Исследование состояния воды в семенах пшеницы на различных этапах созревания методом ЭПР-томографии

УДК 577.3:633.11 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-01-18

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В СЕМЕНАХ ПШЕНИЦЫ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ СОЗРЕВАНИЯ МЕТОДОМ ЭПР-ТОМОГРАФИИ

STUDY OF THE CONDITION OF WATER IN WHEAT SEEDS AT DIFFERENT STAGES OF CREATING BY THE ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE

(EPR) TOMOGRAPHY METHOD

Ч.М. Шайманов1 Б. Сапаев1, доктор физико-математических наук А.С. Овчинников , член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор И.Ю. Подковыров2, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент

11 2 2 Ch.M. Shaymanov , B. Sapaev , A.S. Ovchinnikov , I.Yu. Podkovyrov

1 Ташкентский государственный аграрный университет, Узбекистан 2Волгоградский государственный аграрный университет, Россия

Tashkent State Agrarian University, Uzbekistan Volgograd State Agrarian University, Russia

Содержание воды в семенах пшеницы является одним из основных качественных показателей зерна. Однако в процессе созревания динамика состояния воды в семенах мало изучена. Основные исследования проведены на уже созревшем зерне, находящемся в состоянии покоя и с влажностью менее 13 %. В водно-дисперсионном растворе тканей семян растений происходят основные физиологические и биохимические процессы. Поэтому исследование динамики содержания воды в процессе формирования семян является актуальной задачей. Было изучено состояние воды в семенах пшеницы, высушенных на начальных этапах ее созревания. Для изучения пространственного распределения спинового зонда, поступающего с водным раствором в проницаемые для него структуры семян пшеницы использовали семена, высушенные на разных этапах созревания через 14, 19, 27 дней после окончания цветения. Результаты по сухим семенам указали на более медленный в сравнении с обычными условиями процесс созревания. Это связано с неблагоприятными погодными условиями в период формирования семян. Восстановленo двумерное распределение зонда в зерне через 19 суток после окончания цветения. Необходимо отметить, что снижение влажности семян до 71 % приводит к заметному сокращению области локализации спинового зонда. Опыты показали, что при влажности семян 62 % на 27-й день после окончания цветения происходит не только уменьшение объема, в который проникает зонд, но и значительное снижение его концентрации во всех областях семян относительно концентрации в зародыше. Кроме этого, изучены поступления спинного зонда в свежесобранных семенах пшеницы на разных стадиях созревания. Результаты исследования показывают, что уменьшается жидкая зона, в которой происходят метаболические реакции в процессе созревания. Установлено, что после высушивания проницаемость мембранных структур снижается.

The water content of wheat seeds is one of the main quality indicators of grain. However, in the process of ripening, the dynamics of the state of water in the seeds has been little studied. The main studies were carried out on already ripe grains, which are at rest and with a moisture content of less than 13%. The basic physiological and biochemical processes take place in the aqueous dispersion solution of plant seed tissues. Therefore, the study of the dynamics of water content in the process of seed formation is an urgent task. The condition of water in wheat seeds dried in the initial stages of its ripening was studied. To study the spatial distribution of the spin probe supplied with an aqueous solution to the wheat seed structures permeable to it, seeds were used that were dried at different stages of ripening 14, 19, 27 days after the end of flowering. Dry seed results indicated a slower, compared to normal conditions in the ripening process. This is due to adverse weather conditions during the period of seed formation. Restored two-dimensional distribution of the probe in the grain 19 days after the end of flowering. It should be noted that a de-

crease in seed moisture to 71% leads to a noticeable reduction in the localization region of the spin probe. Experiments have shown that with a seed moisture content of 62% on day 27 after the end of flowering, there is not only a decrease in the volume into which the probe penetrates, but also its concentration in all areas of seeds is significantly reduced relative to the concentration in the bud. In addition, the spinal probe inflow in freshly harvested wheat seeds was studied at different stages of maturation. The results of the study show that the liquid zone in which metabolic reactions take place in the process of maturation decreases. It was established that after drying, the permeability of membrane structures decreases.

Ключевые слова: семена, растительные ткани, спиновое эхо, распределение влаги, метаболически активная жидкая зона, проницаемость мембранных структур, ЭПР-томография.

Key words: plant tissues, spin echo, moisture distribution, metabolically active liquid zone, permeability of membrane structures, EPR imaging.

Введение. В засушливых условиях культивирования растения пшеницы испытывают стресс вследствие недостатка влаги [8, 13, 15]. Особенно остро он наблюдается в период формирования и созревания семян [1]. Водный дефицит в растениях вызывает снижение интенсивности фотосинтеза, торможение основных биохимических процессов, направленных на образование органического вещества и его перемещение в семена. Это вызывает снижение качества зерна [2, 14]. От влажности семян зависит развитие и распространение инфекционных заболеваний различной этиологии [4, 5]. Исследования содержания воды в тканях семян на разных этапах его формирования являются уникальными. Они дают представление о физиологическом состоянии растений в фазу плодоношения и образования урожая [11, 12]. Глубокое исследование содержания влаги в тканях семян пшеницы является актуальной задачей.

В настоящее время ЭПР-томография широко применяется в различных областях науки: при изучении пространственного распределения примесей и дефектов в кристаллах, аморфных, твердых телах; при изучении процессов диффузии в телах и конденсированных средах. Однако для исследования семян растений данный метод использовался редко.

Применение метода ЭПР томографии для изучения процессов перемещения влаги в растительных тканях показало, что пространственная локализация структур клетки указывает на нарушение барьерной функции мембран при проникновении в них водно-растворимого спинового зонда [10].

Исследование влажности эндосперма в семенах позволило объяснить основные особенности водного режима растений и, прежде всего, наличие активного метаболизма в семенах при существенно меньшем содержании воды, чем в других известных биологических объектах [2, 6].

Известен факт, что в процессе созревания содержание воды в семенах значительно уменьшается. Однако до настоящего времени механизм сокращения метаболически активной жидкой зоны на конечных этапах созревания семян исследован недостаточно. Выявление механизма локализации таких зон является новым направлением исследований. Для этого применим спектрометр ЭПР-томографии, который позволяет измерить распределение влаги, проникающей через нарушенные спиновые зонды.

Целью исследований являлось выявление динамики содержания и распределения воды в тканях семян пшеницы для понимания физиологических процессов их созревания и образования запасных питательных веществ.

Материалы и методы. Исследования проводились на лабораторной базе Ташкентского государственного аграрного университета. Объектом исследования служили семена пшеницы сорта «Унумли бугдой», Санзар-6 в различных фазах созревания. Из-

мерение содержания и распределения воды в семенах проводили методом ЭПР. Как известно, ЭПР-томография в настоящее время является быстро развивающейся областью науки. Она служит для определения пространств водного распределения парамагнитных центров в исследуемом образце [8]. Это позволяет наблюдать в опытных объектах содержание неспаренных электронов, т.е. свободных электронов. Данным методом фиксируются характеристики ЭПР-сигналов спиновых меток и зондов для получения пространственных изображений на основе магнитного резонанса. Необходимо отметить, что по сравнению с ЯМР-томографией метод ЭПР-томографии даёт большое пространственное разрешение из-за высокой чувствительности, что повышает точность полученных результатов [9].

При исследовании состояния воды в семенах пшеницы учитывали влажность. Для её определения навеску зерна помещали в сушильный шкаф при температуре 104 0С на 40 минут. Бюксы с навесками после высушивания охлаждали в эксикаторе в течение 2 часов, затем взвешивали и по массе испарившейся влаги рассчитывали влажность зерна, выраженную в процентах [3].

Всхожесть семян определяли проращиванием на влажной фильтровальной бумаге при 100 % влажности воздуха и температуре воздуха 20 °С в термостате по ГОСТ 13586.5-93. Всхожесть рассчитывали в процентах от количества исхода взятых семян.

Измерения проводились на модифицированной установке спинового эха с цифровой системой регистрации и системой накопления [1, 2]. Повторность в опытах 4-5 раз. Полученные результаты обрабатывали статистическими методами анализа выборки (метод Стьюдента).

Результаты и обсуждение. Исследованиями установлено, что на конечных этапах созревания семян происходит сокращение метаболически активной жидкой зоны. Распределение и локализацию таких зон позволяет определить метод ЭПР - томографии путём нарушения биологической мембраны спинового зонда. Необходимо отметить, что в свежесобранных семенах первой партии (10 дней после окончания цветения) концентрация зонда незначительна во всем объеме семян, включая зародыш. Поэтому нами были построены двухмерные изображения распределения зон с различным содержанием воды в семенах пшеницы на 24-й и 32-й дни после цветения, т.е. 2, 3, 4 партий.

Полученные результаты (рисунок 1) показывают, что на каждой из данных стадий созревания зонд уже способен проникать в семя. С возрастанием степени зрелости семян происходит заметное увеличение объема заполняемого водным раствором зонда. В этих случаях на всех стадиях относительно высокая концентрация зонда наблюдается в области зародыша. В данном этапе зародыш уже сформирован и семя способно к прорастанию, происходит увеличение доли клеток с дестабилизированными мембранами: 2 - через 36 дней; 3 - через 39 дней. Время набухания в растворе зонда - 10 часов. Линии проведены через равные интервалы в местах локализации сигналов ЭПР одинаковой интенсивности (отн. ед).

Нами также изучалось состояние воды в семенах пшеницы, высушенных на начальных этапах ее созревания. Для изучения пространственного распределения спинового зонда, поступающего с водным раствором в проницаемые для него структуры, использовали семена, высушенные на разных этапах созревания: через 14, 19, 27 дней после окончания цветения. Результаты по сухому весу семян указали на более медленный, чем в обычных условиях, процесс созревания, это, по-видимому, связано с неблагоприятными погодными условиями в период формирования семян.

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (53) 2019

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

Рисунок 1 - Двухмерные изображения распределения спинового зонда в свежесобранных семенах пшеницы сорта Унумли бугдой: 1 - через 17 дней, 2 - через 24 дня, 3 - через 32 дня после цветения

Результаты опытов показаны на рисунке 2, где восстановленные изображения распределения зонда, поступающего за 3 часа вместе с водой в зерно пшеницы. Выбранная нами метка в интервал времени должна была проникнуть в те области внутри семян, где отсутствуют естественные препятствия для ее распространения, не изменяя состояние структуры, это время существенно меньше, чем время, необходимое для завершения физической стадии процесса набухания. Время фиксации в растворе зонда - 3 часа.

Рисунок 2 - Двухмерные изображения распределения спинового зонда в семена пшеницы сорта Санзар-6, высушенные на разных стадиях созревания: 1 - через 14 дней после цветения, 2 - через 19 дней, 3 - через 27 дней

Рисунок 2 показывает, что в семенах пшеницы из первой партии, имеющей исходную влажность 90 %, зонд обнаруживается в пределах почти всего объема семени. Необходимо отметить, что его распределение неравномерное, относительно повышенная концентрация зонда наблюдается не только в районе зародыша, но и вблизи центрального сосудистого пучка, через который идет поступление воды в эндосперме. Удаление воды при высыхании семян на данной стадии нарушает барьерную функцию мембран в значительной части объема семян.

Восстановленное двухмерное распределение зонда в зерне через 19 суток после окончания цветения показано на рисунке под номером 2. Необходимо отметить, что снижение влажности семян до 71 % приводит к заметному сокращению области локализации спинового зонда, выступившего в высушенных семянах. Высокая концентрация зонда остается в противоположном от зародыша конце, тогда как в области, прилегающей к сосудистому пучку, его значительно меньше.

В опытах при влажности семян 62 % (27 дней после окончания цветения) происходит не только уменьшение объема, в который проникает зонд, но и значительно снижается ее концентрация во всех областях семян относительно концентрации в зародыше.

В этой стадии созревания семя приобрело форму и размеры спелого зерна. Доля клеток с проницаемыми для зонда мембранами после высушивания семян еще более уменьшилась.

Заключение. Данные результаты показывают, что с уменьшением жидкой зоны в процессе созревания происходят метаболические реакции, регулирующие поступление воды в семя. Они формируются уже на ранних этапах созревания семян. Полученные результаты дают основание сделать заключение, что по мере созревания семян доля клеток, обладающих высокой проницаемостью своих мембранных структур, после высушивания сокращается.

Библиографический список

1. Аксенов, С.И. Вода и ее роль в регуляции биологических процессов [Текст]/ С.И. Аксенов. - М.: Изд-во «Наука», 2004. - 116 с.

2. Аксенов, С.И. Проникновение и распространение воды в семенах пшеницы во время набухания [Текст]/С.И. Аксенов, Е.А. Головина // Физиология растений. - 1996. -№ 33/1. - С. 150-158.

3. ГОСТ 13586.5-93 Зерно. Метод определения влажности [Текст].

4. Евдокимов, А.П. Дозы ультрафиолетового излучения для бактерицидной обработки зерна [Текст]/А.П. Евдокимов, И.Ю. Подковыров, Т.А. Кузнецова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2018. - №1 (49). - С. 284-291.

5. Евдокимов, А.П. Воздействие бактерицидного ультрафиолетового излучения на микрофлору зерна пшеницы [Текст]/А.П. Евдокимов, И.Ю. Подковыров, Т.А. Кузнецова // Стратегические ориентиры инновационного развития АПК в современных экономических условиях: материалы Международной научно-практической конференции. В 5 ч. / Волгоградский ГАУ. -Волгоград, 2016. - С. 320-326.

6. Есболова, М.Б. Влияние сроков и норм высева на посевные качества и продуктивность семян озимой пшеницы [Текст]: автореферат дисс. ... канд. с.-х. наук / М.Б. Есболова. -Ташкент, 2009. - 48 с.

7. Овчинников, А.С. Исследование свойств концентрированного водно-солевого раствора [Текст]/ А.С. Овчинников, В.С. Жаринов, В.В. Якубов // Стратегическое развитие АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях: материалы Международной научно-практической конференции, посвящённой 70-летию Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг. /Волгоградский ГАУ. - Волгоград, 2015. - С. 83-89.

8. Олейник, О С. Динамика и развитие растениеводства в Волгоградской области [Текст]/ О С. Олейник, А.С. Овчинников // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - №3 (43). - С. 278-287.

9. ЭПР-томография процессов набухания в зерне пшеницы физиология растений [Текст]/ А.И. Мирнов, О.Е. Якемченко, С.И. Аксенов и др. - № 35- 1998. - С. 445-449.

10. Hysteresis of low-field microwave absorption in polycrystalline ferromagnetics [Tekst]/ Yu.A. Koksharov, A.N. Tikhonov, L.A. Blyumenfel'd et all. // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 1999. - Т. 73. - № 10. - Р. 1671-1675.

11. Unraveling key metabolomic alterations in wheat embryos derived from freshly harvested and water-imbibed seeds of two wheat cultivars with contrasting dormancy status [Tekst]/ A. Das, , D. Kim, P. Khadka et all. // Frontiers in Plant Science. - 2017. - №8.

12. Khalilzadeh, R. Growth, physiological status, and yield of salt-stressed wheat (triticum aestivum L.) plants affected by biofertilizer and cycocel applications [Tekst]/ R. Khalilzadeh, R. Seyed Sharifi J. Jalilian // Arid Land Research and Management. - 2018. - №32(1). - Р. 71-90.

13. Different responses of wheat with different chromosome ploidies to water stress during seed-seedling transformation et all. [Tekst] /Z. Wang, W. Zhao, C. Wang // Journal of Food, Agriculture and Environment. - 2012. - № 10(3-4). - Р. 879-882.

14. Effects of different water availability at post-anthesis stage on grain nutrition and quality in strong-gluten winter wheat [Tekst]/ C. Zhao, M. He, Z. Wang et all. // Comptes Rendus - Biologies. -2009. - № 332(8). - Р. 759-764.

15. Selenium supply methods and time of application influence spring wheat (triticum aestivum L.) yield under water deficit conditions [Tekst] / F. Nawaz, M. Y. Ashraf, R. Ahmad et all. // Journal of Agricultural Science. - 2017. - №155(4). - Р. 643-656.

Reference

1. Aksenov, S. I. Voda i ee rol' v regulyacii biologicheskih processov [Tekst]/ S. I. Aksenov. -M.: Izd-vo "Nauka", 2004. - 116 р.

2. Aksenov, S. I. Proniknovenie i rasprostranenie vody v semenah pshenicy vo vremya nab-uhaniya [Tekst]/S. I. Aksenov, E. A. Golovina // Fiziologiya rastenij. - 1996. -№ 33/1. - P. 150-158.

3. GOST 13586.5-93 Zerno. Metod opredeleniya vlazhnosti [Tekst].

4. Evdokimov, A. P. Dozy ul'trafioletovogo izlucheniya dlya baktericidnoj obrabotki zerna [Tekst]/A. P. Evdokimov, I. Yu. Podkovyrov, T. A. Kuznecova // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2018. - №1 (49). - P. 284-291.

5. Evdokimov, A. P. Vozdejstvie baktericidnogo ul'trafioletovogo izlucheniya na mikrofloru zerna pshenicy [Tekst]/A. P. Evdokimov, I. Yu. Podkovyrov, T. A. Kuznecova // Strategicheskie ori-entiry innovacionnogo razvitiya APK v sovremennyh jekonomicheskih usloviyah: materialy Mezhdu-narodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii. V 5 ch/ / Volgogradskij GAU. - Volgograd, 2016. - P. 320-326.

6. Esbolova, M. B. Vliyanie srokov i norm vyseva na posevnye kachestva i produktivnost' semyan ozimoj pshenicy [Tekst]: avtoreferat diss...kand. s. -h. nauk / M. B. Esbolova. - Tashkent, 2009. - 48 р.

7. Ovchinnikov, A. S. Issledovanie svojstv koncentrirovannogo vodno-solevogo rastvora [Tekst]/ A. S. Ovchinnikov, V. S. Zharinov, V. V. Yakubov // Strategicheskoe razvitie APK i sel'skih territorij RF v sovremennyh mezhdunarodnyh usloviyah: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyaschjonnoj 70-letiyu Pobedy v Velikoj Otechestvennoj vojne 19411945 gg. /Volgogradskij GAU. - Volgograd, 2015. - Р. 83-89.

8. Olejnik, O. S. Dinamika i razvitie rastenievodstva v Volgogradskoj oblasti [Tekst]/ O. S. Olejnik, A. S. Ovchinnikov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2016. - №3 (43). - Р. 278-287.

9. JePP-tomografiya processov nabuhaniya v zerne pshenicy fiziologiya rastenij [Tekst]/ A. I. Mirnov, O. E. Yakemchenko, S. I. Aksenov i dr. - №35. - 1998. - Р. 445-449.

10. Hysteresis of low-field microwave absorption in polycrystalline ferromagnetics [Tekst]/ Yu.A. Koksharov, A.N. Tikhonov, L.A. Blyumenfel'd et all. // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 1999. - Т. 73. - № 10. - Р. 1671-1675.

11. Unraveling key metabolomic alterations in wheat embryos derived from freshly harvested and water-imbibed seeds of two wheat cultivars with contrasting dormancy status [Tekst]/ A. Das, , D. Kim, P. Khadka et all. // Frontiers in Plant Science. - 2017. - №8.

12. Khalilzadeh, R. Growth, physiological status, and yield of salt-stressed wheat (triticum aestivum L.) plants affected by biofertilizer and cycocel applications [Tekst]/ R. Khalilzadeh, R. Seyed Sharifi J. Jalilian // Arid Land Research and Management. - 2018. - №32(1). - Р. 71-90.

13. Different responses of wheat with different chromosome ploidies to water stress during seed-seedling transformation et all. [Tekst] /Z. Wang, W. Zhao, C. Wang // Journal of Food, Agriculture and Environment. - 2012. - № 10(3-4). - Р. 879-882.

14. Effects of different water availability at post-anthesis stage on grain nutrition and quality in strong-gluten winter wheat [Tekst]/ C. Zhao, M. He, Z. Wang et all. // Comptes Rendus - Biologies. -2009. - № 332(8). - Р. 759-764.

15. Selenium supply methods and time of application influence spring wheat (triticum aestivum L.) yield under water deficit conditions [Tekst] / F. Nawaz, M. Y. Ashraf, R. Ahmad et all. //Journal of Agricultural Science. - 2017. - №155(4). - Р. 643-656.

E-mail: sapaev.60@mail.ru

УДК 528.7(202):631.4 DOI: 10.32786/2071-9485-2019-01-19

ДИСТАНЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И КАРТОГРАФРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ АНТРОПОГЕННО - ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

ЮГА РОССИИ

REMOTE RESEARCH AND MAPPING THE STATE OF ANTHROPOGENIC-TRANSFORMED TERRITORIES OF THE

SOUTH OF RUSSIA

В.В. Новочадов, доктор медицинский наук

А.С. Рулев, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент РАН В.Г. Юферев, доктор сельскохозяйственных наук Е.А. Иванцова, доктор сельскохозяйственных наук

V.V. Novochadov, A.S. Rulev, V.G.Yuferev, E.A. Ivantsova

ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет» FSAEI of Higher Education «Volgograd State University»

Ландшафтные комплексы Прикаспийской низменности формировались на молодой морской равнине, что обусловило небольшую мощность и гумусированность почв. Большую часть территории занимают пески с открытыми очагами дефляции, что в условиях полупустынного засушливого климата и большой площади засоления почв, податливости ветровой и водной и эрозии способствует проявлению деградации и опустынивания, в первую очередь, при неадекватном антропогенном воздействии на ландшафты. В работе приведены методология, методика и результаты дистанционных исследований деградированных фито-ценозов в ландшафтах юга европейской России при антропогенном воздействии на них в результате хозяйственной деятельности человека. Метод картографо-космического мониторинга позволяет оценить состояние фитоценозов антропогенно -трансформированных ландшафтов, суть которого состоит в использовании результатов космической съемки и геоинформационного анализа территорий для оценки состояния территорий и составления карт пространственного распределения деградации. На основании сопоставления данных космо-съемки и результатов фотоэталонирования осуществлена оценка и составлены тематические карты деградации фитоценозов. Картографирование антропогенно-трансформированных

151