П-аминобензойная кислота стимулирует всхожесть семян, рост растений, фотосинтез и ассимиляцию азота у амаранта (Amaranthus L.)

Первые сообщения о стимулирующем действии п-аминобензойной кислоты (пАБК) на растения были сделаны много десятилетий назад (1). В настоящее время установлены ее репарационные (2), протекторные (3), ан-тимутагенные (4), антиоксидантные (5), фитогормональные (6) свойства. Такое многообразие эффектов объясняют следствием того, что пАБК — компонент фолатов (7), важнейшего кофактора реакций переноса одноуглеродных единиц (8). Таким образом, остаток пАБК участвует во многих ключевых процессах: в биосинтезе пуринов и пиримидинов, пантотената, в синтезе S-аденозил-1-метионина (SAM), формил-метионина-тРНК, дезоксирибонуклеотидов, в превращениях аминокислот (9). Показана важная роль пАБК как компонента фолата в регуляции активности ДНК-полимеразы, ДНКазы и РНКазы (10, 11), транскрипции (12), при активировании фотофосфорилирования, окислительного фосфорилирования, фотодыхания (8) и 688

пр. Однако появляются факты, которые не вписываются в такую схему. Это касается, например, антиоксидантных (13) и некоторых протекторных свойств (14), обнаруженных у самой пАБК. Недавно установлено непосредственно участие пАБК в регуляции активности фермента окислительного стресса — пероксидазы (15). Показана способность пАБК вызывать у растений системную приобретенную устойчивость к заболеваниям (16). Возможно, и гормоноподобные свойства пАБК не исчерпываются ее участием в регуляции синтеза пуринов фолатами (8), но могут быть обусловлены особенностями ее молекулы (17).

Накоплен огромный фактический материал относительно полезного действия пАБК на все элементы структуры урожая растений разных видов и хозяйственного назначения: злаковые (ячмень, овес, кукуруза, пшеница), бобовые (горох, люпин), овощные (огурцы, томаты), хлопчатник, виноград и пр. (1, 2, 5, 6, 18-20). При этом в основном использовали предпосевную обработку семян. Среди обилия подобной информации нами обнаружено лишь единичное сообщение о применении пАБК на амаранте (21), где ее использовали «для фенотипической коррекции морфологических признаков». В результате опрыскивания соцветий амаранта повышалась масса семян на растении. Наиболее эффективной была концентрация пАБК 0,02 % (1,5½10-3 М). Мы предположили, что пАБК также будет оказывать регуляторное действие на растения амаранта при обработке семян.

Наш интерес к овощному амаранту обусловлен тем, что эта важная пищевая культура с высоким содержанием сбалансированного по составу белка весьма перспективна для средней полосы России (22). Для облегчения его интродукции, повышения продуктивности и пищевой ценности представляется возможным использовать пАБК — биологически активное соединение с широким спектром действия, экологически чистое вследствие его природного происхождения. Результаты такого использования пАБК могли бы пополнить недостаток сведений об ее влиянии на фотосинтетические и ассимиляционные процессы.

Целью работы было изучение действия п-аминобензойной кислоты (пАБК) на семена и выращенные из них растения овощного амаранта двух видов и сортообразцов, что позволило оценить возможность применения этого соединения при культивировании амаранта в средней полосе России. Задачи заключались в определении ростовых параметров растений разных сортообразцов в течение всего онтогенеза, а также в оценке активности ассимиляции азота и фотосинтетического аппарата по параметрам световой стадии фотосинтеза у одного из сортообразцов. В проведенных экспериментах для оценки величины и характера активности пАБК ее сравнивали с действием синтетического цитокинина 6-бензиламинопурина (6-БАП).

Методика . В работе использовали семена овощных форм амаранта Amaranthus caudatus L . сортообразца К173 (К173) и A. cruentus L . сортооб-разца К185 (К185), полученные из Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (Московская обл.) и кристаллические пАБК и 6-БАП («Sigma-Aldrich Corp.», США).

Для определения влияния пАБК и 6-БАП на всхожесть семена амаранта замачивали в водных растворах препаратов (от 10^-9 до 10^-4 М) на 24 ч. Затем семена высушивали в слабом токе воздуха при комнатной температуре. В качестве контроля использовали семена, замоченные дистиллированной воде. Всхожесть определяли по проценту проросших семян от их общего числа после инкубации на влажной фильтровальной бумаге в чашках Петри в течение 72 ч при 24 ° С.

Для изучения ростовых и биохимических показателей растения вы- ращивали из семян, обработанных 1 мкМ растворами пАБК или 6-БАП (опыт) или дистиллированной водой (контроль), как описано выше. Пророщенные семена высаживали в сосуды с песком (10 откалиброванных проростков на сосуд, по 3 сосуда на каждый вариант эксперимента) и выращивали растения при температуре 24 °С, 14-часовом фотопериоде и освещенности 150 Вт•м-2; для полива использовали питательную среду Кноппа. Биометрические показатели учитывали каждые 15 сут до даты сбора урожая (115-е сут), о продуктивности судили по приросту биомассы. В листьях 45-суточных растений определяли содержание хлорофилла (23); фотохимическую активность хлоропластов, изолированных (24) из таких листьев, оценивали по скорости электронного транспорта (25) и фотофосфорилирования (26). В листьях растений с 15-х по 45-е сут измеряли активность нитратредук-тазы (НР) и количество нитрита (27), содержание элементарного азота (28) и общего белка (29). Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ, г^м-2^сут-1) за период с 45-х по 55-е сут рассчитывали по методу Ничипоровича (30).

В статье представлены результаты одного типичного эксперимента из пяти. Биометрические параметры определяли у 30 растений. Повторность биохимических анализов 3-кратная. В таблицах и на рисунках приведены средние арифметические значения со стандартной ошибкой. Достоверность различий оценивали по t -критерию Стьюдента при Р = 0,95.

Результаты . Всхожесть семян амаранта зависела от концентрации растворов пАБК и 6-БАП, используемых для обработки (рис. 1). У необработанных семян она составляла 70 %. Воздействие пАБК приводило к ее значительному повышению (на 23±5 %) при концентрации 10^-6 М и снижению на 22±6 % — при 10^-4 М. Действие 6-БАП было аналогичным. Поскольку оптимальной для всхожести семян оказалась концентрация растворов 10^-6 М (1 мкМ), ее далее использовали в экспериментах с растениями. Данные по всхожести семян у К185 и К173 почти не различались.

Рис. 1. Всхожесть семян у сортообразцов овощного амаранта Amaranthus caudatus L. К173 (а) и A. cruentus L . К185 (б) при обработке растворами п-аминобензойной кислоты и A. caudatus L . К173 при обработке 6-бензиламинопурином (в) ( Х±х , лабораторный опыт).

Мы обнаружили, что после предпосевной обработки семян 1 мкМ пАБК 15-суточные проростки К173 и К185 превосходили контроль по высоте на 10±5 % (с 6-БАП на 22±4 %), по массе на 76±6 % (с 6-БАП на 129±8 %) (рис. 2). Обычно в этот период развития у растений ама- ранта наступает остановка роста надземной части, называемая фазой скрытого роста. Из приведенных данных видно, что проростки миновали указанную фазу при воздействии обоих стимуляторов, но эффект 6-БАП был сильнее. Необходимо отметить, что при этом наблюдали значительное ускорение роста корней. Длина главного корня у контрольных растений составляла в среднем 1,2±0,1 см, после воздействия пАБК — 2,8±0,3 см, 6-БАП — 3,3±0,3 см, или соответственно 233±10 % и 275±9 % к контролю. Влияние 6-БАП на все показатели у 15-суточных проростков оказалось заметно сильнее, чем у пАБК. Результаты 690

воздействия стимуляторов на параметры проростков К185 были аналогичны таковым для К173.

Рис. 2. Динамика ростовых показателей у двух сортообразцов овощного амаранта после предпосевной обработки семян раствором п-аминобен-зойной кислоты (пАБК, 1 мкМ) и у одного сортообразца при воздействии 6-бензиламинопурина (6-БАП, 1 мкМ) 1, 2 — Amaranthus caudatus L. К173, 3, 4, 5, 6 — A. cruentus L . К185; 1, 3, 5 — накопление биомассы, 2, 4, 6 — высота растений; 1, 2, 3, 4 — пАБК, 5, 6 — 6-БАП ( X±x , лабораторный опыт).

Стимулирующее действие пАБК на рост в высоту сохранялось на протяжении жизни растений, за ис- ключением периода закладки генеративных органов (60-80-е сут) (рис. 2). Было обнаружено достоверное значительное увеличение массы целых растений на всех этапах онтогенеза в сравнении с контролем. Максимальный эффект наблюдали к сбору урожая (115-е сут), когда масса надземной части растений, выращенных из обработанных пАБК семян, превышала массу контрольных на 85±10 %. Характер воздействия пАБК и 6-БАП на высоту и массу растений в онтогенезе совпадал (см. рис. 2), но степень влияния последнего была выше. Тенденции в изменении ростовых параметров у второго сортообразца К185 при применении регуляторов роста полностью воспроизводили их динамику для К173, но при этом абсолютные значения оказались несколько выше.

Основной показатель продуктивности овощных форм амаранта — выход биомассы листьев с растения. Его значение на 115-е сут при воздействии пАБК на К173 составляло в среднем в контроле 130±10 г, в опыте — 195±14 г (на 50±11 % больше, чем в контроле). Этот параметр для К185 превышал контроль на 68±9 % (95±6 г в контроле и 160±14 г в опыте). Масса 1 м2 листьев у растений К173 при предпосевной обработке семян превышала контроль на 48±5 % (520±26 г в контроле и 770±36 г в опыте), у К185 — на 40±8 %. 6-БАП увеличивал выход биомассы листьев с растения на 62±9 %, а массу 1 м2 листьев — на 61±8 %. Эти данные свидетельствуют, что степень воздействия пАБК и 6-БАП на продуктивность листовой массы у двух сортообразцов достоверно не различалась или различалась мало.

Поскольку продуктивность растений во многом определяется активностью фотосинтетического аппарата, мы изучили фотохимическую активность изолированных хлоропластов. В хлоропластах из листьев 45-суточных растений сортообразца К173 при предпосевной обработке семян пАБК и 6-БАП отмечалось увеличение как скорости транспорта электронов, так и скорости образования АТФ в сравнении с контролем (табл. 1). При этом степень воздействия у 6-БАП на скорость образования АТФ была значительно выше, чем у пАБК при практически равном влиянии на скорость транспорта электронов. Различие в эффекте двух биоактивных агентов заключалось и в том, что при применении пАБК содержание хлорофилла в листьях не изменялось, а под воздействием 6-БАП сильно увеличивалось. Несмотря на это, значения ЧПФ листьев с 45-х по 55-е сут роста в вариантах с пАБК и 6-БАП достоверно не различались: с пАБК ЧПФ увеличилась на 22±7 % относительно контроля (с 2,3±0,15 до 2,8±0,19 г•м-2•сут-1), с 6-БАП — на 30±5 % (с 2,3±0,15 до 3,0±0,15 г•м-2•сут-1).

1. Показатели фотосинтетической активности в хлоропластах из листьев 45-суточных растений амаранта ( Amaranthus caudatus L., сортообразец К173) после предпосевной обработки семян пАБК и 6-БАП ( X±x , лабораторный опыт)

Вариант	Содержание хлорофилла	Скорость
		транспорта электронов	фотофосфорилирования
	мг/г сухой массы к контролю, %	мкМ K 3 [Fe(CN 6 )]1к контролю, %	мкМ АТФ к контролю, %

Контроль	9,9±0,2	100	110,4±8,0	100	112,0±2,3	100
пАБК	9,9±0,6	100±6	145,9±7,0	132±6	142,0±2,0	127±6
6-БАП	14,4±2,2	146±15	148,5±15,0	135±14	209,0±15,0	186±13

П р и м еч а ни е. пАБК — п-аминобензойная кислота, 6-БАП — 6-бензиламинопурин. Скорость указана в расчете на 1 мг хлорофилла за 1 ч. Концентрация растворов пАБК и 6-БАП — 1 мкМ.

Применение как пАБК, так и 6-БАП (1 мкМ) приводило к увеличению активности НР в сравнении с контролем в течение первых 45 сут вегетации, обеспечивая повышенный уровень синтеза азотсодержащих веществ в период активного роста и их расходования на пластические процессы (табл. 2). Однако характер действия двух стимуляторов различался: в варианте с пАБК активность НР стабильно превышала контроль в среднем на 34 %, с 6-БАП — увеличивалась постепенно по мере роста растений, при этом у 6-БАП эффект был значительно сильнее, чем у пАБК.

Обработка как пАБК, так и 6-БАП вызывала повышение содержания тотального белка в листьях растений амаранта К173 на протяжении вегетации с 15 по 45 сут. В процессе роста наблюдали тенденцию к снижению содержания общего белка при воздействии обоих биоактивных агентов, но в случае 6-БАП к 45-м сут этот показатель оставался заметно выше. При действии пАБК (в отличие от 6-БАП) накопления нитрита листьями не наблюдали. Не всегда активность нитратредуктазы, процентное содержание элементарного азота и количество общего белка в растениях прямо взаимосвязаны (31). Однако факт достоверного стимулирующего воздействия пАБК на ассимиляцию и превращение азота в растениях амаранта нами установлен (см. табл. 2).

2. Изменение показателей азотного обмена (к контролю, %) в листьях растений амаранта ( Amaranthus caudatus L., сортообразец К173) после предпосевной обработки семян пАБК и БАП ( X±x , лабораторный опыт)

Вариант	Возраст растений, сут	Нитрит	Активность нитратредуктазы	Общий
				азот	белок
пАБК	15	143±5	130±2	104,0±0,5	128±9
	30	101±2	134±2	102,0±1,1	121±4
	45	108±3	137±4	102,0±0,7	110±6
6-БАП	15	124±4	147±9	108,0±0,4	142±9
	30	109±2	167±12	105,0±0,5	137±9
	45	122±5	185±18	106,0±1,2	138±14

П р и м еч а ни е. пАБК — п-аминобензойная кислота, 6-БАП — 6-бензиламинопурин. Концентрация растворов пАБК и 6-БАП — 1 мкМ.

Выявленное влияние предпосевной обработки семян пАБК на хозяйственно значимые характеристики амаранта обусловлено воздействием на фундаментальные физиолого-биохимические процессы. Впервые показано стимулирование световых реакций фотосинтеза и скорости усвоения азота у сортообразца К173 при применении пАБК. Необходимо отметить, что характер и степень проявления некоторых изученных эффектов у пАБК и 6-БАП различался, следовательно, пАБК действует не как цитокинин. Вероятно, повышенное содержание пАБК как предшественника фолатов стимулирует их синтез и накопление уже на начальных этапах развития растений из семени, ускоряя физиолого-биохимические процессы в течение всего онтогенеза и приводя к наблюдаемым эффектам.

Однако возможен и иной механизм: имеются, в частности, скудные сведения о цитокиновых (1, 6) и ауксиновых (17, 32) эффектах пАБК. Хотя эта область практически не исследована, нет оснований отрицать наличие у пАБК свойств собственно растительных гормонов — способности через систему мессенджеров экспрессировать ядерный ответ, как это описано, например, для цитокининов (33). Также не исключено взаимодействие с рецепторами фитогормонов (18). Обнаруженные нами эффекты пАБК указывают в пользу такого предположения, если исходить из общих признаков гормонов растений согласно International Plant Growth Substance Association (IPGSA, Международная ассоциация растительных ростовых веществ). По IPGSA, фитогормоны — природные органические соединения, влияющие на физиологические процессы (рост, дифференциацию, развитие растения и др.) в значительно меньших концентрациях, чем питательные вещества или витамины (34). Выявленные нами эффекты нельзя определить как типичные для какого-либо известного класса, а для утверждения о новом классе фитогормонов имеющегося фактического материала недостаточно. Мы согласны с предположением о гормональной активности некоторых малых молекул (35). Более того, мы описали цитокинин-подобные свойства 4-гидроксифенэтилового спирта и сделали предположение о его гормональной природе (36). Основанием послужил прецедент о-гидрокси-бензойной (салициловой) кислоты. В настоящее время эта малая молекула и несколько ее производных признана особым классом фитогормонов. Возможно, при накоплении данных о малых молекулах проявятся такие общие характеристики, которые позволят объединить их в новую группу соединений со специфическими фитогормональными свойствами.

Итак, предпосевная обработка семян овощного амаранта 1 мкМ водным раствором п-аминобензойной кислоты (пАБК) повышает всхожесть и улучшает биометрические и физиолого-биохимические показатели растений: ускоряет развитие проростков в фазу скрытого роста, усиливает рост, повышает продуктивность и пищевую ценность. По эффекту пАБК и цитокинин 6-бензиламнопурин не аналогичны. пАБК можно рекомендовать при выращивании овощного амаранта в Нечерноземной зоне России.