CC BY
50
УДК 633.16:581.1:584.19
ВЛИЯНИЕ ГЕНОТИПА И ФАКТОРОВ СРЕДЫ В ПЕРИОД ФОРМИРОВАНИЯ СЕМЯН НА СТАРТОВУЮ АМИЛОЛИТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПРОРАСТАЮЩЕГО СЕМЕНИ ЯРОВОГО И ОЗИМОГО ЯЧМЕНЯ
© 2011 г. И.С. Игнатенко, А.С. Казакова
Изучено влияние генотипа и условий репродукции семян на факторную структуру признаков «стартовая активность а-амилазы» в микрофенологическую фазу прорастания семени «вилка» и «стартовая активность Р-амилазы» в сухом семени трех сортов ярового и трех сортов озимого ячменя за три года. Показано, что стартовая активность а- и Р-амилазы зависит у ярового ячменя от условий года репродукции семян (34 и 25%, соответственно), у озимого - от генотипа (32 и 41%, соответственно), у ярового и озимого - от взаимодействия генотип-среда.
Ключевые слова: яровой и озимый ячмень, прорастание семян, амилолитическая активность, взаимодействие генотип-среда.
The influence of genotype and environment on factorial structure of traits “starting activity of а-amylase” in germinating seeds and “starting activity of P-amylase” in dry seeds of winter and spring barley were studied. It was shown, that starting activity of а- and P-amylases in spring barley seeds depends upon the influence of environment (34 и 25%), in winter barley - upon the influence of genotype (32 и 41%), and in both spring and winter barley - upon the influence of genotyp e-environment interaction.
Keywords: winter and spring barley, seeds germination, amylase activity, genotype-environment interaction.
В спелом зерне большая часть ферментов связана с белками и поэтому неактивна. В процессе набухания семян белки растворяются, и связанные ферменты освобождаются и переходят в активное состояние [1].
Уже первые реакции, обуславливающие набухание и начало прорастания семян, связаны с затратой энергии, источником которой являются сахара, образующиеся из крахмала в результате действия амилаз [2]. Количество амилазы в семени, находящемся в состоянии покоя, незначительно, но с прорастанием семени оно возрастает. В непроросшем зерне а-амилаза не обнаруживается, а при прорастании начинает синтезироваться. Р-амилаза в покоящемся зерне содержится в свободной и связанной формах, при проращивании количество активной Р-амилазы значительно возрастает [1].
Исследуя изменение активности амилазы в прорастающем зерне ячменя, авто-
ры брали в исследование, как правило, семена на определенный день их прорастания. При таком подходе в одну пробу попадают семена, находящиеся на разных этапах прорастания или вовсе не всхожие, что не дает возможности оценить нарастание активности фермента для одного семени. Для получения общего представления и для производственных целей такой подход, возможно, и оправдан, но для проведения фундаментальных исследований физиологии и биохимии прорастания семян, а также для сравнения сортов в селекции и партий семян в семеноводстве необходимо проводить изучение не по дням, а по фазам прорастания семян. На кафедре физиологии и химии разработана усовершенствованная шкала микрофенологических фаз прорастания семян (МФФ ПС) ячменя [3]. В этой шкале, кроме существующих в настоящее время фаз, представлены также МФФ, описывающие этапы роста и развития корневой системы проростка. Изучение
развития активности амилолитических ферментов в прорастающем семени по МФФ ПС позволит охарактеризовать ход этого процесса в индивидуальном семени, а также провести сравнение между семенами ярового ячменя разных лет репродукции по времени проявления суммарной активности и активности а- и Р-амилаз.
Мы впервые показали, что активность а-амилазы регистрируется в прорастающих семенах ярового и озимого ячменя только в МФФ ПС «вилка» (К1) [4, 5]. Эта микро-фенофаза соответствует появлению 1-3 зародышевых корешков длиной до 2 мм после разрыва колеоризы [3]. Активность Р-амилазы регистрируется в сухом семени, затем её активность возрастает в процессе прорастания семени.
Для селекционной работы и производства представляет большой интерес выявление экофизиологического последействия (гидротермические условия года репродукции семян) на суммарную активность амилазы, а также активность а- и Р-амилаз в семенах ярового ячменя. Однако активность амилолитических ферментов в прорастающем семени будет существенно зависеть от условий, в которых прорастает семя (температура, влажность и др.). Поэтому, на наш взгляд, непосредственное влияние условий года репродукции семян на активность ферментов можно оценить в момент самого начала функционирования фермента, которое мы можем определить в сухом или прорастающем семени. Такую активность фермента мы назвали стартовой активностью. Следовательно, определяя активность Р-амилазы в сухом семени, а активность а-амилазы - в прорастающем на МФФ ПС К1, мы может оценить влияние гидротермических условий весеннелетнего периода вегетации растений ярового и озимого ячменя на активность амило-литических ферментов в период их последующего прорастания.
Целью настоящей работы было выявление влияния генотипа и факторов среды в весенне-летний период формирования семян на стартовую активность Р-амилазы в сухом и а-амилазы в прорастающем семени ярового и озимого ячменя.
Методика. Объектом исследования служили семена трех сортов ярового ячменя Мамлюк, Ратник и Зерноградец 770 и трех сортов озимого ячменя Зимур, Романс и Самсон. Все сорта внесены в реестр селекционных достижений и допущены к использованию в Северо-Кавказском регионе. Анализ провели на семенах трех лет, которые различались по гидротермическому режиму весенне-летнего периода: 2007 г. (остро-засушливый), 2008 г. (умереннозасушливый) и 2009 г. (оптимальный). Семена проращивали в растильнях на фильтровальной бумаге в дистиллированной воде при температуре +20 0С согласно ГОСТу [6]. В анализ отбирали семена, находящиеся на одной МФФ ПС [3]. Суммарную амилолитическую активность, а также активность a- и Р-амилаз определяли стандартным методом [7]. Активность ферментов выражали в мг гидролизованного крахмала за 1 час на 1 г АСВ. Биологическая повторность опытов - 2-кратная, аналитическая - 4-кратная. Полученные результаты подвергали статистическому и дисперсионному многофакторному анализу по методике Доспехова [8] с использованием программ Excel ПК.
Результаты и обсуждение. Так как активная Р-амилаза присутствует уже в сухом семени [4, 5], мы определяли её стартовую активность именно в сухом семени. Активность a-амилазы не регистрируется в сухих семенах, а определяется, как было нами показано [4, 5], только в прорастающих семенах на МФФ ПС «вилка» (К1). В связи с этим влияние условий года репродукции семян на стартовую активность a-амилазы мы оценили в момент первой регистрации ее активности в МФФ ПС К1. Для выявления экофизиологического влияния рассчитали взаимодействие «генотип-среда» для трех сортов ярового и трех сортов озимого ячменя за три различные по гидротермическим условиям года репродукции.
Активность a-амилазы. На основании результатов дисперсионного анализа активности a-амилазы в МФФ ПС «вилка» К1 в семенах трех сортов за три года мы рассчитали долю влияния различных фак-
торов. Факторная структура общей дисперсии признака «активность а-амилазы» в
Яровой ячмень
Генотип (фактор А) 8%
Влияние случайных факторов 22%
Сила влияния повторений
0%
Год репродукции фактор В) 34%
Взаимодействия
(А+В)
36%
□ Генотип (фактор А) □ Год репродукции (фактор В)
□ Взаимодействия (А+В) □ Сила влияния повторений
□ Влияние случайных факторов
семенах ярового и озимого ячменя в ММФ ПС «вилка» К1 представлена на рисунке 1.
Год репродукции (фактор В)
8%
Озимый ячмень
Взаимодействия
(А+В)
56%
Генотип
(фактор А) Влияние
32%
случайных
факторов
4%
□ Генотип (фактор А)
□ Взаимодействия (А+В)
□ Влияние случайных факторов
Сила влияния повторений 0%
□ Год репродукции (фактор В)
□ Сила влияния повторений
Рис. 1. Факторная структура общей дисперсии признака «активность а-амилазы» в семенах ярового и озимого ячменя в ММФ «вилка» (К1)
(среднее по трем сортам ярового и трем сортам озимого ячменя за 2007-2009 гг.)
Определяющими в стартовой активности а-амилазы в МФФ ПС К1 у ярового ячменя являются взаимодействие факторов А и В («генотип-среда») - 36%, а также условия года репродукции семян -34%. Влияние генотипа составляет всего 8%. У озимого ячменя взаимодействие факторов А и В оказывает более существенное влияние на стартовую активность а-амилазы - 56%, затем следует влияние генотипа - 32%. Заметно меньшее влияние оказывают условия года репродукции семян - 8%.
Таким образом, определяющими факторами величины стартовой активности а-амилазы в прорастающем семени на МФФ ПС К1 у ярового и озимого ячменя
Генотип (фактора А)
Яровой ячмень
Год репроду кции (фактора В) 25%
Влияние слу чайных факторов 33%
□ Генотип (фактора А)
□ Взаимодействия (А+В)
□ Влияние случайных факторов
Сила влияния повторений 15%
] Год репродукции (фактора В) ] Сила влияния повторений
является влияние взаимодействия «генотип
- среда», что свидетельствует о разной реакции генотипов на условия среды, при этом реакция сортов озимого ячменя в 1,6 раза сильнее. Поэтому вклад генотипа (сорта) озимого ячменя на формирование ферментного комплекса семени на материнском растении и его дальнейшую активизацию при прорастании в четыре раза выше, чем у ярового ячменя. А генотипы ярового ячменя в большей степени зависят от условий года репродукции семян.
Активность в-амилазы. На основании результатов дисперсионного анализа активности Р-амилазы в сухих семенах рассчитали долю влияния различных факторов (рис. 2).
Озимый ячмень
Генотип (фактора А) 41%
Взаимодействия (А+В)
21%
Влияние случайных факторов 20%
В Генотип (фактора А)
□ Взаимодействия (А+В)
ЕЭ Влияние случайных факторов
Сила влияния повторений
Год репроду кции (фактора В) 16%
Взаимодействия (А+В)
22%
0 Год репродукции (фактора В) □ Сила влияния повторений
Рис. 2. Факторная структура общей дисперсии признака «активность Р-амилазы» в сухих семенах ярового и озимого ячменя (среднее по трем сортам ярового и трем сортам озимого ячменя за 2007-2009 гг.)
Влияние генотипа и условий среды на стартовую активность Р-амилазы в сухом семени отличается от их влияния на активность а-амилазы. Существенная роль в стартовой активности Р-амилазы ярового ячменя на материнском растении принадлежит влиянию года репродукции (25%) и взаимодействию факторов А и В (21%). Меньшее влияние оказывает генотип - всего 6%.
У озимого ячменя преимущественное влияние на активность Р-амилазы в сухом семени имеет генотип - 41%. Влияние взаимодействия факторов А и В составляет 22%, а года репродукции - 16%.
Таким образом, факторами, определяющими стартовую активность Р-амилазы в сухом семени ярового ячменя, являются условия года репродукции и взаимодействие генотип-среда, а у озимого ячменя -генотип, взаимодействие факторов А и В и влияние условий года.
Сравнивая полученные данные дисперсионного анализа для ярового и озимого ячменя видно, что взаимодействие генотип-среда имеет практические одинаковое значение у ярового (21%) и озимого (22%) ячменя. Существенно отличается влияние генотипа на образование Р-амилазы в сухом семени и составляет для ярового ячменя 6%, а для озимого 41%.
Таким образом, в результате проведенной работы нами впервые выявлен характер зависимости стартовой активности амилолитических ферментов от условий года репродукции семян ярового и озимого ячменя. Показано, что в стартовую активность а- и Р-амилазы у озимого ячменя больший вклад вносит генотип, а у ярового ячменя - условия среды. Это можно объяснить тем, что озимый ячмень использует влагу, накопленную в почве за зимневесенний период, и меньше страдает от летней засухи, а яровой ячмень зависит от осадков весенне-летнего периода.
Литература
1. Алехина, Н.Д. Физиология растений / Н.Д. Алехина, Ю.В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко и др.; под ред. И.П. Ермакова. - Москва: Издательский центр «Академия», 2005. - 450 а
2. Морару, К.В. и др. Активность а-амилазы в прорастающих семенах разных по морозоустойчивости озимых колосовых культур // Сельскохозяйственная биология.
- 1985. - № 12. - С. 18-22.
3. Казакова, А.С. Шкала микрофено-логических фаз прорастания семян ярового ячменя / А.С. Казакова, С.Ю. Козяева // Сельскохозяйственная биология (серия Биология растений). - 2009. - № 3. - С 8892.
4. Игнатенко, И.С., Козяева, С.Ю., Казакова, А.С. Изменение активности ами-лолитических ферментов в семенах ярового и озимого ячменя на начальных этапах прорастания // Актуальные вопросы современной науки и образования. Выпуск 2. -Красноярск, 2010. - С. 223-225.
5. Игнатенко, И.С. Влияние экологических условий года репродукции семян на развитие амилолитической активности в прорастающих семенах ярового ячменя [Электронный ресурс] / И.С. Игнатенко // Научный журнал КубГАУ: политемати-ческий сетевой электрон. журн. / Кубанский гос. аграрн. ун-т. - Электрон. журн. -Краснодар: КубГАУ, 2011. - № 70(06). -Режим доступа:
http://ej.kubagro.ru/2011/06^Ш3.
6. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести: ГОСТ 12038-84; Введен 01.07.86. Москва: ИПК Изд-во стандартов. 2004. - С. 34-38.
7. Практикум по физиологии растений / Н.Н. Третьяков, Л.А. Паничкин, М.Н. Кондратьев и др. - 4-е изд. перераб. и доп. - Москва: КолосС, 2003. - С. 172-175.
8. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта / Б.А. Доспехов // Изд. 4-е, перераб. и доп. - Москва: Колос, 1979. - 416 с.
Сведения об авторах Игнатенко Инна Сергеевна - аспирантка кафедры физиологии и химии АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359)34-6-12. E-mail: [email protected].
Казакова Алия Сабировна - д-р биол. наук, профессор кафедры физиологии и химии Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359)40-6-01. E-mail: [email protected].
Information about the authors Ignatenko Inna Sergeevna - post-graduate student of the physiology and chemistry department, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359)34-6-12. E-mail: [email protected].
Kasakova Aliya Sabirovna - Doctor of Biology Scienses, professor of physiology and chemistry department, Azovo-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359)40-6-01. E-mail: [email protected].
