Изменение ферментативной активности и биохимического состава семян сои под влиянием гербицида

УДК 577.151:633.853.52:632.954

М.П. Михайлова, Л.А. Каманина, В.Т. Синеговская

ИЗМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ И БИОХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА

СЕМЯН СОИ ПОД ВЛИЯНИЕМ ГЕРБИЦИДА

В статье приведены данные о влиянии гербицида Пульсар на изменение ферментативной активности в листьях сои сорта МК 100 и биохимического состава ее семян. Исследования проводили на опытном поле Всероссийского научно-исследовательского института сои в 2017-2018 гг. Установлено, что ежегодное применение гербицида Пульсар в фазу 3-го тройчатого листа приводило к снижению удельной активности фермента пероксидазы. Увеличение удельной активности фермента было отмечено в фазу цветения растений, что указывает на активное участие фермента в механизмах их адаптации к стрессовому воздействию гербицида. Обработка сои гербицидом в дозе 0,8 л/га привела к снижению содержания в ее семенах белка, изменению его качественного состава и увеличению содержания в семенах изучаемого сорта лино-леновой кислоты.

Ключевые слова: соя, сорт сои МК 100, гербицид Пульсар, удельная ферментативная активность, пероксидаза.

M.P. Mikhailova, L.A. Kamanina, V.T. Sinegovskaya

CHANGE IN THE ENZYMATIC ACTIVITY AND BIOCHEMICAL COMPOSITION OF SOYBEAN SEEDS UNDER THE INFLUENCE OF HERBICIDE

The data of the Pulsar herbicide effect on the enzymatic activity change in the leaves of soybean varieties MK 100 and the biochemical composition of its seeds. The studies were performed on the experimental field of All-Russian Scientific Research Institute of Soybean during 2017-2018. It was found that the annual usage of the Pulsar herbicide in the phase of 3-rd trifoliate leaf caused a decrease in the specific activity of the peroxidase enzyme. The increase in the specific activity of the enzyme was observed during the plants flowering phase. It indicates the active participation of the enzyme in the plant adaptation mechanisms. Pulsar herbicide treatment with a 0,8 l/ha dose led to the decrease of protein content in seeds, change of its qualitative composition and increase of linolenic acid content in seeds of the studied variety.

Key words: soybean, soybean varieties MK 100, the Pulsar herbicide, specific enzymatic activity, peroxidase.

DOI: 10.17217/2079-0333-2019-49- 76-80

Введение

Химические средства защиты растений, используемые в борьбе с сорной растительностью, приводят не только к ее уничтожению, но одновременно оказывают воздействие на культивируемые растения. Те в свою очередь несут энергетические затраты на реализацию защитных биохимических реакций, направленных на уменьшение стрессового воздействия гербицидов. Однако это неизбежно приводит к снижению их биологической продуктивности и ухудшению технологических свойств полученного урожая. Это было показано рядом авторов, изучавших влияние гербицидов на физиологическое состояние и биохимические показатели сельскохозяйственных культур [1-4].

Для оценки адаптации растений к воздействию стрессовых факторов, к числу которых относится и обработка гербицидами, большой интерес представляет изучение физиологических процессов на биохимическом уровне. Важное место в защитных реакциях растений сои от неблагоприятных факторов принадлежит антиоксидантным системам, которые включают в себя широкий спектр химических веществ белковой природы и низкомолекулярных соединений. К антиоксидантам ферментативной природы относится фермент пероксидаза, которая наряду с антиоксидантной функцией обеспечивает протекание многих других реакций [5]. Ее активность зависит от степени, природы и продолжительности стрессового воздействия на растения [6, 7].

В настоящее время широкое распространение в сельском хозяйстве получил гербицид Пульсар. Его используют для активной защиты бобовых растений от вредного воздействия двудоль-

ных и злаковых сорняков. Влияние этого гербицида на развитие сои до конца не изучено. Нами для определения воздействия на ферментативную активность растений и биохимический состав семян был выбран сорт сои МК 100. Он был создан во Всероссийском научно-исследовательском институте сои (ФГБНУ ВНИИ сои) и включен в Госреестр селекционных достижений в 2011 г. Результаты, полученные в ходе этого исследования, представлены ниже.

Материалы и методы

Исследования проводили на сое сорта МК 100, возделываемой на опытном поле ФГБНУ ВНИИ сои в 2017-2018 гг., с. Садовое Амурской области.

Опрыскивание вегетирующих растений гербицидом Пульсар (д.в. имазамокс) в дозе 0,8 л/га проводили в фазу третьего тройчатого листа. Растения для определения удельной активности пероксидазы отбирали в фазу третьего тройчатого листа через 24 ч после опрыскивания и в фазу цветения. Всего было собрано 40 растений: 20 в фазу третьего тройчатого листа и 20 в фазу цветения. Для получения экстрактов белков листьев сои навеску материала (1 000 мг) гомогенизировали в фарфоровой ступке в течение 15 мин при охлаждении (температура + 5°С) 15 мл ацетатным буфером рН 4,7. Полученный экстракт центрифугировали при 3 000 об./мин в течение 15 мин. Осадок отбрасывали, а надосадочную жидкость фильтровали через мельничный газ для удаления липидной пленки и использовали для анализов.

Анализ проводили в двух биологических и трех аналитических повторностях. Активность пероксидазы в листьях сои определяли по методу А.Н. Бояркина в модификации А.Т. Мокроно-сова и выражали в единицах активности на 1 мг белка [8]. Данный метод основан на определении скорости реакции окисления бензидина под действием фермента, содержащегося в растениях, до образования продукта окисления синего цвета определенной концентрации на фотоэлектроколо-риметре (X = 670 нм) (Россия). Количество белка определяли методом Лоури [9].

Количественное содержание и качественный состав белка и жира в семенах сои определяли на ИК-анализаторе «Foss Nirsystem 5000» (Швеция) по ГОСТ Р 32749-2014 [10]. Повторность опыта трехкратная. Масса отобранных образцов - 250 г, масса навески 5-7 г. Метод основан на регистрации спектров отражения анализируемых проб в ближней инфракрасной области и определении в них массовых долей сырого протеина и аминокислот: валина, лизина, гистидина, аргинина, фенилаланина, лейцина, изолейцина, треонина, метионина+цистина, аспарагиновой кислоты, серина, аланина+глицина, пролина, тирозина, глютаминовой кислоты. Расчет значений показателей производился по заранее созданным градуировочным моделям.

Результаты и обсуждение

Изучение физиолого-биохимических закономерностей действия гербицидов на устойчивость к ним культурных растений позволило определить адаптивный потенциал сорта по устойчивости к стрессовым факторам. Ранее было установлено, что активность фермента пероксидазы является маркером адаптации к неблагоприятным факторам среды, в том числе к воздействию химических средств защиты растений [11].

Воздействие гербицидов как на сорные, так и на культурные растения определяется погодными условиями в период их применения. В исследуемые годы применение гербицида Пульсар в фазу 3-го тройчатого листа сои привело к снижению удельной активности изучаемого фермента. Это дает основание говорить о возникновении окислительного стресса и снижении адаптивного потенциала растений сои. Наименьшее значение этого показателя (28,1 ед./мг белка) было отмечено в 2018 г. (рис. 1). Это было связано с повышенной проникающей способностью гербицида из-за 100%-ной обеспеченности растений влагой из-за переувлажнения почвы осадками в период раннего развития и цветения растений в 2018 г. Частично это привело к их угнетению.

Увеличение удельной активности фермента в листьях сои после обработки гербицидом, по сравнению с контролем, отмечено в фазу цветения: на 6 ед./мг белка в 2017 г. и на 7,4 ед./мг белка в 2018 г., что свидетельствует об активном участии пероксидазы в повышении адаптивного потенциала. Наиболее неблагоприятным для роста и развития сои был вегетационный период 2018 г., который характеризовался неустойчивым температурным режимом: частыми дождями, высокой относительной влажностью воздуха и переувлажнением почвы. Активность изучаемого фермента в растениях контрольной группы составила 45,6 ед./ мг белка (рис. 2).

80

§ 70

5

60

-С 50

" 40

к 30 ё £ 20

< 10

0

2017 г.

2018 г.

Растения контрольной группы  Растения, обработанные гербицидом

Рис. 1. Удельная активность пероксидазы в листьях сои сорта МК100 в фазу третьего тройчатого листа 70

а

ле б

н

ь

ьле

д у

<

60 50 40 30 20 10 0

2017 г.

Растения контрольной группы

2018 г.

Растения, обработанные гербицидом

Рис. 2. Активность пероксидазы в листьях сои сорта МК 100 в фазу цветения

Известно, что содержание белков в семенах сои в первую очередь определяется интенсивностью фиксации азота клубеньковыми бактериями. Применение гербицида в посевах сои вызывает у нее нарушение физиолого-биохимических процессов, в том числе и симбиотических взаимоотношений растений с клубеньковыми бактериями. Это было показано в работе В.А. Тильбы, Л.А. Каманиной [12]. Возможно, именно в результате этого изменился биохимический состав семян (табл. 1).

Обработка гербицидом Пульсар, действующее вещество которого ингибирует синтез ряда аминокислот и способствует частичному угнетению растений, привела к снижению содержания общего белка в полученных семенах на 1,1% по сравнению с контролем (табл. 1). Наряду с изменением в семенах общего количества белка произошло изменение его качественного состава. Так, в частности, в семенах растений, подвергавшихся обработке гербицидом, количество таких незаменимых аминокислот, как гистидин, лейцин, изолейцин, валин, увеличилось по сравнению с контролем на 1,15, 0,18, 0,3 и 0,46 % соответственно, а содержание тирозина, напротив, снизилось на 0,15%.

Таблица 1

Среднее за период 2017-2018 гг. содержание общего белка и разных аминокислот в семенах сои контрольной и обработанной гербицидами групп растений, %

Семена Общий белок Аминокислоты

Гистидин Лейцин Изолейцин Валин Лизин Тирозин

От растений контрольной группы 38,6 6,34 8,03 5,53 6,34 5,97 4,01

От растений, обработанных Пульсаром 37,5 7,49 8,21 5,83 6,80 6,01 3,86

Изучение содержания жира в семенах изучаемых групп растений, показало, что, несмотря на различия погодных условий в 2017-2018 гг., таковое менялось незначительно: у контрольной группы оно составило 19,55%, у семян растений, обработанных гербицидом - 18,95%. Разница этих показателей составляет всего 0,6%. Вместе с тем нами были отмечены некоторые изменения в количественном содержании отдельных ненасыщенных жирных кислот (табл. 2). Качество соевого масла во многом зависит от содержания линоленовой кислоты. Ее повышенное количество приводит к быстрому окислению масла и появлению у него неприятного запаха. Из представленной ниже табл. 2 видно, что применение гербицида Пульсар вызвало повышение содержания линоленовой кислоты на 1,32% и значительное понижение других ненасыщенных жирных кислот, таких как линолевая (на 0,46%) и олеиновая (на 2,73%), по сравнению с контролем. Это также ведет к ухудшению технологических свойств соевого сырья, используемого для производства растительного масла.

Таблица 2

Среднее за период 2017-2018 гг. содержание жира и ненасыщенных жирных кислот в семенах сои контрольной и обработанной гербицидами групп растений, %

Семена Жир Ненасыщенные жирные кислоты

Линоленовая Линолевая Олеиновая

От растений контрольной группы 19,55 5,79 52,45 15,91

От растений, обработанных Пульсаром 18,95 7,11 51,99 13,18

Заключение

Проведенные нами исследования показали, что воздействие растения сои сорта МК 100 гербицида Пульсар в дозе 0,8 л/га изменяет физиологическое состояния и химический состав ее семян. Применение гербицида также оказывает влияние на удельную активность фермента перок-сидазы в листьях сои. У растений в фазе 3-го тройчатого листа после воздействия гербицида наблюдается ее снижение, а в фазу цветения - увеличение. Изменение удельной активности пе-роксидазы при воздействии разных погодных условий указывает на ее активное участие в процессе адаптации сои к неблагоприятному воздействию гербицида и приводит к изменению количественного содержания и качественного состава белка и жира в семенах сои.

Литература

1. Синеговская В.Т., Душко О.С., Иваненко Л.Е. Изучение устойчивости растений сои к гербицидам на основе использования современных физиологических и биохимических методов // Вестник ДальГАУ. - Благовещенск, 2012. - № 4. - С. 13-17.

2. Баев Н.А., Шелманова Д.Э., Максимюк Н.Н. Загрязнение объектов экосистемы пестицидами: пути и последствия // Молодой ученый. - 2014. - № 8. - С. 370-373.

3. Обработка гербицидом Гранстар вызывает окислительный стресс в листьях злаков / А.Н. Гарькова, М.М.Русяева, О.В. Нуштаева, Ю.Н. Аросланкина, А.С.Лукаткин // Физиология растений. - 2011. - Т. 58, № 6. - С. 935-943.

4. Кшникаткина А.Н., Юров М.И. Влияние баковой смеси гербицида Балерина и антидота Альбит на формирование урожая и на качество зерна ярового голозерного ячменя // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2013. - № 3 (23). - С. 41-45.

5. Analisis and expression of the class III peroxidase large gene family in Arabidopsis thaliana / M. Tognolli, C. Penel, H. Greppin, P. Simon // Gene. - 2003. -V. 288. - P. 129-138.

6. Иваненко Л.Е. Ферменты как маркеры адаптации сои к условиям выращивания: монография. - Благовещенск: Изд-во БГПУ, 2011.- 192 с.

7. Стаценко А.П., Тужилова Л.И., Вьюговский А.А. Растительные пероксидазы - маркеры химического загрязнения природных сред // Вестник ОГУ. - 2008. - № 10. - С. 188-191.

8. Малый практикум по физиологии растений / под ред. А.Т. Мокроносова. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. - 184 с.

9. Protein measurement with the Folin phenol reagent / O.H. Lowry, N.J. Resebrought, A.L. Farr, R.J. Randall // J. Biol. Chem. - 1951. - V. 193, № 1. - P. 265-275.

10. ГОСТ Р 32749-2014. Семена масличные, жмыхи и шроты. Определение влаги, жира, протеина и клетчатки методом спектроскопии в ближней инфракрасной области. - М.: Стандар-тинформ, 2015. - 6 с.

11. Пероксидазная активность проростков сои при воздействии гербицида Фронтьер различных концентраций /М.П. Михайлова, В.Т. Синеговская, В.А. Кузнецова, Л.Е. Иваненко // Итоги координации НИР по сое за 2011-2014 годы: сб. науч. ст. по материалам координационного совещания по сое зоны Дальнего востока и Сибири (с международным участием), 09-10 сентября 2015 г. - Благовещенск, 2015 - С. 106-110.

12. Тильба В.А., Каманина Л.А. Симбиотические процессы у сои при использовании гербицидов // Пути воспроизводства плодородия почв и повышения урожайности с/х культур в Приамурье: сб. науч. тр., ДальГАУ. - Благовещенск, 2001. - Вып. 7. - С. 133-137.

Информация об авторах Information about the authors

Михайлова Мария Павловна - Всероссийский научно-исследовательский институт сои (ФГБНУ ВНИИ сои); 675000, Россия, Благовещенск; старший научный сотрудник лаборатории первичного семеноводства и семеноведения; mihaylovamariya@mail.ru

Mikhailova Mariya Pavlovna - All-Russian Scientific Research Institute of Soybean (ARSRI of Soybean); 675000, Russia, Blagoveshchensk; Senior Researcher of the Primary Seed Farming and Seed Research Laboratory; mihaylovamariya@mail.ru

Каманина Лариса Анатольевна - Всероссийский научно-исследовательский институт сои (ВНИИ сои); 675000, Россия, Благовещенск; кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник лаборатории первичного семеноводства и семеноведения; camanina.larisa@yandex.ru

Kamanina Larisa Anatolyevna - All-Russian Scientific Research Institute of Soybean (ARSRI of Soybean); 675000, Russia, Blagoveshchensk; Candidate of Agricultural Sciences, Leading Researcher of the Primary Seed Farming and Seed Research Laboratory; camanina.larisa@yandex.ru

Синеговская Валентина Тимофеевна - Всероссийский научно-исследовательский институт сои (ВНИИ сои); 675000, Россия, Благовещенск; доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, главный научный сотрудник ФГБНУ ВНИИ сои; valsin09@gmail.com

Sinegovskaya Valentina Timofeevna - All-Russian Scientific Research Institute of Soybean (ARSRI of Soybean); 675000, Russia, Blagoveshchensk; Doctor of Agricultural Sciences, Academician of RAS, Chief Researcher of the FSBSI ARSRI of Soybean; valsin09@gmail.com