CC BY
38
УДК 581.192.7:[633.34:581.133.1]
ВЛИЯНИЕ ЭПИНА НА АЗОТФИКСИРУЮЩУЮ АКТИВНОСТЬ РАСТЕНИЙ СОИ РАЗНЫХ СОРТОВ
© О.Г. Волобуева1, С.Л. Белопухов2
Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, 127550, Россия, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49.
Изучено влияние регулятора роста эпина на содержание и соотношение фитогормонов в вегетативных органах, азотфиксирующую активность растений сои сортов Магева и Свапа, инокулированных ризоторфином, содержащим Bradyrhizobium japonicum. Установлена корреляция между содержанием отдельных фитогормонов в вегетативных органах растений сои и азотфиксирующей активностью. Показана сортовая реакция растений на обработку эпином: наибольшей отзывчивостью на обработку эпином характеризовался сорт сои Свапа. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 18 назв.
Ключевые слова; регуляторы роста растений; эпин; фитогормоны; соя; ризоторфин; азотфиксирующая активность; ризобии; нитрогеназная активность.
EPIN EFFECT ON NITROGEN-FIXING ACTIVITY OF DIFFERENT VARIETIES OF SOYBEANS O.G. Volobueva, S.L. Belopukhov
Russian State Agrarian University - MTAA named after K.A. Timiryazev, 49 Timiryazevskaya St., Moscow, Russia, 127550.
The paper studies the effect of a growth regulator Epin on the content and ratio of phytohormones in vegetative organs and the nitrogen-fixing activity of the soybeans of Mageva and Swapa varieties inoculated by rizotorfin containing Bradyrhizobium japonicum. The correlation between the content of some phytohormones in vegetative parts of soybean plants and nitrogen-fixing activity is established. The cultivar reaction of plants on Epin treatment is shown: the soybeans of Swapa variety are the most responsive to Epin treatment. 1 figures. 3 tables. 18 sources.
Key words: plant growth regulators; Epin; phytohormones; soybeans; rizotorfin; nitrogen-fixing activity; rhizobia; nitrogen-ase activity.
Важным компонентом современных биотехнологий все более становится использование различных биостимуляторов. В настоящее время интерес исследователей направлен в сторону более глубокого изучения роли фитогормонов в сложных динамических системах «микроорганизм - симбионт - растение -хозяин» и выяснения природы и характера взаимодействия микро- и макроорганизма. Этому способствует, в частности, использование в сельском хозяйстве биопрепаратов и регуляторов роста для ускорения прорастания семян и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Важное значение в симбиотических отношениях микроорганизмов с организмом хозяина имеет межклеточная коммуникация. В прошлом десятилетии достигнуто понимание того, что бактерии усиленно вовлекают в регуляторный пул биологически активные вещества микро- и макросимбионтов [1, 2].
В основе формирования и функционирования клубеньков бобовых растений лежат сложные метаболические процессы, явившиеся результатом установления регуляторных связей между макро- и микросимбионтом. К инструментам воздействия на систему
симбиотической азотфиксации организма хозяина относится гормональная регуляция симбиоза. Клубеньковые бактерии относят к биогенным стимуляторам, связывая их положительное влияние на растение не только со способностью фиксировать молекулярный азот и синтезировать аминокислоты, но и со способностью синтеза витаминов группы В и других биологически активных веществ. Такие биологически активные вещества, как гормоны-координаторы, обеспечивают растениям ростовую и метаболическую регуляцию и при правильной агротехнике - высокую продуктивность бобово-ризобиального симбиоза.
Целью данного исследования является изучение влияния ризоторфина и эпина на содержание и соотношение фитогормонов в листьях, стеблях и корнях с клубеньками и азотфиксирующую активность клубеньков растений сои разных сортов.
Экспериментальная часть. В работе были использованы растения сои сортов Магева и Свапа. Магева - сорт селекции Рязанской ГО с/х, выведен методом индивидуального отбора из мутантной популяции, раннеспелый, содержание белка в зерне - 40%, жира - 19%. Сорт слабо восприимчив к бурой ржавчине,
1Волобуева Ольга Гавриловна, кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии и иммунологии, тел.: (495) 9760966, е-mail: [email protected]
Volobueva Olga, Candidate of Biology, Associate Professor of the Department of Microbiology and Immunology, tel.: (495) 9760966, e-mail: [email protected]
2Белопухов Сергей Леонидович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, зав. кафедрой физической и органической химии, тел.: (495) 9763216, e-mail: [email protected]
Belopukhov Sergey, Doctor of Agriculture, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry, tel.: (495) 976321, e-mail: [email protected]
масса 1000 семян - 141,4 г. Свапа - сорт селекции ВНИИЗБК (г. Орёл), скороспелый, имеет детерми-нантный тип стебля, высокотехнологичный, отличается неосыпаемостью семян и нерастрескиваемостью бобов, содержание белка - 38,5%, жира - 22,4%. Масса 1000 семян - 150 г.
Растения выращивали в лаборатории азотного обмена Института физиологии растений РАН им. К.А. Тимирязева (г. Москва) в сосудах с 6 кг кварцевого песка на модифицированной безазотной питательной смеси Кнопа в условиях вегетационного домика. Азот использовали в виде стартовой дозы 430 мг Ca(NO3)2 на сосуд, микроэлементы вносили по Ринькису [3, с. 232].
Семена сои сортов Магева и Свапа замачивали в течение 3 ч в растворе эпина в концентрации 10-6 М, непосредственно перед посевом обрабатывали ризо-торфином по схеме: инокуляция ризоторфином (1-й вариант); обработка эпином на фоне инокуляции ризоторфином (2-й вариант). Повторность 5-ти кратная, в каждом сосуде по 10 растений. Ризоторфин (Brady-rhizobiumjaponicum), содержащий штамм 634, эффективный для сои, получен во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. С.-Петербург).
Эпин - фитогормон большого диапазона биологической активности, действующее вещество которого -эпибрассинолид (ЭПБ), вызывает широкий спектр клеточных ответов, включая рост растений, прорастание семян, фиксацию азота, повышение устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам [4, 5].
Содержание фитогормонов (индолилуксусная кислота - ИУК, цитокинины - ЦК, абсцизовая кислота АБК) в листьях, стеблях, корнях с клубеньками определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) по методике, разработанной в лаборатории регуляторов роста и развития сельскохозяйственных растений РГАУ - МСХА им. К.А.Тимирязева [6]. Биологическую активность гиббе-релловой кислоты (ГК) определяли по росту гипокоти-лей салата сорта Берлинский. Содержание ГК - по калибровочной кривой, для построения которой использовали гибберелловую кислоту (Россия). Условия хроматографирования для определения фитогормо-нов изложены ранее [7]. Ошибка определения содержания фитогормонов не превышала 20%. Содержание фитогормонов определяли в фазу плодообразования - период высокой азотфиксирующей активности у сои. В процессе вегетации проводили фенологические наблюдения за динамикой роста и развития растений сои, учитывали массу и количество клубеньков. Активность нитрогеназы в клубеньках определяли на газовом хроматографе «Цвет-106» [8]. Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Statisticafor Microsoft Windows.
Обсуждение результатов. Анализ полученных данных показал, что у растений сои сорта Магева содержание ИУК в листьях при обработке ризоторфином и совместной обработке ризотофином и эпином не изменялось, уменьшалось в стеблях при обработке эпином на фоне инокуляции и значительно возрастало в корнях с клубеньками при обработке только ризо-
торфином (табл. 1). Вероятно, это связано с тем, что сами клубеньковые бактерии участвуют в синтезе ИУК. Ауксины ризобий в дополнении к ауксинам растений меняют ритмику клеточного деления.
Существенная функция этого соединения связана в значительной степени с его способностью при местном повышении содержания вызывать приток и перераспределение пластических веществ, необходимых для осуществления интенсивного нарастания ткани. В литературе имеются данные [9, 10], что ауксин, содержащийся в корнях, является как продуктом собственного синтеза, так и результатом притока из надземной части растений. Поэтому можно полагать, что часть ИУК транспортировалась из листьев и стеблей в корни. Проявились сортовые особенности растений сои на действие эпина. Содержание ИУК при совместной обработке эпином и ризоторфином растений сорта Свапа уменьшалось в листьях, не менялось в стеблях и значительно увеличивалось в корнях с клубеньками.
Ауксины, кроме функции регуляции роста, необходимы также для реализации активности цитокини-нов. Высоковирулентные штаммы М^оЫит обладают повышенной способностью продуцировать цитокинины, и именно им отводится важная роль в формировании клубенька. Цитокинины повышают аттраги-рующую способность клеток макросимбионта, что обусловлено их влиянием на функциональную активность клеточных мембран [11, 12].
Наибольшее содержание ЦК у растений сои сорта Магева наблюдалось при обработке ризоторфином, особенно в корнях с клубеньками, а также в листьях и стеблях. Этот факт подтверждает [13, 14], что основным местом синтеза ЦК служат апикальные меристемы корней, оказывающие влияние на развитие и функционирование ассимиляционного аппарата. Возможно, наибольшее содержание ЦК в корнях с клубеньками объясняется тем, что некоторые бактерии, ассоциированные с растениями, способны синтезировать большие количества фитогормонов, в том числе цитокининов.
Проявлялась сортоспецифичность действия эпи-на на содержание цитокининов. Так, у растений сои сорта Свапа при совместной обработке эпином и ри-зоторфином содержание ЦК повышалось в листьях и стеблях (в 3 и 1,2 раза соответственно) и снижалось в корнях с клубеньками (табл. 1).
Содержание ГК у растений сои сорта Магева при совместной обработке эпином и ризоторфином не изменялось в листьях и снижалось в стеблях и корнях с клубеньками (в 1,7 и 9 раз соответственно). В этом варианте у растений сои сорта Свапа содержание ГК повышалось в листьях, стеблях и корнях с клубеньками (в 4,4; 2,5 и 2 раза соответственно).
Содержание АБК у растений сои сорта Магева в варианте с обработкой эпином на фоне инокуляции ризоторфином повышалось в листьях и снижалось в стеблях и корнях с клубеньками. В этом варианте у растений сои сорта Свапа содержание АБК повышалось в листьях и стеблях (в 1,6 и 1,5 раз соответственно) и незначительно уменьшалось в корнях с
клубеньками (см. табл. 1). АБК - ингибитор роста, играющий ведущую роль в регулировании покоя, тормозит ростовые процессы в растении. Торможение роста сопровождается подавлением синтетических процессов и ускорением старения тканей. АБК выступает антагонистом ИУК, ЦК и ГК [16, 17].
Анализ данных по влиянию ризоторфина и эпина на показатели роста и азотфиксирующую активность растений сои сорта Магева показал (табл. 2), что обработка семян этих растений только ризоторфином приводила к повышению надземной массы, высоты растений, массы корней с клубеньками и массы клубеньков, а также к увеличению активности фермента нитрогеназы (рисунок). Это происходило на фоне увеличения ИУК в корнях с клубеньками; ЦК - в листьях, стеблях и корнях с клубеньками; ГК и АБК - в стеблях и корнях с клубеньками.
Проявились сортовые особенности растений сои на обработку эпином. У сорта Свапа совместная обработка эпином и ризоторфином приводила к увели-
чению надземной массы, массы корней с клубеньками, количества и массы клубеньков и активности фермента нитрогеназы по сравнению с вариантом обработки семян сои только ризоторфином (табл. 2, рис. 1). Эти процессы наблюдались на фоне увеличения ИУК в корнях с клубеньками, ЦК и АБК - в листьях и стеблях; ГК - в листьях, стеблях и корнях с клубеньками.
Определение содержания эндогенных фитогормо-нов приобретает первостепенную важность при рассмотрении их регуляторной роли. При этом надо иметь в виду, что физиологическое проявление действия гормона в разных органах растения бывает неоднозначным. Как известно, это может зависеть от количественного и качественного соотношения фито-гормонов [18]. Сравнение показателей роста и азот-фиксирующей активности растений с содержанием и соотношением четырех основных групп фитогормонов показало, что эти процессы зависят от соотношения фитогормонов (табл. 3).
Таблица 1
Содержание фитогормонов в растениях сои при обработке эпином (нг/г сухой массы)_
Вариант Вегетативные Фитогормоны
органы ИУК ЦК ГК АБК
листья 23.2 23.3 1107 237 40 40 51 153
Ризоторфин стебли 23,2 11,6 790 395 171 40 153 102
корни с клубеньками 69,6 17,4 553 889 275 128 304 77
листья 23.4 11.5 869 711 40 175 153 254
Эпин + ризоторфин стебли 11,7 11,7 632 474 102 102 102 153
корни с клубеньками 26,1 41,7 296 379 30 239 191 61
Примечание. Над чертой - сорт Магева, под чертой - сорт Свапа.
Таблица 2
Показатели роста и азотфиксирующая активность растений сои сортов Магева и Свапа
Вариант Надземная масса, г/растение Высота, см Масса корней с клубеньками, г/растение Количество клубеньков Масса клубеньков, мг/растение
Магева, ризоторфин 4,8 ± 1,571 8 ± 2,022 15,2 ± 2,83 24 ± 3,5 30,4 ±3,9 54 ± 5,2 1,7 ± 0,9 2,6 ± 1,2 4,9 ± 1,5 24 ± 3,5 36 ± 4,2 21 ± 3,2 345 ± 13,2 660 ± 18,4 1403 ±26,7
Магева, эпин 4,7 ± 1,51 5 ± 1,52 13,9 ± 2,63 23,7 ± 3,4 33,7 ± 4,1 40 ± 4,5 2,1 ± 1,04 3 ± 1,24 2,8 ± 1,2 16 ± 2,8 27 ± 3,7 21 ± 3,2 289 ± 12,1 460 ± 15,3 1203 ± 24,7
Свапа, ризоторфин 4.6 ± 1,51 5.7 ± 1,72 9,3 ± 2,13 32 ± 4,04 39 ± 4,4 70 ± 5,9 2,7 ± 1,1 3,7 ± 1,3 3,1 ± 1,2 26 ± 3,6 38 ± 4,4 27 ± 3,7 463 ± 15,4 620 ± 17,7 882 ± 21,2
Свапа, эпин 6.4 ± 1,81 7.5 ± 1,92 13,9 ± 2,63 31,4 ± 4,0 36,4 ± 4,3 66 ± 5,8 2,7 ± 1,1 4,9 ± 1,5 4,3 ± 1,5 30 ± 3,9 42 ± 4,6 33 ± 4,1 550 ± 16,7 724 ± 19,2 1163 ± 24,3
Таблица 3
Магева Свапа
Влияние ризоторфина и эпина на нитрогеназную активность растений сои
сортов Магева и Свапа
Соотношение фитогормонов в растениях сои сортов Магева и Свапа
Вариант Органы растения Соотношение фитогормонов
ЦК/АБК ГК/АБК ИУК/АБК ГК+ЦК+ ИУК/АБК
Магева, ризоторфин листья 2,7 0,8 0,5 22,9
стебли 5,2 1,1 0,2 7,8
корни 1,8 0,9 0,2 3
Магева, эпин листья 5,7 0,3 0,2 6,1
стебли 6,2 1 0,1 7,3
корни 1,6 0,2 0,1 1,9
Свапа, ризоторфин листья 1,6 0,3 0,2 2
стебли 3,9 0,4 0,1 4,4
корни 11,6 1,7 0,2 13,5
Свапа, эпин листья 2,8 0,7 0,05 3,5
стебли 3,1 0,7 0,08 3,8
корни 6,2 3,9 0,7 10,8
Так, наивысшие показатели роста и активности нитрогеназы у сорта сои Магева при обработке ризо-торфином наблюдались на фоне увеличения соотношения ЦК/АБК и ГК+ЦК+ИУК/АБК - в листьях и корнях с клубеньками. У растений сои сорта Свапа при совместной обработке эпином и ризоторфином наивысшие показатели роста и азотфиксирующей активности растений наблюдались на фоне увеличения соотношения ЦК/АБК и ГК+ЦК+ИУК/АБК - в листьях; ГК/АБК
- в листьях, стеблях и корнях с клубеньками; ИУК/АБК
- в корнях с клубеньками.
В зависимости от органа растения меняется не только содержание отдельных гормонов, но и их соотношение. Высокий уровень цитокининов в период наивысшей азотфиксирующей активности растений сои сорта Магева в листьях, стеблях и корнях с клубеньками говорит об интенсивности процессов метаболической активности в этих органах.
Изменение соотношения гормонов обеспечивалось в большей степени существованием так называемых метаболических вилок [18]. Эта особенность обмена веществ организмов, на которую впервые указал Д.Н. Прянишников (1951), заключается в наличии общих предшественников при образовании двух или трех разных веществ, осуществляющих, как правило, альтернативные пути обмена. Это положение в полной мере проявляется при изучении фитогормонов.
По результатам исследования можно сделать следующие выводы.
1. Изучено влияние регулятора роста эпина на содержание и соотношение фитогормонов в вегетативных органах, азотфиксирующую активность растений сои сортов Магева и Свапа. Установлена сортовая реакция растений на обработку эпином; наибольшей отзывчивостью характеризовался сорт Свапа.
2. Обработка семян растений сои разных сортов
ризоторфином и эпином приводила к изменению уровня фитогормонов, что, возможно, оказало влияние на показатели роста и нитрогеназную активность.
3. Совместная обработка семян сои сорта Свапа ризоторфином и эпином приводила к увеличению надземной массы, массы корней с клубеньками, количества и массы клубеньков и активности в них фермента нитрогеназы. Эти процессы наблюдались на фоне увеличения ИУК в корнях с клубеньками, ЦК - в листьях и стеблях, ГК - в листьях и корнях с клубеньками.
4. У растений сои сорта Магева в большей степени проявилось действие ризоторфина. Обработка семян этого сорта только ризоторфином приводила к повышению надземной массы, высоты растений, массы корней с клубеньками и активности в них нитрогеназы. Это происходило на фоне увеличения ИУК в корнях с клубеньками, ЦК - в листьях, стеблях и кор-
нях с клубеньками, ГК и АБК - в стеблях и корнях с клубеньками.
Таким образом, установлена корреляция между содержанием отдельных фитогормонов в вегетативных органах и нитрогеназной активностью в клубеньках растений сои. Показана сортовая реакция растений на обработку эпином: наибольшей активностью характеризовался сорт сои Свапа. Вызывая изменения в гормональном балансе макросимбионта, эпин оказал влияние на азотфиксирующую активность растений сои.
Полученный нами экспериментальный материал показал, что растения сои разных сортов проявили разную чувствительность к экзогенной обработке эпином. Это дает возможность направленно регулировать гормональный баланс а, следовательно, и физиологические процессы, происходящие в органах и целом растении.
Библиографический список
1. Олескин А.В., Кировская Т.А. Популяционно-коммуникативное направление в микробиологии // Микробиология. 2006. Т. 75. № 4. С. 440-445.
2. Тихонович И.А., Проворов Н.А. Симбиозы растений и микроорганизмов: молекулярная генетика агросистем будущего. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2009. 206 с.
3. Ринькис Г.Я. Оптимизация минерального питания растений. Рига: Зинатне, 1972. 355 с.
4. Взаимодействие окиси азот и брассиностероидов при их влиянии на фотосинтез и антиоксидантнуюсистему томата / Ш. Хайят [и др.] // Физиология растений. 2010. № 2. С. 224233.
5. 28-Homobrassinolide Protects Chickpea (Cicerarietinum) From Cadmium Toxicity by Stimulating Antioxidants / S.A. Hasan [and oth.] // Environ. Pollut. 2008. Vol. 151. P. 60-66.
6. Изменение содержания фитогормонов в проростках ячменя в онтогенезе и при внесении регуляторов, стимулирующих рост / И.В. Скоробогатова [и др.] // Агрохимия. 1999. № 8. С. 49-53.
7. Волобуева О.Г. Влияние эпина на содержание фитогор-монов и симбиотическуюактивность растений сои разных сортов // Ученые записки. 2010. № 2. С. 98-104.
8. Методика оценки активности симбиотической азотфикса-ции селекционного материала зернобобовых культур ацетиленовым методом / В.П. Орлов [и др.]. Орел: Изд-во ВНИИ ЗБК, 1984.
9. Полевой В.В. Роль ауксина в системах регуляций расте-
ний. Л.: Наука, 1986.
10. Полевой В.В. Фитогормоны. Л.: Изд-во ЛГУ, 1982. 248 с.
11. Кулаева О.Н. Цитокинины, их структура и функции. М.: Наука, 1973. 263 с.
12. Медведев С.С. Физиология растений. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004.
13. Growth Rate, IAA and Citokinin Content of Wheat Seedlings after Root Pruning / L.B. Vysotskaya [and oth.] // Plant Growth Regul. 2001. Vol. 33. P. 51 -57.
14. Sakakibara H. Nitrate Specific and Cytokinin-Mediated Nitrogen Signaling Pathways in Plants //J. Plant Res. 2003. Vol. 116. P. 253-257.
15. Franklond D., Wareing P.F. Effect of gibberellicacidonhypo-cotye growth оf lettuce seed ling// Natura. 1990. Vol. 185. № 4708. P. 255-256.
16. В начале пути: восприятие АБК и передача её сигнала у растений / Г.В. Новикова [и др.] // Физиология растений. 2009. № 6. С. 806-823.
17. Bano A., Hilman I.R.Endogenous free and coujug-tedabscisis acid in Faba vulgaris viciafaba and Alnusgulinosa// Crop. Res. 1989. Vol. 29. № 2. P. 65- 76.
18. Якушкина Н.И. Физиологические особенности гормональной регуляции ростарастений на разных этапах онтогенеза и в различных условиях среды //Влияниеантропогенных факторов на функционирование биоценозов и их отдельные компоненты. М.: Изд-во МГОУ. 2005. С. 5-42.
