Онтогенетические изменения содержания крахмала и активности амилолитических ферментов в листьях гороха в аспекте продуктивности растений

Введение. Ведущими физиологическими процессами, определяющими формирование продуктивности сельскохозяйственных растений, являются фотосинтез, поглотительная деятельность корневой системы и распределение веществ ме^ду отдельными органами. B характере донорно-акцепторных отношений проявляются основные элементы интеграции физиологических процессов в растительных организмах [1, 2]. При переходе к репродуктивной фазе развития основной зоной, аттрагирующей ассимиляты, становятся развивающиеся плоды, которые определяют характер распределения веществ ме^ду органами после цветения. На их рост максимально используются образуемые в этот период «све^ие» продукты деятельности фотосинтетического аппарата и корневой системы, а так^е запасные вещества, накопленные в вегетативных органах до цветения и используемые для формирования плодов посредством реутилизации [3-5].

Селекция высокоуро^айных скороспелых сортов зерновых и зернобобовых культур с ограниченным вегетативным ростом привела к смещению отношения «зерно : солома» в пользу зерна и повышению уборочного индекса – доли зерна в общей массе растений и, таким образом, к максимальному использованию накопленных растением веществ на формирование репродуктивных органов [6, 7]. Одной из составляющих, формирующих величину уборочного индекса, является реутилизация веществ из вегетативных органов. Согласно ранее полученным данным, растения гороха к началу формирования бобов накапливают в среднем 60% сухих веществ и 70-80% азота и фосфора от их общего накопления за весь вегетационный период, а за время налива – лишь 40 и 20-30%, соответственно. B годы с недостаточным увла^нением накопление элементов питания в растениях к началу налива семян вовсе прекращалось [8]. B таких условиях ва^нейшим источником веществ для формирования уро^ая являются ассимиляты, накопленные в вегетативных органах до цветения и мобилизуемые в дальнейшем на формирование массы семян. B вегетативной части растений максимальная масса сухих веществ, азота и фосфора накапливалась к фазе цветения-образования бобов. B дальнейшем наблюдалось ее уменьшение, связанное с использованием веществ для обеспечения возрастающей потребности развивающихся плодов в ассимилятах.

Особенно явно реутилизация веществ была выра^ена в засушливые годы. B условиях недостатка влаги ассимиляционная способность фотосинтетического аппарата и корневой системы сни^ается, и растения на формирование уро^ая семян более интенсивно используют внутренние запасы накопленных до цветения веществ. При дефиците влаги и раннем прекращении процессов корневого питания до 100% азота и 85% фосфора в семенах гороха мо^ет аккумулироваться посредством реутилизации их из вегетативных органов. B условиях прохладного и вла^ного лета – до 50% [8]. То есть, реутилизация, являясь ва^ной составляющей продукционного процесса, так^е относится к механизмам саморегуляции в системе целого растения, смягчает влияние стрессовых факторов на развитие и плодоношение растений.

B отношении реутилизации соединений азота и фосфора в растениях разных видов накоплено немало данных. B то ^е время слабо разработан вопрос использования в этом процессе сло^ных углеводов вегетативных органов, в частности, ассимиляционного крахмала. Eго содер^ание закономерно изменяется как в течение суток, так и в ходе онтогенеза растений [9-11], и, очевидно, сопрово^дается изменениями активности фотосинтетического аппарата листьев.

Целью иссле^ований было изучение динамики содер^ания ассимиляционного крахмала и активности амилолитических ферментов в листьях гороха в онтогенезе растений и значение этих процессов для формирования продуктивности сортов гороха.

Услови^, материалы и мето^ы. B статье представлены обобщенные данные многолетних экспериментов по изучению онтогенетической динамики содер^ания ассимиляционного крахмала и активности амилолитических ферментов в листьях у различных сортов гороха (22 сорта) листочкового и усатого типов, проведенных в условиях полевых и вегетационных опытов.

Содер^ание крахмала определяли объемным бихроматным методом, активность амилолитических ферментов – путем колориметрического определения негидролизованного крахмала в инкубационной среде после действия препарата ферментов, выделенных из листьев. До цветения исследовали закончившие рост листья четвертого сверху узла, а впоследствии – первого продуктивного узла .

Результаты и обсу^^ение. Содер^ание крахмала в листьях гороха в разных условиях достигало 16-18% к сухой массе и существенно варьировало в зависимости от сорта, увла^нения почвы, погоды. B онтогенезе растений его содер^ание достигало максимума, как правило, в период образования плодов – начала налива семян, а затем резко сни^алось. У двадцати двух изученных сортов варьирование этого показателя было наиболее значительным во время формирования плодов (27,4%), когда отмечались и самые высокие концентрации крахмала в сухой массе листьев (табл.).

Таблица – Bарьирование содер^ания крахмала в листьях гороха в онтогенезе растений, % к сухой массе (среднее за 2 года)

Показатели	Фазы развития растений
	бутонизация	цветение	плодо-образование	налив семян	завершение налива семян
Пределы варьирования, % сухой массы	3,9-8,0	5,2-9,4	5,3-11,8	5,2-10,4	2,9-6,0
Среднее, % сухой массы	5,6	5,3	7,6	7,4	4,3
V, %	17,3	21,9	27,4	23,7	22,6

Крахмал является продуктом усвоения СО 2 и может служить косвенным показателем интенсивности фотосинтеза. ^ссимиляционный крахмал представляет довольно лабильную форму углеводов, используется в процессах метаболизма, или временно откладывается в хлоропластах. Суточная динамика содер^ания крахмала в листьях определяется тем, что, накапливаясь в дневное время в результате активного фотосинтеза, он в ночное время используется как источник энергии для процессов жизнедеятельности [9]. B форме крахмальных зерен временно запасаются избыточные количества углеводов. Последнее объясняет онтогенетическую динамику изменения содер^ания крахмала в листьях, которая отра^ает связь ме^ду продуктивностью фотосинтеза и неодинаковыми потребностями развивающихся органов в продуктах фотосинтеза на разных этапах развития растений.

Ме^сортовое варьирование содер^ания в листьях крахмала коррелировало с различиями по семенной продуктивности: высокопродуктивные генотипы накапливали его больше, чем низкопродуктивные. К началу налива семян у растений гороха замедляется рост вегетативной массы, а семена еще находятся в стадии формирования. Запрос на продукты фотосинтеза в это время пони^ен. Избыточные ассимиляты временно депонируются в вегетативных органах в виде запасных форм углеводов. B этот же период отмечалась наиболее тесная достоверная корреляция ме^ду содер^анием крахмала в листьях и продуктивностью семян (r= 0,47-0,71). Учитывая имеющиеся данные о том, что в этот период высокопродуктивные генотипы имеют и повышенные значения скорости первичных реакций фотосинтеза [12], можно заключить, что одной из причин большего накопления крахмала в листьях продуктивных сортов является высокая активность у них фотосинтетического аппарата. А период интенсивного сни^ения содер^ания крахмала по времени совпадал с пожелтением листьев и, следовательно, торможением и последующим прекращением в них фотосинтеза.

Другая причина различий ме^ду сортами заключается в особенностях ростовых функций органов. Обычно генотипы с неограниченным ростом и растянутым во времени образованием плодов и наливом семян в меньших количествах депонируют ассимиляты в листьях в виде сло^ных углеводов, а используют их на обеспечение роста. Сорта ^е, у которых с появлением первых плодов в ни^них ярусах генеративной части резко сни^ается деятельность конуса нарастания, а потребности семян в продуктах фотосинтеза еще невелики, фотоассимиляты в более значительных количествах превращаются в крахмал.

На динамику накопления крахмала в листьях влияли условия влагообеспеченности растений. При моделировании различной вла^ности почвы в вегетационном опыте в период от фазы бутонизации до завершения налива семян было установлено, что крахмал в меньших количествах накапливается в условиях переувлажнения, чем в оптимальных условиях или при слабой засушливости почвы (рис. 1). По-видимому, причина этого влияния -в усилении ростовой функции растений в условиях переувлажнения. B результате фотоассимиляты активно используются в процессах роста, а не откладываются в форме высокомолекулярных полисахаридов.

B ходе онтогенеза изменяется физиологическое состояние растений. На этапе созревания семян в листьях замедляются синтетические процессы и усиливаются гидролитические, сопрово^дающие старение растений. Bысокомолекулярные соединения, в том числе полисахариды, распадаются с образованием растворимых соединений, которые затем используются для синтеза нового структурного материала клеток, слу^ат источником энергии для различных метаболических процессов, транспортируются в запасающие органы растения. Крахмал в неизменном виде не мо^ет перемещаться по проводящей системе растений, так как нерастворим в воде. Он дол^ен быть разло^ен до транспортных форм сахаров. Деградация крахмала в клетках растений происходит с помощью ферментов путем гидролиза (амилазы) и фосфоролиза (фосфорилаза) до сахаров с разной молекулярной массой. При этом а-амилаза катализирует гидролитическое расщепление крахмала до низкомолекулярных полисахаридов (декстринов), в-амилаза — до дисахарида в-мальтозы.

Рисунок 1 - Влияние условий увлажнения почвы на содержание крахмала в листьях гороха (вегетационный опыт)

Амилолитическая система контролирует соотношение между ассимиляционным крахмалом и растворимыми сахарами и, тем самым - экспорт углеводов из листа в потребляющие органы. Наличие подобной системы регуляции отмечали многие исследователи [13-15]. Установлено, что биотические и абиотические стрессоры и воздействия, вызывающие старение листьев, индуцируют секрецию а-амилазы в клетках растений [16].

У гороха снижение содержания крахмала в листьях в ходе налива семян было связано с существенным увеличением в них амилолитической активности (рис. 2). От фазы плоского боба до начала налива семян увеличение содержания крахмала совпадало с падением активности амилаз, а убыль его в завершающий период налива и созревания семян сопровождалась 2-4-кратным повышением активности а - амилазы и суммарной амилолитической активности.

Семенная продуктивность растений не находилась в строгой связи с амилолитической активностью в листьях, но сравнение средних данных по группам высоко- и среднепродуктивных сортов показало, что у первых уровень активности а - амилазы выше до фазы налива семян - на 8-34%. Максимальные различия наблюдались в период цветения. B этой фазе развития отмечена статистически достоверная корреляция (r=0,49) ме^ду продуктивностью семян и активностью α - амилазы в листьях. Таким образом, амилолитические ферменты препятствуют избыточному накоплению крахмала в хлоропластах и способствуют сохранению у них высокой фотосинтетической активности. Напротив, переполнение хлоропластов крахмалом, вызывает вначале обратимые, а впоследствии необратимые изменения их структуры, которые ослабляют фотосинтез [15]. В дальнейшем, в процессе старения, пожелтения листьев и деградации хлоропластов на последнем этапе созревания различия между сортами по амилолитической активности утрачивались.

^^ α-амилаза       суммарная активность крахмал

Рисунок 2 – Динамика содер^ания крахмала и активности амилолитических ферментов в листьях гороха

Размеры отло^ения крахмала в листьях зависели от формы листа. B усиках у безлисточковых сортов гороха накопление крахмала и его отток выра^ен очень слабо. Eго количество в онтогенезе растений было в 1,4-2,9 раза ни^е, чем в листочках. Максимальные различия имели место в фазы цветения и образования плодов, когда листочки накапливали до 14-15% крахмала от сухой массы, а усики – всего 4-6%. По-видимому, это связано с анатомическим строением усиков, большей прибли^енностью их к осевым органам. Эти особенности накопления полисахарида были связаны с активностью амилолитической системы в листочках и усиках (рис. 3).

бутонизация цветение плодообразование начало налива завершение семян        налива семян

^^^^^елисточки, суммарная активность г листочки, α-амилаза

^^^^^еусики, суммарная активность усики, α-амилаза

Рисунок 3 – ^ктивность амилолитических ферментов в листочках и усиках гороха (мг гидролизованного крахмала/ г сухой массы/ ч)

Суммарная амилолитическая активность в усиках была выше, чем в листочках в течение всего периода от цветения до завершения налива семян, а активность α-амилазы увеличивалась в 2 раза от фазы формирования бобов до начала налива семян, что очевидно препятствовало накоплению крахмала в усиках. Мо^но сделать вывод, что фотоассимиляты в усиках почти не накапливаются в виде ассимиляционного крахмала, а сразу перемещаются к потребляющим их органам и тканям.

Выво^ы. Таким образом, содер^ание ассимиляционного крахмала в листьях гороха зависит от сорта, фазы развития растений, условий увла^нения почвы и достигает в ряде случаев 16-18% к сухой массе. Установлена поло^ительная корреляция ме^ду концентрацией крахмала в листьях, как продукта фотосинтеза, в начале налива семян и конечной продуктивностью семян (r = 0,47-0,71). Отмечена онтогенетическая динамика ассимиляционного крахмала, который достигал максимальных значений в период образования плодов – налива семян и распадался в завершающий период налива. B больших количествах крахмал накапливался в условиях слабой засушливости почвы. Изменение содер^ания крахмала и активности амилолитических ферментов в онтогенезе растений взаимосвязаны. B ходе налива семян сни^ение содер^ания крахмала в листьях сопрово^далось с 2-4-кратным повышением активности α-амилазы и суммарной амилолитической активности. B период цветения отмечена поло^ительная достоверная корреляция (r=0,49) ме^ду активностью α-амилазы и семенной продуктивностью сортов гороха; предполагается, что амилолитические ферменты препятствуют избыточному накоплению крахмала в хлоропластах и способствуют сохранению у них высокой фотосинтетической активности. B усиках у безлисточковых сортов гороха накопление крахмала и его отток были выра^ены слабо, что связывается с особенностями анатомического строения этих органов. Период интенсивного сни^ения содер^ания крахмала в листьях совпадал с их по^елтением и старением. Полученные данные позволяют считать, что крахмал слу^ит одним из последних резервов углеводов, который используется в метаболизме растений после того как прекращается фотоассимиляция СО 2 .