CC BY
254
УДК 631.371.633.635
АКТИВНОСТЬ ФЕРМЕНТОВ В ПРОРАСТАЮЩИХ СЕМЕНАХ МЯГКОЙ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ ЭЛЕКТРОАКТИВИРОВАННЫМИ РАСТВОРАМИ
© 2011 г. Е.Н. Симонова, Н.Г. Игнатьева
Приводятся результаты лабораторных исследований по выявлению зависимости активности ферментов при прорастании семян мягкой озимой пшеницы от предпосевной обработки электроактивированными растворами. Выявлены периоды максимальной активности ферментов амилазы и каталазы в прорастающих семенах.
Ключевые слова: мягкая озимая пшеница, ферменты, амилаза, каталаза, электроактивированные растворы.
The results of the laboratory investigation on dependence revealing of enzymes at the germination of the soft winter wheat seeds by means of the electro activated solution pre-seeding processing are described. The periods of the amylase and catalase maximum activity in the sprouting seeds are revealed.
Key words: soft winter wheat, enzymes, amylase, catalase, electro activated solutions.
Ферменты - специфические белковые вещества, катализирующие все реакции обмена в растениях, они находятся в цитоплазме, органеллах клетки и в клеточной стенке, участвуют во всех биохимических реакциях прорастающих семян. Под влиянием поглощенной воды и начавшейся деятельности ферментов, зародыш зерновки начинает расти [3].
От ферментов зависят скорость и направление биохимических процессов. Они обусловливают различные физиологические и хозяйственные признаки растений: засухоустойчивость, скороспелость, урожайность, сахаристость плодов и овощей, масличность и белковость семян.
Активность и специфичность действия ферментов зависят от различных факторов, в первую очередь, от концентра-
ции субстрата, активной кислотности среды (рН), температуры. Ферменты чувствительны к воздействию кислот, щелочей, солей тяжелых металлов и к нагреванию. В сухом растительном материале, например в зерне, ферменты иногда бывают весьма устойчивы. В растворенном состоянии большинство ферментов неспособно сохранять активность. Количество фермента, присутствующего в любой момент времени в клетке, определяется не только относительными скоростями их синтеза и распада, но и концентрациями различного рода активаторов и ингибиторов.
Во многих семенах основной запасной формой сахаров является крахмал. При прорастании он подвергается воздействию эндогенных ферментов, которые семена продуцируют для активации ростовых
процессов. Белок, крахмал и другие запасные вещества в значительных количествах сконцентрированы в эндосперме и, следовательно, пространственно отдалены от зародыша, который был бы не в состоянии их использовать, если бы зародыш и щиток не выделяли в эндосперм ферменты и физиологически активные вещества. В прорастающем семени злаков зародыш посылает в алейроновый слой гиббереллин, который стимулирует образование а-ами-лазы. Если же удалить зародыш, то в эндосперме не происходит синтез этого фермента, а следовательно, и гидролиз крахмала [1].
Большое количество амилаз образуется при прорастании семян, в которых много крахмала. В прорастающих семенах амилазы расщепляют запасной крахмал семени до мальтозы, которая используется развивающимся зародышем. При созревании пшеницы амилаза притекает в зерно из вегетативных частей растения.
Активаторами а-амилазы, кроме эндогенных фитогормонов, могут быть ионы хлора. Для проявления максимальной активности в среде должны находиться определенные ионы в необходимой концентрации [1].
Оптимальная для действия амилаз реакция среды не одинакова при различной температуре действия амилаз в данной среде.
При прорастании семян пшеницы активность амилазы на 12-й день прорастания увеличивается в 23-24 раза [2].
Необходимость активирования амилазы, чтобы вызвать прорастание семян, иллюстрирует намачивание семян пшеницы в 1-2%-ных растворах амилазы стимулирующее прорастание семян и рост первичных корешков у проростков [2].
Условия созревания оказывают большое влияние на процесс превращения активных ферментов, в том числе и амилазы, причем она зависит от сорта, года урожая, степени зрелости и от условий созревания зерна [3].
При прорастании пшеницы активность амилазы сначала резко возрастает, достигает определенной максимальной величины и затем начинает падать [2].
Группа ферментов, активирующих кислород, в тканях пшеницы, многочисленна, основную роль в этих процессах играют каталаза и пероксидаза, действие которых направлено на превращение перекиси водорода.
Каталаза - агент, устраняющий токсичное действие перекиси водорода на протоплазму клеток растений. Исследованиями установлено, что пшеница среди злаковых растений отличается высокой активностью каталазы [3].
Каталаза, участвующая в процессе дыхания, содержится в покоящихся семенах в значительно больших количествах, чем амилаза, действие каталазы усиливается во время прорастания семян [1].
Каталаза входит в биологические системы, преобразующие энергию, участвуя с супероксиддисмутазой и пероксидазой в антиоксидантной системе защиты организмов.
Каталаза предотвращает аккумуляцию перекиси водорода, образующейся при аэробном окислении. Каталаза реагирует с перекисью водорода с образованием относительно стабильного фермент-субстратного комплекса [1].
Хотя каталаза не катализирует никаких окислительных реакций и лишь разлагает перекись водорода по схеме 2Н202=2Н20+02 с освобождением неактивного молекулярного кислорода, но присутствие в активной группе каталазы ге-минного железа приближает этот фермент к окислительным биологическим катализаторам.
Активность каталазы увеличивается параллельно интенсивности дыхания прорастающих семян, которое объединяет все процессы жизнедеятельности: белковый, углеводный и липидный обмен.
Для пшеницы было установлено относительно стабильное содержание катала-зы в первые часы после начала проращивания, а затем усиленный подъем. Причем в зародышах пшеницы действие фермента в 5-6 раз оказалось более сильным, чем в целых семенах [2].
При набухании протоплазмы клеток семян в воде процесс обособления протоплазмы заканчивается в разные сроки в за-
висимости от условий внешней среды. Воздействие, испытанное в этот период, приводит к изменениям в работе ферментов и синтезе белков, т.е. при не летальном влиянии вначале всегда происходит стимуляция, проявляющаяся в неспецифических и специфических реакциях.
Для получения зерна с высокими семенными, посевными и технологическими качествами необходима предпосевная стимуляция семян с помощью различных стимуляторов роста. Электроактивированные растворы, применяемые в качестве стимуляторов, имеют ряд преимуществ перед стимуляторами химического происхождения, это низкая себестоимость, нейтрализация активности после участия в реакциях технологического процесса, экологическая чистота [4].
Обработка семян электроактивированными растворами изменяет величину окислительно-восстановительного потенциала около- и внутриклеточной среды, регулируя активность эндогенных биоокислителей и биоантиокислителей, увеличивает скорость осмотического поглощения влаги клетками семенных оболочек, ускоряя набухание семян, дружность прорастания, полевую всхожесть. Ускорение этих процессов обеспечивает прохождение всех стадий онтогенеза в оптимальные сроки, что особенно важно в условиях недостаточного увлажнения юга Ростовской области.
Целью наших исследований являлось изучение влияния предпосевной обработки семян электроактивированными растворами на активность а-амилазы в прорастающем зерне озимой пшеницы Зерноградка 8, Подарок Дону и Донской маяк.
Для предпосевной обработки семян использовались электроактивированные растворы с 0,5% и 1% содержанием активного хлора (рН 10), контролем служили семена, обработанные дистиллированной водой.
В результате проведенных исследований была выявлена закономерность увеличения активности а-амилазы в зависимости от повышения концентрации активного хлора в растворе. Активность амилазы по вариантам опыта превышала на 13,1% и 27,4% соответственно, активность фермента в контроле.
В результате исследований было установлено, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы изучаемых сортов ЭАР с различным содержанием активного хлора в растворе интенсивнее активирует амилазу. Вследствие влияния щелочной ЭАР на семенные оболочки, происходит интенсивное осмотическое поглощение воды из окружающей среды, ускоряющее наклевывание и прорастание семян. Повышение активности амилазы проявилось после первых суток в прорастающих семенах у всех трех сортов. Ко вторым суткам в прорастающих семенах активность амилазы существенно возросла по сравнению с контролем в варианте при обработке ЭАР с 0,5% С1 у сортов Зерноградка 8 - на 10,3, Подарок Дону - на 11,3, Донской маяк - на 15,8%. С повышением концентрации в ЭАР активного С1 до 1% амилаза активировалась у сортов Зерноградка 8 - на 13,6, Подарок Дону - на 16,3, Донской маяк - на 15,8%. Обработка семян БПМ Агат-25 повлияла на активность амилазы несущественно у всех исследуемых сортов.
Максимум активности, по сравнению с контролем, наблюдался в варианте обработки ЭАР с 1% С1 на третьи сутки прорастания семян и составил по вариантам опыта: у сортов Зерноградка 8 - 8,6%, Подарок Дону - 64%, Донской маяк - 63,3%. В течение четвертых суток активность амилазы начала снижаться, но оставалась еще достаточно высокой, и составила соответственно - 55,3, 58,8 и 58,1% по сортам (рис. 1).
В варианте опыта с применением ЭАР с концентрацией активного С1 0,5% пик активности амилазы был на четвертые сутки прорастания семян и по сортам составил соответственно 42, 44,2 и 43,9% по сравнению с контролем.
Обработка семян перед проращиванием БПМ Агат-25 активировала амилазу, но в меньшей степени, чем ЭАР и к четвертым суткам разница с контролем составила у сортов Зерноградка 8 - 24,2, Подарок Дону - 25,6, Донской маяк - 27,1%. Таким образом, активность амилазы в прорастающих семенах существенно возрастает во всех вариантах обработки исследуемых сортов, но при использовании в качестве стимуляторов ЭАР с содержанием активного С1, 0,5 и 1%, активность фермента была выше, чем после применения БПМ Агат-25.
Донской маяк
л о о й
£ «
X О
&
120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00
Время, сутки
Контроль ЭАР С1-1%
ЭАР а-0,5% — Агат-25
Рис. 1. Активность амилазы в семенах мягкой озимой пшеницы Донской маяк в зависимости от предпосевной обработки
Повышение концентрации активного С1 в ЭАР до 1% увеличивает скорость активации амилазы на сутки, и как результат - возрастает скорость атакуемости крахмала, и прорастающий зародыш интенсивнее использует запасные вещества эндосперма, что в итоге повышает посевные качества семян в этом варианте опыта по сравнению с остальными вариантами.
В результате проведенных исследований влияния предпосевной обработки семян сортов мягкой озимой пшеницы Зерноградка 8, Подарок Дону, Донской маяк на активность каталазы в прорастающих семенах выявлено, что активация фермента до максимальных значений происходит на протяжении 72 часов, когда она возрастает в 7,3-7,5раза по сравнению с первыми двенадцатью часами проращивания, после чего снижается.
Предпосевная обработка ЭАР с содержанием 0,5% активного С1 в растворе существенно повысила активность фермента по прошествии 72 часов у сортов Зерноградка 8 - на 6,2; Подарок Дону - 4,8 и Донской маяк - 4,2% по сравнению с контролем, после чего на четвертые сутки происходит снижение активности, как в опытных вариантах, так и контрольном.
При обработке семян ЭАР с 1% содержанием активного С1 деятельность ката-лазы через 72 часа достигла пика активно-
сти и была выше, чем в контроле у сортов Зерноградка 8 - на 6,3; Подарок Дону - на 8,7 и Донской маяк - на 8,2%. По прошествии четырех суток в прорастающих семенах активность фермента снизилась по всем вариантам опыта и в контроле (рис. 2).
Существенные изменения активности каталазы отмечены с первых 12 часов прорастания в данном варианте опыта, что свидетельствует об интенсификации процесса дыхания прорастающих семян при обработке ЭАР с содержанием 1% активного С1, по сравнению с контролем активность каталазы существенно увеличилась у сорта Зерноградка 8 - на 25,8, Подарок Дону - на 27,9, Донской маяк - на 27,3%.
После обработки семян БПМ Агат-25 через 48 часов активность каталазы оказалась ниже, чем при обработке ЭАР у сорта Зерноградка 8 - на 4,4, Подарок Дону - на 3,2%, Донской маяк - на 4,5% по отношению к контролю. К 96 часам после начала прорастания активность фермента снизилась как в контроле, так и во всех вариантах опыта.
Подобная динамика ферментной активности обусловлена интенсификацией физиолого-биохимических процессов, протекающих в прорастающих семенах в результате обработки семян ЭАР с различной концентрацией ионов активного С1 в растворе.
2
3
4
5
Донской маяк
100,00 Г
90,00
а 80,00
з
л. £ 70,00
за S 60,00
р 2 * 50,00
о 2 Н2 О U 40,00 30,00
ь л о К К 20,00
м ^ 10,00
к м л4 0,00
12
24
48
72
96
Время, часы
Контроль -"-ЭАР С1-0,5%--ЭАР С1-1%---Агат-25
Рис. 2. Активность каталазы в семенах озимой мягкой пшеницы Донской маяк в зависимости от способа предпосевной обработки семян
Повышение активности ферментов при прорастании является залогом улучшения посевных качеств семян, урожайных и технологических свойств зерна.
Полученные результаты свидетельствуют о высокой активности каталазы при обработке семян ЭАР с содержанием 1% активного С1, а следовательно, и усилении синтетических процессов в проростках пшеницы.
Результаты исследований активности ферментов на начальной стадии развития растений - прорастании позволили сделать вывод о возможности применения ЭАР с содержанием 1% активного С1 в качестве стимулирующего рост агента, так как у исследуемых сортов активность амилазы максимально возросла на 58,6-63,3% к третьим суткам прорастания семян, по сравнению с контролем, что свидетельствует об ускорении процесса гидролиза крахмала эндосперма семян.
В это же время каталаза, участвующая в системе антиоксидантной защиты семян, максимально активируется на 6,38,7%, причем активация каталазы только в
этом варианте опыта у всех исследуемых сортов происходит после 12 часов прорастания на 25,8-27,9% по сравнению с контролем.
Литература
1. Плешков, Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений / Б.П. Плешков. - 3-е изд. - Москва: Колос, 1975. - 496 с.
2. Леман, Е. Физиология прорастания семян злаков: пер. с нем.; под ред. К.В. Каменского / Е. Леман, Ф. Айхеле. - Москва-Ленинград. Сельхозгиз, 1936. - 483 с.
3. Козьмина, Н.П. Химия зерна и продуктов его переработки / Н.П. Козьмина, В.Л. Кретович. - Москва: Снабтехиздат, 1935. - 319 с.
4. Симонова, Е.Н. Использование электроактивированных растворов в предпосевной обработке семян / Н.А. Сюсюра, Е.Н. Симонова // Энергосберегающие технологии и процессы в АПК: сборник научных трудов межвузовской научной конференции факультетов механизации, энергетики и электрификации. - Краснодар: КубГАУ, 2003. - С. 151-155.
Сведения об авторах Симонова Елена Николаевна - канд. с.-х. наук, доцент кафедры технологии растениеводства и экологии Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359)43-7-48.
Игнатьева Наталья Геннадьевна - старший научный сотрудник, заведующая лабораторией биохимической оценки селекционного материала и качества зерна Всероссийского научно-исследовательского института зерновых культур им. И.Г. Калиненко (г. Зерноград). Тел. 8(86359)41-4-68.
Information about the authors Simonova Elena Nikolaevna - Candidate of Agricultural Sciences, assistant professor of technology of the plant-growing and ecology department, Azov-Black Sea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359)43-7-48.
Ignateva Natalia Gennadievna - manager of the seed growing selection and rice growing technology of All-Russian Research Institute of Grain Crops after I.G. Kalinenko (Zernograd). Phone: 8(86359)41-4-68.
