б ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Питание представляет собой фундаментальный биологический процесс и лежит в основе жизнедеятельности всех живых организмов. Пища является не только источником энергии, но и обладает свойствами лекарства. Проблема питания является социальной проблемой, обеспеченность населения сбалансированными продуктами питания нередко влияет в определенной мере на политическую активность людей.
В настоящее время резко уменьшена физическая нагрузка людей, в связи с научно-техническим прогрессом, поэтому пища должна быть более сбалансирована по содержанию белков, углеводов, жиров и биологически активных веществ, в число которых входят не только витамины, но и антиокислители. Пересмотрена роль биополимеров, ранее считавшихся балластными веществами, а сейчас получивших статус пищевых волокон, имеющих не только функции пищеварения, но и лечебно-профилактические свойства.
В последние годы широко используются биологически активные добавки в пище. Поэтому актуальным является поиск новых растений, являющихся источником биологически активных веществ, из которых можно выделить эти биологически активные вещества и создать на их основе пищевые добавки.
Проблемы рационального растениеводства могут быть решены путем интенсификации использования традиционных видов растений и интродукции новых нетрадиционных видов. К числу наиболее интересных растений универсального использования относится амарант.
Амарант является в настоящее время международной культурой благодаря* высокому содержанию белка, сбалансированного по незаменимым аминокислотам, а также содержанию биологически активных веществ, пектина, масел. Кроме того, амарант является источником антиоксидантов: амарантина, каротиноидов, аскорбиновой кислоты.
7
Амарант обладает высокой биологической продуктивностью, экологической пластичностью и исключительным адаптивным потенциалом, обеспечивающим широкое распространение этой культуры в различных условиях.
Обладая такими ценными качествами, амарант входит в число растений наиболее перспективных для интродукции на новых территориях, в том числе и в Нечерноземье.
В последнее время в физиологии растений активно разрабатывается обширное направление по изучению влияния регуляторов роста на различные стороны обмена веществ в растении. Необходимыми субстратами для синтетических процессов в растении являются аминокислоты. Аминокислоты являются предшественниками в синтезе биологически активных веществ амаранта, например ама-рантина. В связи с этим, изучение влияния аминокислот как регуляторов роста является достаточно актуальным.
Цель и задачи исследований. Целью данной работы явилась разработка способов применения в качестве регуляторов роста и развития растений 4-гидроксифенилэтанол (4-ГФЭ) и аминокислоты, такие как фениаланин, тирозин и пролин при выращивании овощных сортов амаранта в Нечерноземье.
В связи с поставленной целью были определены основные задачи работы:
1. Определить экспериментальным путем рабочие физиологически активные концентрации фенилаланина, тирозина, пролина и 4-ГФЭ по посевным качествам семян.
2. Выявить влияние обработки семян амаранта растворами аминокислот и 4-ГФЭ на всхожесть, энергию прорастания и дальнейшие процессы роста и развития растений амаранта.
3. Дать сравнительную характеристику влияния*предпосевной обработки семян амаранта фенилаланином, тирозином, пролином и 4-ГФЭ на активность фотосинтетического аппарата листьев овощного амаранта по следующим показа-
8
телям: содержанию хлорофилла; интенсивности фотосинтеза; динамике накопления сухого вещества листьями; чистой продуктивности фотосинтеза.
4. Определить сортовые различия реакции растений амаранта на обработку аминокислотами и 4-ГФЭ по образованию биологически активного вещества алкалоидной природы, антиоксиданта — амарантина.
5. Изучить влияние предпосевной обработки семян амаранта фенилалани-ном, тирозином, пролином и 4-ГФЭ на накопление белка в листовой массе овощного амаранта.
6. На основании комплексной оценки проанализировать влияние фенила-ланина, тирозина, пролина и 4-ГФЭ на особенности обмена веществ овощных сортов амаранта рассмотреть возможность применения аминокислот и 4-ГФЭ при выращивании амаранта в Нечерноземье и определить наиболее значимые из них для овощных амарантов, что может иметь как теоретическое, так и прикладное значение.
Научная новизна. В работе впервые было изучено влияние 4-ГФЭ и аминокислот — фенилаланина, тирозина и пролина - в качестве регуляторов роста и развития, на особенности обмена веществ и продуктивность овощных форм амаранта сорта Дон Педро, Кизлярец и Валентина.
Впервые проведено сравнительное исследование влияния аминокислот на особенности фотосинтеза у амаранта как Сграстения нетрадиционного для Нечерноземья, показано стимулирующее действие аминокислот и 4-ГФЭ на содержание хлорофилла, продуктивность фотосинтеза, содержание амарантина, биосинтез белка.
Установлено, что при обработке пролином, который является антистрессовой аминокислотой, семена амаранта, имеющие пониженную всхожесть после действия неблагоприятных факторов, повышают энергию прорастания и всхо-
9
жесть, увеличиваются так же ростовые и физиологические показатели растений, выросших из этих семян.
Установлено, что 4-ГФЭ проявляет цитокининовую активность, активизирует обмен веществ и продуктивные процессы в растениях овощных сортов амаранта.
Практическая ценность работы и перспективы дальнейших исследований заключены в том, что полученные результаты могут быть использованы в технологии выращивания овощных сортов амаранта в условиях Нечерноземья. Кроме того, проведенные исследования могут способствовать дальнейшему развитию представлений о влиянии аминокислот как регуляторов роста на процессы фотосинтеза, на процессы роста и развития нетрадиционного и очень перспективного растения, каким является амарант. Полученные результаты имеют теоретическое и практическое значение для дальнейшего исследования аминокислот с целью их использования в практике овощеводства, а в частности - в его новом направлении — селекции овощных культур на повышенное содержание биологически активных веществ и антиоксидантов.
Синтетический регулятор роста 4-гидроксифенилэтанол с цитокининовой активностью можно применять для предпосевной обработки семян амаранта для повышения урожайности листовой массы с высоким'содержанием биологически активных веществ.
Результаты работы могут быть также использованы в лекционных курсах растениеводства и физиологии растений, при проведении полевой практики.
10
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Амарант - перспективная нетрадиционная овощная культура
/. 1.1. Систематика и морфология амаранта
Род Amaranthus принадлежит отделу Magnoliophyta (Angiosperraae) классу Magnoliopsida (Dicotyledones) подклассу Caryophyllidae надпорядку Caryophyllanae порядку Caryophyllales подпорядку Chenopodiineae семейству Amaranthaceae (Тахтаджян, 1987).
Растения этого семейства распространены в основном в тропических и субтропических областях земного шара, преимущественно в Америке и Африке. Это многолетние и однолетние травы, есть полукустарники, кустарники, кустарниковые лианы. К видам, культивируемым в мировом растениеводстве, относят либо 7 (A. blitum L., A. caudatus L., A. mantegazzianus passer., A. dubius mart., A. paniculatus L., A. spinosus L., A. tricolor L.), либо 3 (A. caudatus L., A. cruentus L., A. hypochondriacus L.), либо 2 (A. cruentus L., A. caudatus L.). (Вульф, 1969; Saunders, 1984; Becker, 1980; Федосеева, 1997).
Огромное количество сортообразцов есть результат их скрещивания и отбора. Виды амаранта условно делят на зерновые (A. cruentus, A. caudatus, A. hypohondriacus, A. mantagazzianus, A. paniculatus), овощные (A. tricolor, A. caudatus, A. spinosus, A. cruentus), кормовые, лекарственные, декоративные. (Ко-нонков П.Ф., Гинс В.К., Гинс М.С., 1997)
Амарантовые имеют прямые бороздчатые стебли. По степени ветвления стебля образцы можно разделить на слабо-, сильно - и средневетвистые. Листья очередные или супротивные без прилистников, цельные, форма листовой пластинки эллиптическая, яйцевидно-ромбическая, продолговатая. Листья цельно-крайние, заострённые на верхушке. Верхние листья имеют более короткие черешки, чем нижерасположенные, что создаёт возможность для более равномерного
11
освещения растений (Тимонин, 1984). Общая листовая поверхность одного растения при оптимальных условиях развития равна 8000 см. Листовой индекс может изменяться от 6 до 12, в зависимости от густоты стояния растений в посевах (Кадошникова и др., 1989). Корень стержневого типа, боковые корни располагаются поверхностно. Иногда в нижней части стебля образуются придаточные корни. Основная часть корневой системы располагается в пахотном слое, хотя главный корень может проникать на глубину до 90 см. Боковые корни располагаются радиально на 70-80 см. Общая масса корневой системы составляет 15- 17 % от общего веса всего растения. Это приводит к тому, что в конце вегетационного периода корневая система не в состоянии поддерживать растение в вертикальном положении и наблюдается полегание, что может затруднить механическую уборку.
Цветки мелкие, актиноморфные, раздельнополые, реже обоеполые, собранные в пазухах листьев на укороченных веточках соцветия или же в более или менее разветвленные безлистные или в нижней части облиственные колосовидные соцветия на верхушках стебля и боковых ветвей. Цветки с тремя прицветниками, имеющими все оттенки зелёного, желтоватого, или пурпурно-бордового или даже фиолетового цвета, расширенными в основании. По величине прицветники могут превышать околоцветник. Околоцветник простой, плёнчатый состоит из 3-5 ланцетовидных или яйцевидных листочков с зелёной средней жилкой, которая на верхушке часто образует остриё. Андроцей из пяти тычинок. Гинецей из 3-х, реже 4-х плодолистиков. Завязь верхняя одногнездная. Цветки вырабатывают нектар и опыляются насекомыми. Плод коробочка яйцевидной формы, открывающийся поперёк крышечкой. При образовании плода при нем сохраняются сухие плёнчатые листочки околоцветника, благодаря чему семейство и получило своё название «амарантос», что означает «неувядающий цветок» (amaraino — не увядать, anthos — цветок). Семена очень мелкие округлые чечевицеобразные, покрытые плотной
12
оболочкой. Окраска семян различных сортообразцов амаранта от бледно-жёлтой до тёмно-бордовой, почти чёрной блестящей. Зародыш семени кольцевидный периферически-расположенный, окружён периспермом (Поддубная-Арнольди, 1976; Салахова и др., 1990, 1997). Масса 1000 семян - 0,5 - 0,1 г.
1.1.2. Рост и развитие амаранта
Для успешной интродукции важно изучение фенологии растений (Петровская-Баранова, 1983). Благодаря исследованиям (Прокофьев, 1995) выделены основные 4 фенофазы: вегетативная, бутонизации, цветения, плодоношения. Вегетативная фаза начинается с момента прорастания семян до образования генеративных органов. В среднем у A. caudatus и A. cruentus она длится 48 дней, у А. hybridus 93 дня и A. mantegazzianus 71 день. Наступление следующих фенофаз и различных видов и сортообразцов наблюдается в различные сроки: наиболее раннее формирование соцветий - у A. cruentus, A. caudatus - на 37 - 44 день, у А. mantegazzianus - на 59 день самое позднее у A. hybridus - на 69 день. Цветение наступает у A. cruentus и A. caudatus на 47-58 день, у A. hybridus - на 98. Начало плодоношения на 69-75 день наблюдается у A. cruentus, A. caudatus, на 108 у А. mantegazzianus, A. hybridus вообще не достигает фазы плодоношения. Продолжительность отдельных фенофаз также различная в условиях Татарстана. Самая короткая фаза бутонизации (28 день), наиболее длительными являются фаза вегетации и цветения. (Чернов, 1992, Кадошников, 1997).
Для амаранта на основе фенологических наблюдений были установлены следующие возрастные состояния: этапы всходов, ювенильный, имматурный, вегетативный и генеративный. На этапе всходов определяется всхожесть амаранта, причем полевая всхожесть всегда намного ниже лабораторной, что определяется рядом причин (неравномерное созревание семян в метелках приводит к тому, что при механической уборке не все семена имеют доразвившийся зародыш). Всходы у амаранта мелкие, проростки с надземным прорастанием, две семядоли выносят-
13
ся вверх, наружная сторона темно зеленая, внутренняя — фиолетово-пурпурная. Форма семядолей - овально-ланцетовидная, гипокотиль - розово-фиолетового цвета. Появление всходов зависит от погодных условий, в основном от суммы по- ложительных температур и влажности. (Гейтс и др., 1972; Габдрашитов, Реутов, 1986). Менее чувствительные к более низкой температуре прорастания являются семена A. cruentus. (Гинс, Кононков, Струкова, Савельев, 1995).
Ювенильное возрастное состояние растений у амаранта специфично, т.к. наблюдается скрытый рост. Спустя неделю после прорастания замедляется рост надземной части (стебель высотой 3,5 - 8,5 см) и в течение 3-4 недель происходит интенсивное развитие только корневой системы. Наступление имматурного этапа характеризуется начинающимся ветвлением главного стебля, началом бурного вегетативного роста. На вегетативном этапе вместе с ростом стебля начинается образование листовых формаций (низовой, серединной, верховой).
Начало генеративного этапа - появление метелок, начало бутонизации, четче проявляются морфологические различия листьев различных формаций, различный характер ветвления у разных сортообразцов амаранта.
Рост - одно из наиболее ярких выражений активной жизни растительного организма и поэтому одно из наиболее легко обнаруживаемых физиологических явлений (Полевой, 1982).Описать физиологический процесс роста* можно большой кривой роста, которая характеризует рост отдельных клеток, тканей, организмов и популяций.
Рост растения выражается в виде кривой, состоящей из 4-х основных элементов:
1. Начального индукционного или лаг-периода, во время которого протекают скрытые явления, подготавливающие процесс видимого роста;
14
•в-О.
§
1. Лаг-период
2. Логарифмическая фаза
3. Замедленный рост
4. Стационарное состояние
время
Рис. 1.1. Большая кривая роста
2. Логарифмической фазы (интенсивный рост), во время которой рост выражается прямой линией по отношению ко времени;
3. Фазы замедленного роста;
4. Фазы стационарного состояния - периода, во время которого не наблюдается видимых процессов роста.
Продолжительность фаз может колебаться в значительной степени в зависимости от ряда внешних и внутренних факторов. Так продолжительность лаг-фазы прорастания семени может быть объяснена: отсутствием или избытком гормонов роста, физиологической незрелостью зародыша, недостатком воды, недостатком кислорода, отсутствием оптимальной температуры, отсутствием тепловой индукции и рядом других причин. Рост в этот период контролируется гормональными веществами, идёт активный синтез пластических и энергетических веществ, действуют первичные механизмы, связанные с образованием ДНК и РНК, синтезом новых ферментов и фитогормонов.
15
Особенность амаранта замедлять рост в первые 3-4 недели создает определенные трудности выращивания этой культуры в средней полосе, так как именно в этот период требуется 4-5 разовая прополка, иначе молодые растения будут заглушены сорняками. В условиях Нечерноземья предлагается к внедрению рассадный способ выращивания амаранта (Ильин О.В., Ильина Т.О., 1995), что в несколько раз снижает расход семян, дает гарантированные урожаи зеленой массы и семян. Пройдя успешно критический период роста и развития, амарант в фазу вегетативного роста быстро наращивает биомассу, создает плотную листовую мозаику, в результате чего возникают условия, приводящие к тому, что сорные растения в посевах амаранта не развиваются.
1.1.3. Особенности адаптации амаранта к эдафическим факторам
Проблема адаптации всегда являлась центральной как в эволюционной теории, так и в практике сельского хозяйства. (Жученко, 1988, 1995), Для интенсивного растениеводства вопросы повышения адаптивности сортов, агроценозов и агроэкосистем особенно актуальны, поскольку эффективность энергетических затрат культивируемых растений зависит от степени их способности к утилизации природных ресурсов в процессе роста и развития. Современное сельскохозяйственное производство характеризуется видовым однообразием, что имеет определенные технологические преимущества, однако, одновременно приводит к резкому снижению адаптивного потенциала агроэкосистем, в сравнении с естественными, особенно их устойчивости к экологическим стрессам. Ограниченный набор возделываемых культур приводит к вспышкам эпифитотий, что ведет к неустойчивости земледелия как отрасли.
С другой стороны, вовлечение в растениеводство разнообразных видов и экотипов, каждый из которых обладает уникальным адаптивным потенциалом, и увеличение числа культивируемых видов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность с экологической устойчивостью, рассматривают в качестве важ-
16
нейшего условия устойчивого роста урожайности агроценозов, особенно в неблагоприятных почвенно-климатических условиях (Жученко, 1994).
Распространено мнение об исключительной перспективности в этом отно- шении растений рода Amaranthus (Saunders, Becker, 1984; Кононков, Гинс В.К., Гинс М.С., 1999). Одним из объяснений этого факта считают его принадлежность к Сграстениям, физиологические особенности, которых связаны со структурой и функционированием фотосинтетического аппарата (Чернов, 1992).
К несомненным преимуществам растений этой группы относят хорошую регуляцию водного режима при дефиците воды в условиях атмосферной и почвенной засухи (Barber, Baker, 1985). У многих С4-растений эффективность использования воды в связи с ее пониженным расходом (на образование 1 грамма сухого вещества - около 250-350 грамм воды) в 2-3 раза больше, чем у Сз группы (Магомедов, 1988). Предполагают, что различия водного режима у Сз- и С4-растений в значительной мере обусловлены активностью карбоксилирующих ферментов, однако механизм их изучен пока не достаточно. Отмечено, что по мере усиления аридности увеличивается соотношение С4/С3 видов, причем возрастает число С4-двудольных над С4-злаками, а в группе С4-двудольных доминируют аспартатные формы (Пьянков, 1988).
В ряде работ показано, что виды, способные к С4-фотосинтезу, испытывают потребность в натрии как микроудобрении (0,1 - 0,5 мМ), хотя физиологические причины этого до сих пор не ясны. Предполагают, что Na участвует в С4-фотосинтетических реакциях и без него тормозится регенерация ключевого фермента ФЕП (Match, Ohta, 1986), однако такие растения, как кукуруза и сахарный тростник, к Na не требовательны. Возможно, потребность в Na ограничена С4-аспартатными формами. С другой стороны установлено, что С4-*механизм фотосинтеза сохраняется даже в отсутствии Na.
17
Хорошо известно также, что многие С4-растения адаптированы к засоленным условиям среды или имеют галофитное происхождение. Однако терпимость к засолению, по-видимому, не определяется исключительно особенностями С4-пути фотосинтеза, т.к. некоторые С4-виды (например, кукуруза) очень чувствительны к засоленности, а с другой стороны галофиты встречаются и среди С3-растений. Королева и Кольчевский (1990) считают, что в условиях почвенного засоления С4-НАДФ-МЭ растения (к ним относится кукуруза) произрастают при слабом (до 0,5%) засолении, а С4-НАД-МЭ растения (к ним относится амарант) -при солевом стрессе (1,5-3,5%). Показано также, что выживание растений и поддержание положительного углеродного баланса у С4-галофитов при водном и солевом стрессах достигаются в первую очередь за счет улучшения их водного режима.
1.1.4. Экологическая пластичность и экологическая устойчивость амаранта
Основным направлением исследований амаранта является изучение его продуктивности, химического состава и питательной ценности. Гораздо меньшее внимание уделяют вопросу его экологической пластичности. Интродукционные исследования амаранта в странах СНГ показали, что его можно с успехом возделывать почти во всех почвенно-климатических зонах (Яблокова и др., 1989; Любимов и др., 1991; Демина, 1995; Сафаров и др., 1997; Солоненко и др., 1997; Шевченко, 1997).
Магомедов и другие (1996) считают, что амарант является перспективной культурой для освоения малоплодородных почв и накапливает достаточную биомассу даже при недостатке обеспечения растения азотом. Однако есть мнение о малой пригодности дерново-подзолистых почв для его возделывания (Амелин и др., 1997). Урожайность амаранта может быть высокой на почвах разного гранулометрического состава, в том числе глинистых: обыкновенных и выщелоченных |
