Влияние экологических факторов на содержание антиоксидантов в прорастающих семенах ярового ячменя

ББК 41.3:40.2

ВЛИЯНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СОДЕРЖАНИЕ АНТИОКСИДАНТОВ В ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЕНАХ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ

А. С. Казакова,

Гидротермические условия года репродукции семян существенно влияют на их качество, в том числе на всхожесть, устойчивость к недостатку влаги в период прорастания, что очень важно для получения запланированной густоты стояния растений в посеве. В условиях весенней почвенной засухи прорастающие семена страдают не только от водного дефицита, но и от развивающегося на этом фоне окислительного стресса. В результате в клетках накапливаются активные формы кислорода (АФК), способные повреждать саму клетку и ее структуры. Против АФК в клетке действует система антиоксидантной защиты, которая состоит из высоко- и низкомолекулярных соединений; к последним относятся аскорбиновая кислота (АК) и глутатион (^Н) [1].

Функции АК и Г8Н в метаболизме растений чрезвычайно разнообразны. АК является мощным антиоксидантом, предшественником многих соединений и кофактором многих ферментов. АК влияет также на рост клеток, морфогенез, синтез этилена, гиббереллинов, антоцианов. Г8Н во многих реакциях является донором атомов водорода и играет очень важную роль в поддержании клеточного редокс-баланса. Он необходим для поддержания реакций аскорбат-глутатионового цикла, связанного с нейтрализацией перекиси водорода [2].

Исследования содержания низкомолекулярных антиоксидантов (НАО) в клетках прорастающих семян немногочисленны. Было показано, что в зародышах подвергнутых стрессу семян повышается активность ферментов - супероксиддисмутазы, глутатион-редуктазы, аскорбатпероксидазы [3]. АК и компоненты АК-Г8Н-цикла способны защитить растения от окислительного стресса в условиях загрязнения тяжелыми металлами.

Казакова Алия Сабировна - доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой физиологии и химии Азово-Черноморской агроинженерной академии (АЧГАА), 347740, г. Зерноград, ул. Ленина, 21, е-mail: Kasakova@inbox.ru, т. 8(86359)40601;

Ковалёва Ольга Николаевна - аспирант, преподаватель той же кафедры, e-mail: olga1511@yandex.ru.

О.Н. Ковалёва

Так, в проростках ячменя увеличивалось содержание АК и TSH в ответ на повышенные концентрации кадмия в среде проращивания семян [4]. Нами было установлено, что содержание АК и TSH изменяется по фазам прорастания семени и имеет общие закономерности для различных сортов ярового ячменя [5]. Однако влияние условий года репродукции семян на содержание и изменение в них НАО в условиях оптимального и недостаточного увлажнения не было изучено.

В связи с этим цель работы состояла в изучении содержания НАО в семенах разных сортов ярового ячменя трех лет репродукции, прорастающих в условиях оптимального и недостаточного увлажнения.

Объектом исследования служили семена ярового ячменя Рубикон, Виконт, Стимул, Мамлюк, которые были выращены в учебно-опытном фермерском хозяйстве АЧГАА в 2004 (семена-2004), 2006 (семена-2006) и 2007 (семена-2007) годах. По гидротермическим условиям периода вегетации растений ярового ячменя 2004 г. является оптимальным, 2006 г. - умеренно-засушливым, 2007 г. -острозасушливым.

Семена проращивали в рулонах при температуре +20 оС на дистиллированной воде согласно ГОСТ-12038-84 [6]. Засуху моделировали с помощью 0,2 М раствора сахарозы с осмотическим давлением 5,3 атм. Содержание АК и TSH определяли в сухих семенах и на различных фазах их прорастания - "точка", "зрелые корешки", "проросток" [7]. Фаза "точка" соответствует наклевыванию семян, фаза "зрелые корешки" (далее просто "корешки") - наличию нескольких зародышевых корешков, из которых хотя бы один достиг длины семени или более, но росток при этом отсутствует. Фаза "проросток" соответствует

Kasakova Ailiya - doctor of biology, professor, the head of Plant Physiology and Chemistry Department in the Azov-Black Sea State AgroEngineering Academy, 21 Lenin Street, Zernograd, 347740, e-mail: Kasakova@inbox.ru, ph. +7(86359)40601;

Kovaljeva Olga - postgraduate student, lecturer of the same department, e-mail: olgal511@yandex.ru.

наличию двух и более корешков длиной более длинной оси семени и колеоптиля длиной более половины длинной оси семени. Для анализа использовали зародыши семян, которые извлекали из семени.

Содержание АК, Г8И определяли методом Петта в модификации Прокошева [8] и выражали в мг% на абсолютно сухую массу, которую определяли весовым методом. Полученные результаты подвергали статистической обработке с использованием стандартных программ ПК.

В результате проведенного исследования были выявлены общие закономерности изменения количества АК, Г8И и значений ОРА в тканях зародыша по фазам прорастания семян ярового ячменя в условиях оптимального и недостаточного увлажнения. Содержание АК, Г8И и значения ОРА либо сначала увеличиваются и достигают максимума в фазе "корешки" или в фазе "проросток"; либо, достигнув максимума в фазе "корешки", снижаются к фазе "проросток" (рис.).

Условия года репродукции семян влияют на абсолютные значения количеств АК, Г8И и значений ОРА. Изменение содержания АК в условиях оптимального увлажнения и модельной засухи за все годы имеет общий характер: содержание АК значительно увеличивается от сухого семени до фазы "корешки" и в контроле увеличивается в 8-9 раз (рис., а), а в условиях засухи - в 4-6 раз (рис., б). К фазе "проросток" содержание АК увеличивается

незначительно или остается практически на прежнем уровне от фазы "корешки".

Считается, что основное количество АК образуется в зеленых листьях и побегах, а точнее - в хлоропластах [9]. Проведенные нами исследования показывают, что содержание АК увеличивается в прорастающем семени, в котором еще не начались фотосинтетические процессы.

Снижение содержания АК в засухе в процентах от контроля на всех фазах прорастания сохраняется примерно на 30 %, только в семенах-2007 в фазе "корешки" снижение происходит на 50 % от контроля.

А у семян-2006 содержание АК в фазе "проросток" в контроле и засухе отличаются всего на 10 %. Можно предположить, что в результате благоприятных условий 2004 г. произошло накопление необходимого оптимума данного антиоксиданта или его предшественников, позволивших в процессе прорастания семян равномерно их распределить и расходовать.

Считается, что основной пул АК в растении накапливается в процессе фотосинтеза [9], однако до фазы "проросток" фотосинтетических процессов в семени не происходит. Следовательно, увеличение этого антиоксиданта в прорастающих семенах происходит за счет предшественников, накопление которых, очевидно, зависит от климатических условий года репродукции семени.

корешки проросток

точка корешки пророс т ок

точка корешки проросток

160 140 120

S100 Í 80 S 60

40

20 0

800 700 600

S

U 500

^ 400 E

300 200 100 0

корешки проросток

корешки проросток

корешки проросток

Изменение содержания АК, FSH и значений ОРА в тканях зародыша по фазам прорастания семян ярового ячменя трех лет репродукции в условиях оптимального

t 15

точка

точка

точка

д

е

г

Снижение количества АК у семян-2007 на половину от контроля в засухе к фазе "корешки"может быть связано с недостаточным накоплением в период созревания предшественников, из которых могла бы образовываться АК. Возможно, требуется какое-то время для восстановления ресурсов, так как к фазе "проросток" происходит возврат к исходному соотношению значений в контроле и засухе.

В ходе нашего исследования было установлено, что определенное количество Г8Н в семенах, находящихся в покое, остается в восстановленном состоянии.

При прорастании количество глутатио-на и в контроле и в засухе увеличивается до фазы "корешки" (рис., в, г). Содержание Г8Н от величины в сухих семенах в оптимальных условиях влажности в 2004 и 2007 годах выросло в среднем в 5 раз, а в 2006 г. даже в 8 раз. К фазе "проросток" происходит небольшое снижение содержания Г8Н или, как в 2004 г., остается практически на том же уровне. В условиях недостатка влаги абсолютные значения при прорастании снижаются на 20-30 %, но закономерности наблюдаются сходные. К фазе "корешки" увеличение от сухого семени происходит примерно в 3 раза в 2004 и 2007 годах, а в 2006 г. - более, чем в 6 раз. К фазе "проросток" тенденции те же, что и в контроле -снижение (2004 г., 2007 г.) или практически незаметный рост (2006 г.).

Значения ОРА (рис., д, е) дают возможность нам судить о суммарной работе этих двух важных антиоксидантов - АК и Г8Н. Закономерности изменений значений ОРА сходны с показателями изучаемых антиоксидантов.

Следует отметить, что абсолютные значения ОРА в семенах-2006 и в контроле, и в условиях модельной засухи выше, чем у семян-2007 и семян-2004.

Для того чтобы количественно оценить экофизиологическое воздействие на содержание НАО в прорастающих семенах и охарактеризовать работу аскорбат-глутатионового цикла, мы выразили содержание НАО за 2006 и 2007 годы в процентах от их содержания в оптимальный 2004 год (табл.).

НАО и их предшественники накапливаются в сухих семенах в процессе созревании на материнском растении. Ужесточение засухи в период формирования семян приводит к тому, что в сухих семенах уменьшается содержание АК в среднем на 20 % в 2006 и на 30 % в 2007 годах. Содержание АК в семенах-2006 и сменах-2007 по всем фазам прорастания семян в условиях оптимального увлажнения ниже, чем в семенах оптимального года. Жесткая засуха 2007 г привела к тому, что в прорастающих семенах содержание АК имеет самые низкие значения. При проращивании этих семян в условиях водного стресса содержание АК еще больше снижается. В условиях водного стресса семена в фазе "проросток" имеют более высокое содержание АК, чем в условиях оптимального увлажнения.

Содержание Г8Н в сухих семенах-2006 на 20 % ниже количества Г8Н семян-2004. А количество Г8Н в сухих семенах-2007 превышает содержание Г8Н на 15 % от оптимального года репродукции. Содержание Г8Н по фазам прорастания семян и в 2006 и в 2007 годах превышает содержание от оптимума.

Год Фазы прорастания семян Оптимальные условия Засуха

АК ГБН ОРА АК ГБН ОРА

2006 сухое 78 80,4 107,7 78 80,4 107,7

точка 64 129,3 114,3 56,7 132,3 121,4

корешки 63,2 143,9 107,9 72,4 125,8 115,6

проросток 66,6 112,4 92,1 96 137,5 117,8

среднее 68,0 116,5 105,5 75,8 119,0 115,6

2007 сухое 63,6 115,3 103 63,6 115,3 103

точка 44,3 105,2 76 37,7 109,8 74,7

корешки 54,8 127,5 94,7 39,2 105,2 80,4

проросток 49,6 100,6 70,7 60,5 106,4 85,7

среднее 53,1 112,2 86,1 50,3 109,2 86,0

Таблица

Изменение содержания НАО в прорастающих семенах-2006 и семенах-2007 ярового ячменя, % от их содержания в оптимальный по гидротермическому режиму 2004 г.

Значения ОРА как показатель суммарной работы АК и Г8Н отражают работу аскорбат-глутатионового цикла. В сухих семенах значение ОРА в процентном отношении практически не отличается. По фазам прорастания семян-2006 значения ОРА при оптимальном увлажнении превышают значения оптимума примерно на 10 %, и только к фазе "проросток" они становятся ниже оптимальных. А при проращивании в засухе семян-2006 значения ОРА выше на 15-20 % от оптимума. Для семян-2007 характерно снижение значений ОРА и при оптимальном увлажнении и в засухе от оптимального 2004 г.

Таким образом, нами впервые выявлена общая закономерность изменения содержания НАО по фазам прорастания семени ярового ячменя в условиях оптимального и недостаточного увлажнения, а также установлено влияние условий года их репродукции. В условиях засушливого вегетационного периода на растениях формируются семена со сниженным содержанием АК и повышенным содержанием ген. Содержание в семенах АК, Г8Н и значения ОРА при проращивании семян в условиях оптимальной влагообеспе-ченности на всех фазах прорастания выше, чем в условиях дефицита влаги, что можно объяснить расходованием НАО на преодоление водного стресса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мерзляк М.Н. Активированный кислород и жизнедеятельность растений // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 9. С. 20-26.

2. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учебное пособие / Под ред. И.П. Ермакова. М.: КДУ, 2007. 140 с.

3. Arican E., Gozukirmizi N. Effects of hyperbaric oxygenation on cultured barley embryos // Acta Biologica Hungarica. 2008. Vol. 59. № 4. P. 453-464.

4. Tamás L., Bocová1 B., Huttová1 J. et all. Cadmium-Induced Inhibition of Apoplastic Ascorbate Oxidase in Barley Roots // Plant Growth Regulation. 2006. Vol. 48. № 1. Р. 41-49.

5. Ковалёва О.Н., Казакова А.С. Влияние водного стресса на ход изменения количества низкомолекулярных антиоксидантов в прорастающих семенах ярового ячменя // Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины: Мат-лы междунар. науч.-практич. конф. Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2009. С. 89.

6. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести: ГОСТ 12038-66; Введен 01.07.86. М.: Изд-во стандартов, 1985. 57 с.

7. Казакова А.С., Козяева С.Ю. Шкала микрофенологических фаз прорастания семян ярового ячменя // Сельскохозяйственная биология. 2009. № 3. С. 88-92

8. Практикум по физиологии растений / Под ред. Н.Н. Третьякова. М.: Колос, 2003. 288 с.

9. Чупахина Г.Н. Система аскорбиновой кислоты растений. Калининград: Изд-во КГУ, 1997. 127 с.

5 июля 2010 г.