10 174±18 250±21

В листьях растений, выращенных из обработанных семян, в период активной вегетации (45-е сут) наблюдали увеличение содержания хлорофилла и скорости электронного транспорта с одновременным накоплением АТФ (табл. 2). При этом было установлено повышение активности НР и количества общего белка, что свидетельствует об усилении утилизации азота растениями.

2. Физиолого-биохимические показатели

Стимулятор Содержание Скорость транс- Содержание Активность Содержание

роста хлорофилла порта электронов АТФ нитратредуктазы общего белка

ГФЭС 151±12 140± 14 190± 15 200±16 140±14

6-БАП 146± 15 135 ± 14 186± 13 185±18 138±14

Повышение фотосинтетической эффективности использования азота растениями амаранта по сравнению с контролем обеспечило рост их фотосинтетической продуктивности (рис. 2).

Длительное хранение семян (сверх допустимого срока) или влияние неблагоприятных факторов в период хранения приводит к значительному снижению всхожести (14). Растения, выращенные из таких семян, часто отстают в росте, а их продуктивность ниже, чем у полученных из качест-

но

Концешрация, М

Рис. 1. Всхожесть семян амаранта АтагапШиЕ ааийа-и Ь. (сортообразец К-173) при обработке 4-гидро-ксифенэтиловым спиртом (ГФЭС, а) и 6-бензиламино-пурином (6-БАП, б).

венного посевного материала (15). Известно свойство цитокининов увеличивать всхожесть долго хранившихся семян и устранять последствия стрес-сорных воздействий на растения (4, 5). Нами бышо установлено, что ИС семян амаранта приводило к потере всхожести в среднем на 27 %, тогда как обработка ГФЭС ее полностью восстанавливала. Ростовые показатели у растений, полученных из семян, подвергшихся ИС, на стадии активной вегетации (45-е сут) были значительно ниже контрольных, и это отставание в дальнейшем сохранялось. Предпосевная обработка ГФЭС не только полностью устраняла последствия воздействия стресса, но и приводила к некоторому улучшению всех исследованных показателей относительно контроля (интактные семена). Обработка ГФЭС положительно влияла на длину метелки и массу семян с одного растения, масса 1000 семян при этом значительно превышала контроль (табл. 3). Последний эффект важен для амаранта, поскольку его семена имеют очень малую массу и размер, а от этих показателей зависит стартовый рост, качество и жизнеспособность всходов, а в конечном счете продуктивность культуры.

3. Возрастные изменения биометрических показателей

Возраст растений, сут

Показатель 45-е 115-е

ИС ИС + ГФЭС ИС 1 ИС + ГФЭС

Высота растения 64±5 131± 11 73±3 104±5

Масса растения 76±7 131±10 61±7 110±5

Масса листьев с растения 63±8 116±9 63±5 114±8

Площадь листа 72±9 118±11 73±9 113±9

Длина метелки 62±9 111±10

Масса семян с растения 85±7 117±7

Масса 1000 семян 72±6 129±8

Рис. 2. Чистая продуктивность фотосинтеза в листьях растений амаранта ЛтагаМЬи^ саи-йайя Ь. (сортообразец К-173) за период с 45-х по 60-е сут вегетации при обработке семян 6-бензиламинопурином (6-БАП) и 4-гидроксифенэтиловым спиртом (ГФЭС).

Необходимо отметить, что применение ГФЭС может считаться экологически безопасным ввиду того, что это соединение используется в микромолярных концентрациях и имеет природное происхождение: оно вырабатывается как экзометаболит пурпурными несерными фотосинтези-рующими бактериями, содержащимися в почвах и водоемах (2, 16).

Таким образом, действие 4-гидроксифенэтилового спирта (ГФЭС) на все исследованные биометрические и физиолого-биохимические показатели растений амаранта специфично, по эффекту он аналогичен классическому синтетическому адениновому цитокинину 6-бензиламинопурину (6-БАП), а по активности в некоторых случаях превосходит его. Мы полагаем, что ГФЭС может рассматриваться как перспективный стимулятор роста растений для применения в современных агротехнологиях.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. К о н о н к о в П.Ф., Г и н с В.К., Г и н с М.С. Амарант — перспективная культура

XXI века. М., 1999.

2. S e r d y u k O.P., S m o l y g i n a L.D., M u z a f a r o v E.N., A d a n i n V.M., A r i nb a s a r o v M.U. 4-Hydroxyphenethyl alcohol — a new cytokinin-like substance from the phototrophic purple bacterium Rhodospirillum rubrum 1R. FEBS Lett., 1995, 365: 10-12.

3. S e r d y u k O., S m o l y g i n a D., I v a n o v a E., F i r s o v A., P o g r e b n o i V. 4-Hydroxyphenethyl alcohol — a new cytokinin-like substance isolated from phototrophic bacterium Rhodospirillum rubrum. Exhibition of activity on plants and transformed mammalian cells. Process Biochemistry, 2000, 36(5): 475-479.

4. К у p с а н о в А.Л., К у л а е в а О.Н., К о н о в а л о в Ю.Б. О возможности использования цитокининов для активации созревания и прорастания семян. ¿Агрохимия, 1966, 4: 107-114.

5. М у р о м ц е в Г.С., Ч к а н и к о в Д.И., К у л а е в а О.Н., Г а м б у р г К.З. Основы химической регуляции роста и продуктивности растений. М., 1987.

6. P a r r i s h D.J., L e o p o l d C.A. On the mechanism of aging in soybeen seeds. Plant Physiol., 1978, 61(3): 365-368.

7. W e s t K.R., W i s k i c h J.T. Photosynthetic control by isolated pea chloroplasts. Biochem. J., 1968, 109(4): 527-532.

8. W i n t e r m a n s J.F.G.M., D e M o t s A. Spectrophotometric characteristics of chlorophyll a and b and their pheophytins in ethanol. Biochеm. Biophys. Acta, 1965, 109(2): 448-453.

9. I z a v a S., G o o d N.E. Hill reaction rates and chloroplasts fragment size. Biochem. Biopys. Acta, 1965, 109(2): 373-381.

10. B j o r k m a n n O.M., B o a r d m a n N.K., A n d e r s o n J.M., T h o r n e S.W., G o-o d c h i l d D.L., P y l i c t i c N.A. Chloroplast components and structure. Carnegie Inst. Year Book, 1972, 71: 115-135.

11. K e n d l H., S h e n T.C. Nitrate reductase in Agrostemma guithago. Comparison of the inductive effects of nitrate and cytokinin. Biochem. Biophys. Acta, 1972, 286(1): 118-125.

12. B r e d f o r d A. Rapid and sensitive gram qantities of protein utilizine the principle of protein-dye binding. Analit. Biochem., 1976, 72: 248-254.

13. Н и ч и п о р о в и ч А.А. Фотосинтетическая деятельность растений как основа их продуктивности в биосфере и земледелии. М., 1988.

14. П р о к о ф ь е в А.А. Физиология семян. М., 1981.

15. X о р о ш а й л о в Н.Г., Ж у к о в а Н.В. Длительное хранение семян мировой коллекции ВИР. Бюл. ВИР (Л.), 1978, вып. 677: 9-19.

16. К о н д р а т ь е в а Е.Н. Автотрофные прокариоты. М., 1996.

Учреждение Российской академии наук Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290 Московская обл., г. Пущино, ул. Институтская, 2, e-mail: cheredova@mail.ru;

2ФГОУ ВПО Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого, 300026 г. Тула, просп. Ленина, 125

A NEW NATURAL STIMULATOR 4-HYDROXYPHENETHYL ALCOHOL EFFECTS ON AMARANTH SEEDS GERMINATION AND PLANT

PRODUCTIVITY

E.P. Ivanova1, L.L. Kirillova2, L.D. Smolygina1, O.P. Serdyuk1 S u m m a r y

The results of comparative studying effects of 4-hydroxyphenethyl alcohol — exometabolite of purple bacterium Rhodospirillum rubrum and synthetic cytokinin 6-benzylaminopurine on seed germination, growth, productivity and development of amaranth vegetable form (Amaranthus cauda-tus L.) and also on the set of their physiological-biochemical parameters are presented. It was established, that seeds treatment with solutions of investigated substances (10-6 М) led to similar positive effects in all studied indices in the plants growing from these seeds. The authors suggest to use the 4-hydroxyphenethyl alcohol as the growth cytokinin-like natural stimulator for improvement of seed grain and plant productivity.

Поступила в редакцию 11 января 2010 года

Новые книги

П а н к р а т о в а Е.М. Практикум по физиологии растений с основами биологической химии: Уч. пос. для вузов. М.: изд-во «КолосС», 2011, 176 с.

Дано описание лабораторных работ и сопутствующих им задач по биологической химии. Для каждой работы приведены крат-

кое теоретическое обоснование, перечень оборудования и материалов, изложены ход выполнения и форма записи результатов. Включены летние практические работы, предусмотренные для проведения в полевытх условиях. Для студентов вузов по специальностям «Агрономия», «Агрохимия и агропочво-ведение» и «Садоводство».