Действие температурного и водного стрессоров на содержание низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сои

Введение. Воздействие неблагоприятных факторов среды вызывает значительные изменения в функциональном состоянии растений и приводит к снижению их жизнеспособности и продуктивности. Условия внешней среды иногда являются решающим фактором в биосинтезе витаминов, от содержания которых зависят пищевые и посевные качества зерна. Некоторые витамины являются составной частью антиоксидантной системы и определяют эффективность её функционирования. Наибольший интерес вызывают аскорбиновая кислота, токоферол и каротиноиды. Аскорбиновая кислота принимает участие в детоксикации H 2 O 2 в аскорбат-глутатионовом цикле [8]. Кроме того, она может непосредственно реагировать с супероксидными анион-радикалами, молекулярным синглетным кислородом и гидроксильными радикалами [9]. Аскорбиновая кислота усиливает антиоксидантные свойства b-каротина и токоферола [6]. Каротиноиды относятся к жирорастворимым антиоксидантам. b-Каротин расходуется при обезвреживании оксидированных липопротеидов низкой плотности, реагирует с синглетным кислородом [7]. α-Токоферол является эффективным тушителем синглетного кислорода, наряду с каротиноидами препятствует фотодеструкции хлорофилла [10] и подавляет в клетках свободнорадикальные реакции, в частности перекисное окисление липидов [6].

Ранее нами было изучено влияние теплового и холодового шока, а также избыточного и недостаточного увлажнения на содержание низкомолекулярных антиоксидантов и активность ферментов антиоксидан-той защиты в листьях культурной и дикорастущей сои [4,5].

Цель исследования . Изучение влияния абиотических стрессоров на содержание низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сои.

Задачи исследования :

• –    определить содержание аскорбиновой кислоты, каротина и токоферола в семенах сои под действием температурного стрессора;

• –    изучить влияние влажности почвы на содержание аскорбиновой кислоты, каротина и токоферола в семенах сои.

Материал и методы исследования. Эксперименты проводили в 2008–2010 гг. на опытном участке Дальневосточного ГАУ (Амурская обл., г. Благовещенск). Объектом исследования служили семена Glycine max: сорт Лидия и Glycine soja: форма КА 1344. Растения, семена которых служили объектом исследования, выращивались в вегетационных сосудах согласно представленным схемам.

Схема опыта № 1 включала следующие варианты: контроль (естественные условия); воздействие на растения сои (по фазам развития) высокой положительной температуры (t = +45оС в течение 2 и 12 часов);

воздействие на растения сои (по фазам развития) низкой положительной температуры (t = +5оС в течение 2 и 48 часов).

Для изучения влияния высокотемпературного стрессора растения в вегетационных сосудах помещали в термостат (+45оС), низкотемпературного – в холодильную камеру (+5оС).

Для изучения влияния водного стрессора – в вегетационных сосудах поддерживалась влажность почвы согласно схеме опыта № 2:

• 1.    Контроль – 70% полевой влагоемкости (ПВ) весь период вегетации.

• 2.    135% ПВ – весь период вегетации.

• 3.    35% ПВ – весь период вегетации.

• 4.    35% ПВ – всходы – цветение, затем перевод на 70% ПВ.

• 5.    135% ПВ – всходы – цветение, затем перевод на 70%.

• 6.    70% ПВ – всходы – цветение, затем перевод на 35%.

• 7.    70% ПВ – всходы – цветение, затем перевод на 135%.

Содержание аскорбиновой кислоты определяли методом титрования краской Тильманса [1]. Каротин экстрагировали бензином и определяли фотоколориметрическим методом [1]. Метод определения токоферола основан на образовании хининов при окислении молекул токоферола хлорным железом [2]. Содержание витаминов рассчитывали в мг %.

Все анализы проводили в двух биологических и трех аналитических повторностях. Достоверность результатов оценивали, используя t-критерий Стъюдента при уровне вероятности (р) 0,05.

Результаты исследования. Анализ содержания аскорбиновой кислоты в семенах опытных растений показал, что её уровень снижается при действии теплового шока в любой период развития сои (табл. 1). По-видимому, высокие температуры оказывают отрицательное действие на биосинтез витамина С.

Кратковременное и длительное воздействие на растения высоких температур не оказало существенного влияния на синтез каротина в семенах G. max и G. soja. Только в семенах растений, подвергнутых воздействию стрессовых температур в фазе третьего тройчатого листа, когда растения наиболее чувствительны к температурному режиму окружающей среды, наблюдалось снижение каротина в 3 раза у сорта Лидия и в 1,5 раза у формы КА 1344 (табл. 1).

Таблица 1

Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сои в условиях высокотемпературного стресса, 2008–2010 гг.

Фенологическая фаза	Сорт	Температура и время воздействия	Низкомолекулярные антиоксиданты, мг%
			Аскорбиновая кислота	Каротин	Токоферол
Третий тройчатый лист	Лидия	Контроль	13,0±5	0,09±0,0004	30,0±0,04
		45ºС, 2 ч	10,2±3	0,1±0,001	30,0±0,003
		45ºС, 12 ч	7,1±3	0,03±0,001	125,0±0,03
	КА 1344	Контроль	21,9±7	0,09±0,002	26,0±0,02
		45ºС, 2 ч	7,4±3	0,11±0,0002	22,3±0,09
		45ºС, 12 ч	4,7±1	0,06±0,002	115,0±0,03
	НСР 0,5		1,2	1,6	1,5
Цветение	Лидия	Контроль	12,8±1	0,05±0,0,001	30,0±0,04
		45ºС, 2 ч	10,9±2	0,06±0,001	95,3±0,07
		45ºС, 12 ч	9,4±3	0,06±0,001	5,7±0,04
	КА 1344	Контроль	21,6±5	0,12±0,001	26,0±0,02
		45ºС, 2 ч	6,6±2	0,16±0,001	128,3±1
		45ºС, 12 ч	5,2±1	0,15±0,0002	7,8±0,04
	НСР 0,5		1,2	1,5	1,7
Бобообразова-ние	Лидия	Контроль	13,0±1	0,03±0,001	30,0±0,04
		45ºС, 2 ч	8,6±3	0,03±0,001	164,0±0,01
		45ºС, 12 ч	6,6±1	0,05±0,0004	15,0±0,03
	КА 1344	Контроль	21,5±2	0,05±0,001	26,0 ±0,02
		45ºС, 2 ч	6,8±1	0,05±0,001	42,0 ±0,04
		45ºС, 12 ч	5,1±1	0,07±0,001	9,6±0,01
	НСР 0,5		1,4	0,02	1,7

Содержание токоферола в семенах сои при кратковременном действии высоких положительных температур в фазе третьего тройчатого листа остается на уровне контроля. Длительное воздействие привело к резкому увеличению количества токоферола в семенах как дикой, так и культурной сои ≈ в 4 раза (табл. 1).

Воздействие теплового шока на растения сои в течение двух часов в фазах цветения и бобообразо-вания способствовало накоплению токоферола в семенах, его количество увеличилось в 3–5 раз по сравнению с контролем. Действие стрессового фактора на растения в течение 12 часов, наоборот, привело к снижению токоферола в семенах сои. Полученные данные указывают на высокую отзывчивость растений в фазе цветения и бобообразования к действию стресса и высокие защитные свойства такого низкомолекулярного антиоксиданта, как витамин Е.

Реакция растений на низкие положительные температуры и тепловой шок неодинакова: под действием холода метаболизм изменяется значительно сильнее, чем при действии высоких температур [3].

Выдерживание растений при 5оС привело к увеличению аскорбиновой кислоты в семенах сои. Максимальное количество аскорбиновой кислоты отмечено у сорта Лидия при воздействии стрессора в фазе третьего тройчатого листа, а у формы КА 1344 – в фазе цветения (табл. 2).

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что после холодового стресса уровень каротина в семенах опытных растений выше, чем в контрольном варианте, в 3 и более раз. Поскольку β-каротин принимает непосредственное участие в «тушении» синглетного кислорода и ингибировании его образования, то содержание этого антиоксиданта определяет чувствительность к холоду [3]. Полученные результаты свидетельствуют о холодоустойчивости изучаемых генотипов сои.

Действие холодового шока в течение 2 и 48 часов в фазе третьего тройчатого листа способствовало увеличению содержания витамина Е в семенах сои (табл. 2).

После кратковременного действия низкотемпературного стрессора в фазе цветения отмечен максимальный уровень токоферола в семенах G. max и G. soja, который в 5–6 раз выше, чем в семенах контрольных растений, длительное воздействие низкой температуры не привело к накоплению токоферола в семенах. Количество токоферола в семенах практически не изменилось после воздействия стрессора на растения в фазе бобообразования (табл. 2).

Таблица 2

Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сои в условиях низкотемпературного стресса, 2008–2010 гг.

Фенологическая фаза	Сорт	Температура и время воздействия	Низкомолекулярные антиоксиданты, мг%
			Аскорбиновая кислота	Каротин	Токоферол
Третий тройчатый лист	Лидия	Контроль	13,0±1	0,09±0,001	30,0±0,04
		5ºС, 2 ч	17,2±4	0,14±0,001	94,0±0,04
		5ºС, 48 ч	22,7±6	0,30±0,01	121,7±0,07
	КА 1344	Контроль	22,0±2	0,10±0,001	26,0±0,02
		5ºС, 2 ч	32,4±2	0,44±0,004	64,6±0,03
		5ºС, 48 ч	39,4±4	0,80±0,03	112,0±0,03
	НСР 0,5		0,2	0,01	1,6
Цветение	Лидия	Контроль	12,8±3	0,05±0,002	30,0±0,04
		5ºС, 2 ч	14,9±4	0,16±0,002	169,7±0,02
		5ºС, 48 ч	18,5±6	0,61±0,01	23,0±0,02
	КА 1344	Контроль	21,6±1	0,12±0,001	26,0±0,02
		5ºС, 2 ч	35,7±5	0,15±0,001	129,3±0,04
		5ºС, 48 ч	75,6±4	1,6±0,01	29,5±0,02
	НСР 0,5		0,2	0,03	1,7
Бобообразова-ние	Лидия	Контроль	13,0±1	0,03±0,001	30,0±0,04
		5ºС, 2 ч	17,0±4	0,08±0,002	35,7±0,02
		5ºС, 48 ч	20,7±5	0,21±0,001	27,3±0,02
	КА 1344	Контроль	21,5±1	0,05 ±0,001	26,0±0,02
		5ºС, 2 ч	33,2±2	0,26 ±0,01	40,3±0,04
		5ºС, 48 ч	44,1±5	0,82±0,1	31,7±0,04
	НСР 0,5		0,3	0,01	1,8

Рост растений в условиях постоянного стресса, связанного с различным уровнем влажности в почве в течение всего периода вегетации, вероятно, способствовал усилению синтеза аскорбиновой кислоты к концу вегетации и высокому содержанию его в семенах (табл. 3). Полученные данные свидетельствуют о важной роли аскорбиновой кислоты в ответной реакции растений сои на водный стресс.

В отличие от аскорбиновой кислоты, содержание которой в семенах после водного стресса возросло, уровень каротина во всех вариантах опыта ниже, чем в контроле (табл. 3).

Количество токоферола в семенах культурной и дикорастущей сои увеличивается при переувлажнении почвы в течение всего вегетационного периода на 12 и 47 % соответственно. Перевод растений после цветения с оптимальной влажности на недостаток или избыток влаги также приводит к существенному накоплению витамина Е в семенах. В вариантах опыта 4 и 5, где после цветения растения находились в условиях с оптимальной влажностью, содержание токоферола осталось в пределах контрольного варианта (табл. 3).

Содержание низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сои в условиях водного стресса, 2008–2010 гг.

Таблица 3

Вариант опыта	Сорт	Низкомолекулярные антиоксиданты, мг%
		Аскорбиновая кислота	Каротин	Токоферол
Контроль – 70% ПВ	Лидия	42,0±2	0,11±0,001	20±0,01
	КА 1344	100,0±9	0,21±0,001	113±,02
135% ПВ – весь период вегетации	Лидия	69,7±2	0,05±0,003	24±0,01
	КА 1344	51,7±2	0,07±0,002	147±0,1
35% ПВ – весь период вегетации	Лидия	81,7±4	0,09±0,001	21±0,01
	КА 1344	188,3±7	0,05±0,001	120±0,02
35%ПВ – всходы – цветение, затем 70% ПВ	Лидия	89,0±5	0,08±0,002	19,7±0,01
	КА 1344	112,6±6	0,14±0,002	113±0,06
135%ПВ – всходы – цветение, затем 70% ПВ	Лидия	53,1±3	0,05±0,001	22,3±0,01
	КА 1344	89,7±3	0,06±0,001	115±0,06
70% ПВ – всходы – цветение, затем 35% ПВ	Лидия	91,4±5	0,04±0,002	30±0,01
	КА 1344	107,6±7	0,05±0,002	143±0,003
70% ПВ – всходы – цветение, затем 135% ПВ	Лидия	57,9±3	0,03±0,001	25±0,01
	КА 1344	85,6±3	0,06±0,001	148±0,005
НСР 0,5		1,0	1,1	1,5

Выводы. Таким образом, при воздействии высоких температур (в течение 2 и 12 часов) на растения сои наблюдается снижение низкомолекулярных антиоксидантов, за исключением токоферола, который обеспечивает компенсацию истощения других компонентов антиоксидантной защиты. Тепловой шок приводит к снижению, а низкая положительная температура к увеличению содержания аскорбиновой кислоты в семенах сои. Существенное накопление каротина в семенах при холодовом шоке, по-видимому, способствует формированию у растительного организма устойчивости к низким температурам.

Изменения в содержании низкомолекулярных антиоксидантов в семенах сорта Лидия и формы КА 1344 под воздействием водного стрессора носят одинаковый характер, однако семена дикорастущей сои больше накапливают аскорбиновой кислоты и токоферола.