Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,641

Оптимальный водный режим создает благоприятные условия для биохимических реакций в растительном организме, обеспечивающих высокую продуктивность растений. Недостаточное и избыточное увлажнение почвы отрицательно сказывается на протекании целого ряда физиолого-биохимических процессов в растении. При резком недостатке воды в почве задерживается биосинтез органических соединений и усиливается гидролиз, в результате чего нарушаются ростовые процессы [5]. При избыточном увлажнении почвы растения испытывают действия анаэробиоза, который затрудняет поступление воды и минеральных веществ в корни растений, усиливает дыхание и одновременно снижает активность процесса синтеза органических веществ, нарушает водный режим растений [5].

Соя является одной из основных сельскохозяйственных культур Амурской области, которая нередко подвергается действию как недостаточного водоснабжения почвы (в основном в третьей декаде мая), так и переувлажнения (чаще в июле и августе).

Одним из показателей биологической устойчивости растений к постоянно меняющимся условиям внешней среды являются изменение активности и множественных молекулярных форм антиоксидантных ферментов. Под воздействием водного стресса происходит усиленное образование активных форм кислорода (АФК), таких как супероксид-радикал (О2-), гидроксил-радикал (ОН-) и перекись водорода Н2О2, активирующих антиоксидантные ферменты. Наиболее важные из них пероксидаза (ПО) и каталаза (КАТ), КАТ расщепляет Н2О2 на воду и молекулярный кислород, в то время как ПО разрушает Н2О2 путем окисления ряда субстратов, таких как фенолы и/или антиоксиданты [3].

Цель настоящего исследования - изучить влияния водного стресса (избыточного и недостаточного увлажнения) на активность и электрофоретические спектры пероксидазы и каталазы в семенах культурной и дикорасту- щей сои.

Методика. Объектом исследования служили семена культурной сои: сорт Лидия и дикорастущей сои: форма КА-1344. Сою выращивали в вегетационных сосудах. После появления всходов влажность почвы в сосудах поддерживалась согласно схеме опыта:

  1. 70% влажности почвы от полной полевой влагоемкости (ППВ) весь период вегетации.
  2. 135% влажности почвы от ППВ весь период вегетации.
  3. 35% влажности почвы от ППВ весь период вегетации.
  4. 35% влажности почвы от ППВ до цветения, затем перевод на 70%.
  5. 135% влажности почвы от ППВ до цветения, затем перевод на 70%.
  6. 70% влажности почвы от ППВ до цветения, затем перевод на 35%.
  7. 70% влажности почвы от ППВ до цветения, затем перевод на 135%.

Активность ПО определяли фотоколориметрическим методом [2], активность КАТ газометрическим методом [1], белок - методом Лоури [7]. Удельную активность ферментов выражали в единицах активности на мг белка. Электрофоретические спектры ферментов определяли методом электрофореза на колонках 7,5%-го полиакриламидного геля при температуре 4 ºС по Дэвису [6]. Окрашивание на геле зон с ферментативной активностью осуществляли соответствующими гистохимическими методами [4]. Основным критерием характеристики множественных молекулярных форм ферментов (ММФФ) является их относительная электрофоретическая подвижность Rf.

Результаты и обсуждение. Поскольку водный стресс связан с накоплением АФК, то устойчивость к данному стрессору зависит от регуляции систем антиоксидантной защиты, включающей антиоксидантные ферменты.

В семенах растений культурной сои, которые находились в состоянии гипоксии вызванной избыточным увлажнением почвы в период формирования репродуктивных органов (вариант 2, 7), удельная активность ПО снижается по отношению к контролю на 24-47% соответственно. Однако это компенсируется увеличением ММФФ с 7 до 8-9, за счет появления новых малоподвижных форм с Rf: 0,14 и 0,22 (табл. 1).

Дефицит воды (3, 4 вариант) способствовал повышению активности ПО в семенах сорта Лидия до 120-119% и только в 6 варианте недостаточное увлажнение почвы после цветения привело к снижению ПО.

Таблица 1.  Влияние водного стресса на удельную активность и электрофоретические спектры ПО в семенах сои

Вариант опыта

Сорт Лидия

Форма КА-1344

количество ММФФ

удельная активность, ед/мг белка

количество ММФФ

удельная активность, ед/мг белка

1

7

1767 ± 13

5

963 ± 24

2

8

1335 ± 11

7

4837 ± 23

3

6

2126 ± 21

4

8646 ± 75

4

6

2101 ± 10

4

7670 ± 58

5

7

2256 ± 10

7

7135 ± 49

6

6

1301 ± 5

4

7135 ± 29

7

9

941 ± 4

8

2207 ± 19

Электрофоретический спектр ПО в семенах растений, которые находились в условиях засухи претерпевал изменения, сопровождающиеся исчезновением некоторых компонентов, в то же время была выявлена новая форма с Rf = 0,61.

Известно, что дикорастущая соя лучше адаптирована к неблагоприятным условиям выращивания, чем культурные сорта. В семенах формы КА-1344 удельная активность ПО повышается во всех вариантах опыта. Максимальный рост активности фермента (в 9 раз) отмечен в варианте 3, где растения испытывали недостаток влаги в почве на протяжении всего периода вегетации (табл. 1). Увеличение активности ПО указывает на усиленное образование АФК и активацию механизмов, защищающих растение от окислительных повреждений, вызванных стрессом.

У формы КА-1344, несмотря на высокую активность ПО, электрофоретический спектр содержит всего 5 форм. Водный дефицит сопровождался уменьшением форм ПО до 4, исчезает форма со средней электрофоретической подвижностью. Стресс, связанный с избытком почвенной влаги привел к увеличению гетерогенности за счет образования мало- и среднеподвижных форм с Rf: 0,22; 0,24; 0,30; 0,33.

Очевидно, адаптивная перестройка пероксидазной энзиматической системы сопровождается синтезом множественных форм с новыми свойствами.

Недостаток влаги в почве весь период вегетации и в его первой половине не повлияли на активность КАТ, показатели активности в пределах контрольного варианта. Переизбыток влаги в почве независимо от периода вегетации способствовал росту активности КАТ (табл. 2).

Таблица 2. Влияние водного стресса на удельную активность и электрофоретические спектры КАТ в семенах сои

Вариант опыта

Сорт Лидия

Форма КА-1344

количество

ММФФ

удельная активность, ед/мг белка ∙10-3

количество ММФФ

удельная активность, ед/мг белка ∙10-3

1

4

10,0 ± 0,4

3

13,1 ± 0,1

2

6

15,2 ± 0,4

4

18,0 ± 0,3

3

3

10,0 ± 0,3

2

12,3 ± 0,2

4

4

11,3 ± 0,4

3

15,6 ± 0,1

5

5

13,0 ± 0,2

3

20,9 ± 0,2

6

3

9,4 ± 0,1

2

16,1 ± 0,1

7

5

12,4 ± 0,4

4

23,0 ± 0,3

В семенах дикорастущей формы сои в вариантах опыта, где условия влагообеспеченности резко отличались от контрольного варианта, удельная активность КАТ находится на уровне контроля (3, 4, 6). В вариантах опыта, где растения испытали стресс при смене уровня влажности, активность КАТ возросла ≈ на 60-76% в зависимости от варианта опыта (табл. 2).

При изучении электрофоретических спектров КАТ выявлено, что контрольные образцы культурной сои содержали 4 компонента с КАТ активностью: 0,04; 0,18; 0,27 и 0,40. Электрофоретический спектр дикорастущей сои содержал 3 формы: 0,14; 0,22 и 0,36. Под воздействием стрессора (избыточного или недостаточного увлажнения) электрофоретический спектр изменялся аналогично изменению активности КАТ.

Таким образом, полученные данные характеризуют количественные и качественные изменения ферментов при действии недостаточного и избыточного увлажнения. Семена формы КА-1344 обладают высокой удельной активностью ПО и КАТ, а семена сорта Лидия - высокой гетерогенностью ферментов, всё это свидетельствует о разных механизмах адаптации культурной и дикорастущей сои. Обнаруженная разнокачественность отдельных форм ПО и КАТ может иметь адаптивное значение и являться показателем устойчивости к водному стрессору.

Список литературы

  1. Методы биохимического исследования растений / А.И. Ермаков [и др.]. - Л.: Агропромиздат, 1987. - 430 с.
  2. Малый практикум по физиологии растений / под ред. А.Т. Мокроносова. - М.: МГУ, 1994. - 184 с.
  3. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода. - М.: КДУ, 2007. - 140 с.
  4. Сафонов В.И. Исследование белков и ферментов растений методом электрофореза в полиакриламидном геле / В.И. Сафонов, М.П. Сафонова // Биохимические методы в физиологии растений. - М., 1971. - С. 113-136.
  5. Хван А.В. Влияние недостаточного и избыточного увлажнения почвы на некоторые физиологические показатели и урожай сои // Вопросы биологии. - Благовещенск, 1969. - С. 104-116.
  6. Davis B.J. Disk electrophoresis. Method and application to human serum protein / B.J. Davis // Ann. N. Y. Acad. - 1964. - Vol. 121, № 2. - P. 404-427.
  7. Lowry O.H. Protein measurement with the Folin phenol reagent / O.H. Lowry [et al.] // J. Biol. Chem. - 1951. - Vol. 193, № 1. - P. 265-275.