Эколого-физиологические особенности фитомассы амаранта при интродукции в Республике Татарстан

Проблема недостатка протеина в кормах была и остается одной из главных в животноводстве. В то же время интродукция новых видов растений увеличивает биологическое разнообразие агрофитоценозов и способствует повышению обеспеченности кормовой базы АПК полноценным белком. Большинство амарантов обладают способностью повышать продуктивность сложных агрофитоценозов. Эта культура развивают биомассу, по количеству и качеству значительно превосходящую таковую у многих традиционных культур. Культурные представители амаранта в местах естественного произрастания и традиционного возделывания накапливают много белка с высоким уровнем незаменимых аминокислот, прежде всего лизина и метионина, который превосходит по качеству белок сои и других бобовых. Поскольку, ответная реакция растительного организма к различным факторам внешней среды в значительной мере реализуется через изменения в белковом комплексе, исследования адаптации амарантовых в новых почвенно-климатических условиях с сохранением хозяйственно значимых признаков являются актуальными [3, 4].

Цель настоящей работы – изучение степени воздействия основных экологических факторов на биологическую ценность растворимых белков фитомассы хозяйственно важных видов амаранта, интродуцируемых в Среднем Поволжье (Республика Татарстан).

Материал и методы исследова- ний. В процессе исследований изучали два вида растений рода Amarantus L.: A. cru-entus L. и A. Mantеgazzianus Passerini. Растения выращивали на дерновоподзолистой среднесуглинистой почве (делянки площадью 10,5 м2). Фенологические наблюдения проводили, используя методику Бейдеман [1]. Получение белково-аминокислотного концентрата (БАК) осуществляли двумя способами: термокоагуляцией и химической коагуляцией. Выделение белковых фракций – из растений и БАК. Для выделения белковых фракций использовали модифицированный метод Осборна. Определение белкового азота проводили по Кьельдалю. Содержание белка во фракциях определяли по методу Лоури [4]. Для экспресс-анализа проб использовали метод Брэдфорда. Аминокислотный анализ белков проводили на аминокислотном анализаторе ААА-339. Содержание триптофана определяли спектрофотометрически. Биологическую ценность белков оценивали, вычисляя аминокислотный скор. Электрофорез белков фитомассы амаранта проводили по Лемли (Остерман, 1981), гели документировались путем сканирования на планшетном сканере «Mustec». Обеспеченность влагой вегетационных периодов определяли по показателю гидротермического коэффициента (ГТК) [2].

Опыты проводили в 5-ти повторностях. Анализ полученных данных осуществляли с использованием программы Origin 4.1 (Германия), принимая критерий Р<0,05 достаточным для достоверной раз- ницы.

Результаты исследований. Вегетационный период у амаранта в естественных местах произрастания составляет 4-5 месяцев. В результате исследований выявлено, что в природно-климатических условиях Республики Татарстан продолжительность вегетационного периода у изучаемых видов амаранта различна. Так, у A. Mantegazzianus Passerini он более продолжителен. Установлено, что независимо от степени воздействия экологических факторов в сообществе интродуцируемого вида A. Mantegazzianus Passerini не более 25 % растений проходят основные фазы онтогенеза. Основная часть (70-75 %) особей этого вида проходит вегетационный период, находясь в вегетативной фазе. В силу различий биологии развития исследуемые виды при выращивании в равных погодных условиях испытывают неодинаковое воздействие абиогенных факторов.

Важной характеристикой растительных белков является соотношение составляющих фракций, во многом определяющее их свойства. Анализ фракционного состава белковых комплексов различных органов амаранта показал, что качественный состав белков листьев и бутонов представлен большим количеством легкорастворимых фракций, сумма которых составляет 80 %. В корнях этот показатель несколько ниже – 63 %, а в стеблях – 58 %.

Изучение динамики белковых фракций амаранта в онтогенезе в разные по погодным условиям годы возделывания имеет общие закономерности. У исследуемых видов основная часть растворимых белков на все фазы развития представлена фракцией водорастворимых белков. Доля белков солерастворимой фракции максимальна в вегетативной фазе и значительно уменьшается в период цветение – плодоношение. Доля белков спирторастворимой фракции к концу вегетационного периода увеличивается почти вдвое. Доля белков щелочерастворимой фракции в онтогенезе меняется незначительно.

При сравнении динамики содержания белковых фракций выявлено, что снижение температуры окружающей среды и количества солнечного сияния, в совокуп- ности с повышенной влажностью способствуют снижению у A. cruentus доли легкорастворимых белков на всех фазах развития за счет увеличения доли спирто- и щелочерастворимых белков. Аналогичные изменения фракционного состава белков A. Mantegazzianus Passerini незначительны. Причины такого различия в результатах, по-видимому, в том, что эти виды имеют разные места происхождения, относятся к разным группам по характеру фотосинтеза [7].

Сопоставление полипептидных спектров растворимых белков не выявило значительных различий в наборе суммарных белков и белков водорастворимой фракции. Однако сравнение профилей оптической плотности треков отдельных проб позволило обнаружить, что у A. Man-tegazzianus Passerini синтезируется видоспецифичный полипептид с молекулярной массой около 95 kDa.

Биологическая ценность белка зависит от соотношения в белковом комплексе незаменимых и заменимых аминокислот. У анализируемых образцов наблюдается следующая картина: относительное содержание всех незаменимых аминокислот (НАК) выше у A. Mantegazzianus Passerini по сравнению с A. cruentus. Наибольшие различия отмечали в отношении метионина, аргинина и лизина. Содержание других аминокислот практически не отличается у обоих видов, либо незначительно выше у A. cruentus. Сравнение относительного содержания аминокислот позволяет сделать вывод о хорошей сбалансированности всех белковых фракций амаранта.

Примечательно, что при снижении температуры окружающей среды более заметное перераспределение происходит в общем комплексе заменимых аминокислот. Так, доля аспарагиновой кислоты, серина, глутаминовой кислоты, пролина, аланина повышается на 20, 10, 19, 20 и 14 % соответственно. Повышение температуры возделывания вызывает значительное накопление пролина (на 73 %), глутаминовой кислоты (на 40 %) и аргинина (на 30 %). Большое количество пролина рассматривается как энергетический резерв клеток в условиях стресса [8].

Учитывая, что вегетация амаранта протекает в разные годы в различных условиях, связанных с особенностями климата, представляло интерес изучить влияние погодных условий на выход белков фракции 1 и 2 [6]. Показано, что значение температуры массовой коагуляции белков фракций 1 и 2 амаранта сдвигается. Так, у растений, выращенных в погодных условиях, близких к средним климатическим, основная масса белков коагулирует в интервале 50-55 °С. При возделывании в сухую и жаркую погоду (с ГТК 0,5) экстракт необходимо нагревать до 62-65 °С.

Сопоставление полипептидных спектров растений, выращенных в разных температурных режимах, показало, что на повышение температуры окружающей среды исследуемые виды реагируют синтезом низкомолекулярных белков. У A. cruentus отмечено появление новых полос в диапазоне 12-30 kDa, у A. Mantegazzianus Passerini этот спектр шире – от 12 до 50 kDa.

На основании результатов собственных исследований можно заключить, что конформационные изменения белковых молекул, перераспределения, происходящие в комплексе растворимых белков и в фонде аминокислот, позволяют амаранту менять уровень теплоустойчивости своих белков, поддерживая соответствие между ним и температурой существования вида.

Заключение. При возделывании амаранта в природно-климатических условиях севера Среднего Поволжья выявлено, что в белках фитомассы A. cruentus и A. Мantegazzianus Passerini преимущественно происходит накопление легкорастворимых фракций (от 60 до 80 %) с высоким содержанием незаменимых аминокислот. Видо-специфичность реакции белоксинтезиру-ющей системы листьев амаранта на воздействие экологических факторов у A. cru-entus проявляется в заметном снижении доли легкорастворимых фракций белков в онтогенезе и повышении доли легкорастворимых белков при ГТК 0,5. Экологофизиологические изменения фракционного состава белков у A. Mantegazzianus Pas-serini менее значительны. Перераспределения, происходящие в комплексе растворимых белков и фонде аминокислот в разные по метеорологическим условиям годы, не оказывают существенного влияния на биологическую ценность белков амаранта, но являются частью его адаптивных механизмов экологической устойчивости.