Механизмы антиоксидантной защиты при адаптации генотипов гороха (Pisum sativum L.) к неблагоприятным абиотическим факторам среды

функций , поэтому генетическая модификация типа листа вызывает изменения в его функциональных характеристиках .

Устойчивость растений к дефициту влаги и перегреву обеспечивается комплексом анатомических и физиолого - биохимических механизмов . К неспецифическим механизмам устойчивости растений отно сится антиоксидантная система защиты . Ее роль заключается в нейтрализации активных форм кислорода , которые , накапливаясь в избыточных количествах во время стрессового воздействия , приводят к окислительным повреждениям жизненно важных структур клетки и функциональным нарушениям . Свободные радикалы : супероксид (O 2 · ^- ) и радикал гидроксила (HO·), а также перекиси повреждают и изменяют нуклеиновые кислоты , белки - ферменты , липиды мембран и т . д . [4].

Система защиты клетки от окислительных повреждений включает ферментативный и не ферментативный компоненты . К неферментативным антиоксидантам относятся аскорбиновая кислота , пролин , глутатион , каротиноиды , рибофлавин и другие низкомолекулярные органические соединения , связывающие агрессивные формы кислорода . Наиболее значимые ферменты этой системы – пероксидаза , каталаза , супероксиддисмутаза . Согласно данным , имеющимся в литературе , устойчивые генотипы растений характеризуются более высокой эффективностью антиокислительных систем [2, 10], причем между отдельными её компонентами существует реципрокный характер отношений [2].

Растения в течение вегетации постоянно испытывают влияние экологических стрессоров разной напряженности и вынуждены к ним приспосабливаться . Поэтому потенциал устойчивости и конечная хозяйственная продуктивность сельскохозяйственных растений , очевидно , зависят от способности их к нейтрализации активных форм кислорода . Это положение и послужило основанием для проведения настоящих исследований .

Материал и методы исследований

Исследования проводили в 2008-2010 годах в условиях полевых опытов на опытном поле ВНИИ зернобобовых и крупяных культур . Объектом исследований служили сорта гороха ( Pisum sativum ) листочкового и усатого ( безлисточкового ) морфотипов . Изучали листочковые белоцветковые сорта Орловчанин , Труженик , Темп ; безлисточковые белоцветковые сорта – Норд , Стабил , Фараон ; безлисточковые пелюшки – Алла , Наташа , УсП -393.

Растения выращивали на делянках площадью 5 м² в четырехкратной повторности по принятой для гороха технологии [3]. Почва участка темно - серая лесная среднесуглинистая .

Годы исследований различались по погодным условиям . В 2008- м году температурный режим в мае и июне был близким к среднемноголетним показателям , в июле – на 1,5 ^оС выше . Недостаточным количеством осадков отличались май и июнь – 61 и 75% нормы , избыточным количеством – июль (162% нормы ). По этой причине растения гороха на этапе вегетативного роста и в начале налива семян испытывали недостаток влаги . Погодные условия 2009 года были благоприятными для гороха . Растения хорошо развивались в условиях достаточного количества осадков и обилия тепла . 2010 год отличался крайней засушливостью в июне и июле ( количество осадков составило 43,7 и 24,4% к среднемноголетним значениям ) и ненормально высокими температурами воздуха в мае , июне и июле ( на 3,4; 4,2 и 7,4 ^оС выше климатической нормы ). Такая погодная ситуация позволяла выявить различия между генотипами гороха по их реакции на факторы внешней среды .

В листочках и усиках растений гороха разных морфотипов определяли активность пероксидазы и каталазы , содержание аскорбиновой кислоты и каротиноидов . Активность каталазы определяли по А . Н . Баху и А . И . Опарину [7], пероксидазы – по Бояркину [6], содержание аскорбиновой кислоты – йодометрическим методом [6], каротиноидов – спектрофотометрическим методом [9] с использованием формул , предложенных Лихтенталером [11].

Для проведения анализов отбирали листья у первого продуктивного узла , а в период вегетативного роста – физиологически зрелый 3- й лист , считая сверху .

Уборку производили однофазным способом комбайном САМПО -130. Урожай учитывали со всей делянки . После сушки взвешивали и пересчитывали на стандартную для гороха влажность 15.5%. Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики с использованием компьютерной программы MS Excel 2003.

Результаты и обсуждение

Результаты исследований показали , что активность пероксидазы и каталазы в листьях зависели от погодной ситуации в годы исследований , генотипа растении и фазы онтогенеза . Наиболее высокой активностью отличались эти ферменты в

2010    году,    который отличался крайней засушливостью.

□ 2009 г.- благоприятный □ 2010 г. - остро засушливый

Рисунок 1 – Активность пероксидазы ( вверху ) и каталазы ( внизу ) в разные по погодным условиям годы ( в среднем по группам сортов )

По сравнению с 2009 годом , благоприятным для роста и развития гороха , в 2010 году активность пероксидазы была в среднем по сортам в 1,6 раза , а каталазы – в 2,7 раза выше .

Экстремально высокие температуры воздуха на фоне почвенной засухи в 2010 году, очевидно, вызывали накопление избыточных количеств пероксидов в клетках растений, что, в свою очередь, индуцировало повышение активности пероксидазы и особенно каталазы. Известно, что способность клеток реагировать на неблагоприятную ситуацию увеличением        активности        ферментов антиоксидантного действия, определяет устойчивость растений к стрессору.

Способность к активации каталазы была выше у обычных листочковых генотипов гороха . В среднем по данной группе в 2010 году активность фермента в 3,1 раза выше , чем в 2009 году . Вместе с тем , генотипы в пределах каждой морфологической группы различались по способности к индукции антиокислительной активности . Наибольшее повышение активности каталазы в 2010 году к уровню 2009 года было отмечено у сортов Орловчанин , Фараон и Наташа ( в 6,0–6,7 раза ), сорта Орловчанин и Фараон отличались также наибольшим повышением в 2010 году активности пероксидазы ( в 2,3–2,6 раза ).

В среднем за три года исследований , активность пероксидазы в листьях в группе листочковых сортов была в 1,1-1,8 раза , а активность каталазы в 1,1-2,6 раза выше , чем у безлисточковых . Из числа последних высокими значениями активности каталазы и пероксидазы выделялись Стабил и Ус . П -393, а также сорт Наташа – по активности пероксидазы ( табл . 1).

Таблица 1 – Активность каталазы и пероксидазы в листьях у морфотипов гороха , усл . ед . на 1 г сырых листьев ( в среднем за 3 года ). Фаза цветения

Сорт	Пероксидаза		Каталаза
Листочковые ( горох посевной )
Орловчнин		2,62	1374
Труженик		2,85	1248
Темп		2,48	1799
В среднем		2,65	1474
Безлисточковые ( горох посевной )
Норд		1,68	891
Стабил		2,17	1097
Фараон		1,62	890
В среднем		1,82	959
Безлисточковые ( горох полевой )
Алла		1,84	700
Наташа		2,25	775
Ус . П –393		2,10	1087
В среднем		2,06	854

О

Рисунок 2 - Содержание аскорбиновой кислоты в листьях у различных сортов гороха (в среднем за 3 года)

• □    Листочковые ( горох посевной )

• □    Безлисточковые

( горох посевной )

• □    Безлисточковые ( горох полевой )

В 2008 и 2009 годах наблюдалась положительная корреляция между активностью каталазы и конечной урожайностью сортов гороха (+0,328 и +0,506, соответственно ).

К низкомолекулярным веществам - антиоксидантам относится аскорбиновая кислота , которая способна реагировать с супероксидным , гидроксильным радикалами , снижая их концентрацию в клетках и предопределяя редуцирующую способность тканей .

Наибольшая концентрация аскорбиновой кислоты наблюдалось , как правило , в период цветения – начала формирования бобов , при этом в более значительных количествах она накапливалась в листочках : в среднем за три года 31-44 мг %, против – 21-26 мг % в усиках ( рис . 2).

В среднем содержание аскорбиновой кислоты в тканях усиков было в 1,7 раза ниже , чем в листочках . Максимальным значением этого показателя отличался сорт Темп . Это наблюдалось как в фазе 6- ти листьев , так и в фазе цветения .

В разные годы содержание витамина С в листьях варьировало , и наиболее благоприятные условия для его накопления складывались в 2009 году , когда в листьях сорта Темп он составил 64,7 мг %.

Определение содержания витамина С в семенах гороха в фазе зеленой спелости показало , что безлисточковые и листочковые генотипы гороха посевного по этому признаку не имеют различий , но пелюшки отличаются значительно меньшим содержанием этого соединения ( рис . 3).

Для защиты хлорофилла от фотоокислительного разрушения большое значение имеют каротиноиды . Они участвуют в стабилизации пигментной системы растений и сохранении высокой функциональной активности хлорофилла , особенно в условиях высокой инсоляции .

у   рр       в фазе зеленой спелости (в среднем по группам сортов)

В результате изучения пигментного состава обычных и видоизмененных листьев , были установлены существенные различия между ними ( табл . 2).

Таблица 2 – Содержание фотосинтетических пигментов в листочках и усиках гороха . Фаза формирования бобов ( мг / г сухой массы ). В среднем за 2009-2010 г . г .

Сорт	хл . а + хл . в	каротиноиды	хл . а + хл . в каротиноиды
Листочковые ( горох посевной )
Орловчанин	7,80	1,26	6,2
Труженик	6,23	1,12	5,6
Темп	7,41	1,16	6,4
В среднем	7,15	1,18	6,1
Безлисточковые ( горох посевной )
Норд	3,50	0,86	4,1
Стабил	3,75	0,93	4,0
Фараон	3,74	0,96	3,9
В среднем	3,66	0,92	4,0
Безлисточковые ( горох полевой )
Алла	2,94	0,80	3,7
Наташа	3,36	0,87	3,9
Ус . П .-393	4,05	1,06	3,8
В среднем	3,45	0,91	3,8

Листочки отличались от усиков более высоким содержанием фотосинтетических пигментов как хлорофиллов, так и каротиноидов. Максимальным содержанием хлорофиллов характеризовались высокоурожайные листочковые сорта Орловчанин и Темп. В благоприятном по погодным условиям 2009 году прослеживалась положительная связь между содержанием хлорофилла в листьях и продуктивностью растений (r= 0.569).

Количество каротиноидов в листочках также выше , чем в усиках : в среднем в 2 раза Обращено внимание , что у безлисточкового сорта УС . П .-393 содержание каротиноидов находилось на уровне листочковых сортов .

Вместе с тем , на единицу массы каротиноидов в листочках приходилось больше хлорофилла , чем в усиках . Это не позволяет сделать однозначный вывод о более сильной защите хлорофилла от фотоокисления в листочках по сравнению с усиками . По - видимому , содержание каротиноидов не ограничивает адаптивные возможности изученных генотипов гороха . Это подтверждается также отсутствием корреляции между содержанием каротиноидов и урожайностью гороха в условиях острой засухи 2010 года .

По данным , средним за три года исследований , наиболее урожайным был листочковый сорт Темп (3,36 т / га ). По урожайности также выделялись сорта Орловчанин (3,25 т / га ), Стабил (3,25 т / га ) и Фараон (3,10 т / га ) ( табл . 3).

Большое влияние на формирование урожайности оказывали погодные условия . В 2008 году , в условиях недостатка осадков в мае и июне , преимущество было у листочковых сортов , максимальную урожайность сформировал сорт Темп . Но в благоприятном 2009 году урожайность безлисточкового сорта Фараон была на уровне сорта Темп , а у Стабила – на 3,5 ц / га выше . При этом сорт Стабил превзошел по урожайности все изученные сорта . Из числа пелюшек более урожайным был сорт Наташа . В остро засушливом 2010 году Темп , Стабил и Фараон утратили свое преимущество , а более высокую устойчивость к засухе 2010 года раскрыли Орловчанин и Ус . П -393.

Эти результаты показывают , что в годы с благоприятными условиями погоды современные безлисточковые сорта формируют высокую урожайность и не уступают листочковым сортам .

Реакция морфотипов на засуху зависит от ее глубины и продолжительности .

Таблица 3 – Урожайность сортов гороха , т / га

Сорт	2008 г . ( засушли вый )	2009 г . ( благопри ятный )	2010 г . ( остро засушли вый )	В среднем за 3 года
Орловчанин	3,04	3,89	2,82	3,25
Труженик	2,31	3,44	2,44	2,73
Темп	3,67	4,10	2,31	3,36
Норд	2,46	3,02	2,64	2,71
Стабил	2,83	4,45	2,46	3,25
Фараон	2,59	4,19	2,52	3,10
Алла	1,77	3,04	2,53	2,45
Наташа	2,04	3,46	2,60	2,70
Ус . П -393	2,19	3,12	2,80	2,70
НСР 05	0,22	0,41	0,28

В условиях умеренной засушливости 2008 года более высокую урожайность формировали листочковые сорта гороха , но при острой продолжительной засухе ( на примере погодных условий 2010 года ) они могут утрачивать свое преимущество .

Таким образом , лист обычного типа отличается от усатого листа более эффективной системой защиты от окислительных повреждений : высокой активностью пероксидазы и каталазы , высоким содержанием аскорбиновой кислоты и каротиноидов . Это оказывает положительное действие на стабилизацию продукционного процесса в условиях стресса . Вместе с тем , вариабельность показателей антиоксидантной защиты у безлисточковых сортов гороха свидетельствует о возможности улучшения адаптивных свойств растений данного морфотипа .

Вестник

№ 2(29)

ОрелГАУ

апрель

Теоретический и научно - практический журнал . Основан в 2005 году

Сдано в набор 14.04.2011

Подписано в печать 28.04.2011 Формат 60 х 84/8. Бумага офсетная .

Гарнитура Таймс .

Объём 18 усл . печ . л .

Тираж 300 экз .

Издательство Орел ГАУ , 302028, г . Орел , бульвар Победы , 19.

Лицензия ЛР№ 021325 от 23.02.1999 г .

Ж урнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ , отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций