Активность ферментов в прорастающих семенах мягкой озимой пшеницы после обработки электроактивированными растворами

Ферменты – специфические белковые вещества, катализирующие все реакции обмена в растениях, они находятся в цитоплазме, органеллах клетки и в клеточной стенке, участвуют во всех биохимических реакциях прорастающих семян. Под влиянием поглощенной воды и начавшейся деятельности ферментов, зародыш зерновки начинает расти [3].

От ферментов зависят скорость и направление биохимических процессов. Они обусловливают различные физиологические и хозяйственные признаки растений: засухоустойчивость, скороспелость, урожайность, сахаристость плодов и овощей, масличность и белковость семян.

Активность и специфичность действия ферментов зависят от различных факторов, в первую очередь, от концентра- ции субстрата, активной кислотности среды (рН), температуры. Ферменты чувствительны к воздействию кислот, щелочей, солей тяжелых металлов и к нагреванию. В сухом растительном материале, например в зерне, ферменты иногда бывают весьма устойчивы. В растворенном состоянии большинство ферментов неспособно сохранять активность. Количество фермента, присутствующего в любой момент времени в клетке, определяется не только относительными скоростями их синтеза и распада, но и концентрациями различного рода активаторов и ингибиторов.

Во многих семенах основной запасной формой сахаров является крахмал. При прорастании он подвергается воздействию эндогенных ферментов, которые семена продуцируют для активации ростовых процессов. Белок, крахмал и другие запасные вещества в значительных количествах сконцентрированы в эндосперме и, следовательно, пространственно отдалены от зародыша, который был бы не в состоянии их использовать, если бы зародыш и щиток не выделяли в эндосперм ферменты и физиологически активные вещества. В прорастающем семени злаков зародыш посылает в алейроновый слой гиббереллин, который стимулирует образование а-ами-лазы. Если же удалить зародыш, то в эндосперме не происходит синтез этого фермента, а следовательно, и гидролиз крахмала [1].

Большое количество амилаз образуется при прорастании семян, в которых много крахмала. В прорастающих семенах амилазы расщепляют запасной крахмал семени до мальтозы, которая используется развивающимся зародышем. При созревании пшеницы амилаза притекает в зерно из вегетативных частей растения.

Активаторами а-амилазы, кроме эндогенных фитогормонов, могут быть ионы хлора. Для проявления максимальной активности в среде должны находиться определенные ионы в необходимой концентрации [1].

Оптимальная для действия амилаз реакция среды не одинакова при различной температуре действия амилаз в данной среде.

При прорастании семян пшеницы активность амилазы на 12-й день прорастания увеличивается в 23-24 раза [2].

Необходимость активирования амилазы, чтобы вызвать прорастание семян, иллюстрирует намачивание семян пшеницы в 1-2%-ных растворах амилазы стимулирующее прорастание семян и рост первичных корешков у проростков [2].

Условия созревания оказывают большое влияние на процесс превращения активных ферментов, в том числе и амилазы, причем она зависит от сорта, года урожая, степени зрелости и от условий созревания зерна [3].

При прорастании пшеницы активность амилазы сначала резко возрастает, достигает определенной максимальной величины и затем начинает падать [2].

Группа ферментов, активирующих кислород, в тканях пшеницы, многочисленна, основную роль в этих процессах играют каталаза и пероксидаза, действие которых направлено на превращение перекиси водорода.

Каталаза - агент, устраняющий токсичное действие перекиси водорода на протоплазму клеток растений. Исследованиями установлено, что пшеница среди злаковых растений отличается высокой активностью каталазы [3].

Каталаза, участвующая в процессе дыхания, содержится в покоящихся семенах в значительно больших количествах, чем амилаза, действие каталазы усиливается во время прорастания семян [1].

Каталаза входит в биологические системы, преобразующие энергию, участвуя с супероксиддисмутазой и пероксидазой в антиоксидантной системе защиты организмов.

Каталаза предотвращает аккумуляцию перекиси водорода, образующейся при аэробном окислении. Каталаза реагирует с перекисью водорода с образованием относительно стабильного фермент-субстратного комплекса [1].

Хотя каталаза не катализирует никаких окислительных реакций и лишь разлагает перекись водорода по схеме 2H2O2=2H2O+O2 с освобождением неактивного молекулярного кислорода, но присутствие в активной группе каталазы ге-минного железа приближает этот фермент к окислительным биологическим катализаторам.

Активность каталазы увеличивается параллельно интенсивности дыхания прорастающих семян, которое объединяет все процессы жизнедеятельности: белковый, углеводный и липидный обмен.

Для пшеницы было установлено относительно стабильное содержание каталазы в первые часы после начала проращивания, а затем усиленный подъем. Причем в зародышах пшеницы действие фермента в 5–6 раз оказалось более сильным, чем в целых семенах [2].

При набухании протоплазмы клеток семян в воде процесс обособления протоплазмы заканчивается в разные сроки в за- висимости от условий внешней среды. Воздействие, испытанное в этот период, приводит к изменениям в работе ферментов и синтезе белков, т.е. при не летальном влиянии вначале всегда происходит стимуляция, проявляющаяся в неспецифических и специфических реакциях.

Для получения зерна с высокими семенными, посевными и технологическими качествами необходима предпосевная стимуляция семян с помощью различных стимуляторов роста. Электроактивированные растворы, применяемые в качестве стимуляторов, имеют ряд преимуществ перед стимуляторами химического происхождения, это низкая себестоимость, нейтрализация активности после участия в реакциях технологического процесса, экологическая чистота [4].

Обработка семян электроактивиро-ванными растворами изменяет величину окислительно-восстановительного потенциала около- и внутриклеточной среды, регулируя активность эндогенных биоокислителей и биоантиокислителей, увеличивает скорость осмотического поглощения влаги клетками семенных оболочек, ускоряя набухание семян, дружность прорастания, полевую всхожесть. Ускорение этих процессов обеспечивает прохождение всех стадий онтогенеза в оптимальные сроки, что особенно важно в условиях недостаточного увлажнения юга Ростовской области.

Целью наших исследований являлось изучение влияния предпосевной обработки семян электроактивированными растворами на активность α -амилазы в прорастающем зерне озимой пшеницы Зерноградка 8, Подарок Дону и Донской маяк.

Для предпосевной обработки семян использовались электроактивированные растворы с 0,5% и 1% содержанием активного хлора (рН 10), контролем служили семена, обработанные дистиллированной водой.

В результате проведенных исследований была выявлена закономерность увеличения активности α -амилазы в зависимости от повышения концентрации активного хлора в растворе. Активность амилазы по вариантам опыта превышала на 13,1% и 27,4% соответственно, активность фермента в контроле.

В результате исследований было установлено, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы изучаемых сортов ЭАР с различным содержанием активного хлора в растворе интенсивнее активирует амилазу. Вследствие влияния щелочной ЭАР на семенные оболочки, происходит интенсивное осмотическое поглощение воды из окружающей среды, ускоряющее наклевывание и прорастание семян. Повышение активности амилазы проявилось после первых суток в прорастающих семенах у всех трех сортов. Ко вторым суткам в прорастающих семенах активность амилазы существенно возросла по сравнению с контролем в варианте при обработке ЭАР с 0,5% Cl у сортов Зерноградка 8 – на 10,3, Подарок Дону – на 11,3, Донской маяк – на 15,8%. С повышением концентрации в ЭАР активного Cl до 1% амилаза активировалась у сортов Зерноградка 8 – на 13,6, Подарок Дону – на 16,3, Донской маяк – на 15,8%. Обработка семян БПМ Агат-25 повлияла на активность амилазы несущественно у всех исследуемых сортов.

Максимум активности, по сравнению с контролем, наблюдался в варианте обработки ЭАР с 1% Cl на третьи сутки прорастания семян и составил по вариантам опыта: у сортов Зерноградка 8 – 8,6%, Подарок Дону – 64%, Донской маяк – 63,3%. В течение четвертых суток активность амилазы начала снижаться, но оставалась еще достаточно высокой, и составила соответственно – 55,3, 58,8 и 58,1% по сортам (рис. 1).

В варианте опыта с применением ЭАР с концентрацией активного С1 0,5% пик активности амилазы был на четвертые сутки прорастания семян и по сортам составил соответственно 42, 44,2 и 43,9% по сравнению с контролем.

Обработка семян перед проращиванием БПМ Агат-25 активировала амилазу, но в меньшей степени, чем ЭАР и к четвертым суткам разница с контролем составила у сортов Зерноградка 8 – 24,2, Подарок Дону – 25,6, Донской маяк – 27,1%. Таким образом, активность амилазы в прорастающих семенах существенно возрастает во всех вариантах обработки исследуемых сортов, но при использовании в качестве стимуляторов ЭАР с содержанием активного Cl, 0,5 и 1%, активность фермента была выше, чем после применения БПМ Агат-25.

Донской маяк

Время, сутки

-♦- Контроль              -■- ЭАР Cl-0,5%

-*- ЭАР Cl-1%              Агат-25

Рис. 1. Активность амилазы в семенах мягкой озимой пшеницы Донской маяк в зависимости от предпосевной обработки

Повышение концентрации активного Cl в ЭАР до 1% увеличивает скорость активации амилазы на сутки, и как результат – возрастает скорость атакуемости крахмала, и прорастающий зародыш интенсивнее использует запасные вещества эндосперма, что в итоге повышает посевные качества семян в этом варианте опыта по сравнению с остальными вариантами.

В результате проведенных исследований влияния предпосевной обработки семян сортов мягкой озимой пшеницы Зерноградка 8, Подарок Дону, Донской маяк на активность каталазы в прорастающих семенах выявлено, что активация фермента до максимальных значений происходит на протяжении 72 часов, когда она возрастает в 7,3–7,5раза по сравнению с первыми двенадцатью часами проращивания, после чего снижается.

Предпосевная обработка ЭАР с содержанием 0,5% активного Cl в растворе существенно повысила активность фермента по прошествии 72 часов у сортов Зерноградка 8 – на 6,2; Подарок Дону – 4,8 и Донской маяк – 4,2% по сравнению с контролем, после чего на четвертые сутки происходит снижение активности, как в опытных вариантах, так и контрольном.

При обработке семян ЭАР с 1% содержанием активного Cl деятельность каталазы через 72 часа достигла пика активно- сти и была выше, чем в контроле у сортов Зерноградка 8 – на 6,3; Подарок Дону – на 8,7 и Донской маяк – на 8,2%. По прошествии четырех суток в прорастающих семенах активность фермента снизилась по всем вариантам опыта и в контроле (рис. 2).

Существенные изменения активности каталазы отмечены с первых 12 часов прорастания в данном варианте опыта, что свидетельствует об интенсификации процесса дыхания прорастающих семян при обработке ЭАР с содержанием 1% активного Cl, по сравнению с контролем активность каталазы существенно увеличилась у сорта Зерноградка 8 – на 25,8, Подарок Дону – на 27,9, Донской маяк – на 27,3%.

После обработки семян БПМ Агат-25 через 48 часов активность каталазы оказалась ниже, чем при обработке ЭАР у сорта Зерноградка 8 – на 4,4, Подарок Дону – на 3,2%, Донской маяк – на 4,5% по отношению к контролю. К 96 часам после начала прорастания активность фермента снизилась как в контроле, так и во всех вариантах опыта.

Подобная динамика ферментной активности обусловлена интенсификацией физиолого-биохимических процессов, протекающих в прорастающих семенах в результате обработки семян ЭАР с различной концентрацией ионов активного Cl в растворе.

Донской маяк

Время, часы

Контроль ■ ЭАР Cl-0,5% * ЭАР Cl-1%    Агат-25

Рис. 2. Активность каталазы в семенах озимой мягкой пшеницы Донской маяк в зависимости от способа предпосевной обработки семян

Повышение активности ферментов при прорастании является залогом улучшения посевных качеств семян, урожайных и технологических свойств зерна.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой активности каталазы при обработке семян ЭАР с содержанием 1% активного Cl, а следовательно, и усилении синтетических процессов в проростках пшеницы.

Результаты исследований активности ферментов на начальной стадии развития растений – прорастании позволили сделать вывод о возможности применения ЭАР с содержанием 1% активного С1 в качестве стимулирующего рост агента, так как у исследуемых сортов активность амилазы максимально возросла на 58,6–63,3% к третьим суткам прорастания семян, по сравнению с контролем, что свидетельствует об ускорении процесса гидролиза крахмала эндосперма семян.

В это же время каталаза, участвующая в системе антиоксидантной защиты семян, максимально активируется на 6,3– 8,7%, причем активация каталазы только в этом варианте опыта у всех исследуемых сортов происходит после 12 часов прорастания на 25,8–27,9% по сравнению с контролем.