НДІ біології Дніпропетровського національного університету ім. О. Гончара

Дослідження впливу гербіцидів на процеси білкового обміну в зерні та коренях пщениці на ранніх етапах онтогенезу в умовах підвищення температури

Все більш поширене використання гербіцидної обробки грунтів і посівів зернових культур при досить частих посухах в останні роки потребує детальних досліджень впливу цих екологічних факторів на ріст та розвиток рослин. Тому вивчення впливу гербіцидів та підвищеної температури на показники білкового обміну в проростках пшениці вже на ранніх етапах проростання насіння є актуальним і необхідним для зниження їх негативного впливу на рослини та оцінки екологічного стану середовища.

За дії негативних факторів відмічалось посилення синтезу стресових білків (СБ) на початку стресового навантаження [1]. Менш досліджено причини і механізми гальмування загального білкового синтезу за умов стресів. Процеси гальмування загального білкового синтезу і посилення утворення СБ, очевидно, взаємопов'язані. Так, при вивченні кількісних та якісних змін розчинних білків двох сортів ріпаку за дії температурних стресів виявлено посилення утворення окремих білків, де тепловий стрес викликав більш значні зміни в білкових спектрах, ніж холодовий [2]. Виявлено також зниження співвідношення поліпептидів гліадинового та альбуміно-глобулінового типу у білків пшениці, вирощеної у несприятливих більш вологих і прохолодних кліматичних умовах та зниження якості зерна пшениці [3]. Однією із незпецифічних реакцій рослинного організму на стресові чинники є гідролітичне розщеплення макромолекул [1]. Ці процеси супроводжуються нагромадженням значної кількості низькомолекулярних сполук (НМС): вільних амінокислот, нуклеотидів, пептидів та інших, що в рослинах вивчали за умов осмотичного, сольового та кріостресів [1, 4]. Накопичення проліну і вільних амінокислот в рослинному організмі при стресах відбувалось не тільки за рахунок біосинтезу, але й за рахунок посилення протеолізу білків, що було показано на рослинах картоплі за умов водного стресу, у проростках пшениці за дії теплового та холодового стресів [5]. Але комплексно ще не було досліджено вплив гербіцидів та підвищених температур, що актуально в умовах змін клімату, на процеси білкового обміну та протеолізу у сільськогосподарських культур на ранніх етапах онтогенезу, їх стійкість до дії стрес-факторів.

Досліджували вплив післясходового комбінованого гербіциду діалену С (діален Супер 46,4% в.к.р. – 2,4 Д 34,4% + дикамба 12%), який використовують під посіви зернових і в польових умовах, у діапазоні концентрацій 1 – 20 мг/л на ріст, розвиток рослин та показники білкового обміну і системи протеолізу у проростаючому зерні озимої пшениці Куяльник та ярової пшениці на ранніх етапах проростання насіння в умовах підвищення температури середовища (+30⁰С, 5 год; +42 ⁰С; 5, 9, 24 год) у модельних експериментах.

Виявлено пригнічення росту коренів та пагонів проростків злаків від 13 до 57% за дії гербіциду, лише мінімальна доза гербіциду діалену С 1 мг/л приводила до деякої стимуляції ростових показників у ярової пшениці та дія окремо підвищеної температури - до стимуляції росту проростків обох пшениць. Комплексна дія гербіцидів та підвищеної температури викликали пригнічення росту коренів та пагонів пшениць (від 8 до 56%), де у більшості посилювався негативний ефект впливу окремих фікторів, спостерігалась адитивність їх сумісної дії на ріст пагонів рослин та антагонізм дії факторів на ріст коренів. Найменша доза гербіциду 1 мг/л разом із підвищеною температурою суттєво не впливала негативно на ріст проростків ярової пшениці. Проведено регресійний аналіз залежності змін морфометричних показників рослин від дози гербіцидів, виявлено нелінійні регресійні залежності змін довжини коренів пшениць від дози токсиканту на 8, 9 доби розвитку рослин (поліноміальний зв'язок).

Виявлено на фоні пригнічення ростових процесів у зерні злаків при проростанні у більшості зниження вмісту водорозчинних білків на 7 – 33% і підвищення активності нейтральних протеїназ (у 1,5 – 5 разів) за дії гербіцидів, підвищеної температури та їх сумісного впливу. В окремих випадках в зерні озимої пшениці на восьму добу за комплексної дії більш високих доз гербіциду (10, 20 мг/л) та більш тривалого впливу підвищеної температури (9, 24 год) виявлено підвищення вмісту водорозчинних білків до 20%, як результат затримки їх розщеплення при проростанні насіння, що приводило і до уповільнення росту та розвитку рослин. У більшості варіантів при проростанні зерна озимої та ярової пшениць з використанням гербіцидної обробки та при комплексній дії з підвищеною температурою вміст водорозчинних білків було понижено у зерні та коренях рослин як на початку проростання насіння, так і на більш пізніх етапах розвитку (8, 9 доби), що свідчило про негативний вплив обох факторів, особливо на рослини ярової пшениці. Знайдене зниження вмісту водорозчинних білків у проростках пшениць за дії гербіцидів та підвищених температур могло бути результатом або пригніченяя білкового синтезу, або також інтенсифікації у стресових умовах процесів розщеплення білків за рахунок посилення протеолізу. Важливими факторами ендогенної регуляції протеолітичної активності в рослинному організмі за стресових умов є інгібітори протеїназ, які виконують і захисні функції. На всіх етапах у обох пшениць виявлено у більшості зниження активності інгібіторів протеїназ у зерні та коренях рослин у 2 – 3 рази на 7 – 13 доби розвитку, що свідчило про пригнічення захисних властивостей рослин за дії гербіцидів та підвищеної температури. У зерні ярової пшениці виявлено також спочатку підвищення вмісту водорозчинних білків на 7 – 15% на початкових етапах розвитку рослин (6, 7 доби) за дії всіх доз гербіциду та окремо підвищеної температури. При цьому знайдено зниження активності нейтральних протеїназ (на 40 – 51%) та інгібіторів протеїназ від 17 до 80%, більш суттєве для інгібітора трипсину. Регуляція активності нейтральних протеїназ в цих випадках здійснювалась за рахунок підвищення активності інгібітора хімотрипсину (на 50 – 70%, 7 доба). На більш пізніх етапах проростання зерна ярової пшениці (8, 9 доби) за дії гербіциду та на всіх етапах комплексного впливу гербіциду та підвищеної температури спостерігалось вже зниження вмісту водорозчинних білків на 10 – 23% за рахунок активації нейтральних протеїназ (у 1,3 – 2,6 разів) та пригнічення активності інгібіторів протеїназ. Виявлено більш суттєве зниження активності інгібітора трипсину (на 78 – 89%) у зерні ярової пшениці при проростанні за дії комплексу факторів, тоді як активність інгібітора хімотрипсину була понижена у меншій мірі, а в окремих випадках (6, 7 доби) підвищувалась, як адаптивна реакція рослин на стреси. На більш пізніх етапах розвитку (8, 9 доби) відмічено суттєве зниження активності обох інгібіторів, що свідчило про значну редукцію захисних властивостей також і рослин ярової пшениці за комплексної дії гербіциду та підвищеної температури. У коренях ярової пшениці виявлено лише зниження вмісту водорозчинних білків за рахунок активації протеїназ (у 1,2 – 1,6 разів) та значної редукції активності інгібіторів протеїназ (у 3-4 рази) як за дії гербіциду, підвищеної температури, так і за їх комплексної дії, що відбивало пригнічення адаптивних та захисних реакцій рослин.

Вільні амінокислоти відіграють важливу роль у білковому обміні в проростках рослин. Виявлено, що вміст вільних амінокислот у коренях озимої пшениці на початкових етапах розвитку рослин (6, 7 доба) було підвищено від 7 до 45%, як за дії різних доз гербіцидів, недовготривалого впливу підвищеної температури (9 год), так і сумісної дії всіх доз гербіцидів та підвищеної температури, і в більшій мірі, під впливом більш низьких концентрацій гербіцидів (1 – 2,5 мг/л), що свідчило про активацію адаптивних реакцій у злакових культур на ранніх етапах проростання насіння. На більш пізніх етапах (7 – 9 доби) визначено зниження рівня вільних амінокислот у коренях та зерні обох пшениць на 8 – 49% під впливом гербіцидів та підвищеної температури, у більшій мірі, за дії більш високих доз гербіцидів (10, 20 мг/л) та довготривалого впливу підвищеної температури (24 год), що відбивало пригнічення адаптивних і захисних реакцій у сільськогосподарських рослин при проростанні насіння за дії вивчених стрес факторів. У ярової пшениці виявлено у більшості зменшення сумарного рівня вільних амінокислот у коренях рослин як за дії більш високих доз гербіциду (10 мг/л), більш тривалого впливу підвищеної температури (9, 24 год), так і при комплексній дії всіх доз гербіциду та підвищеної температури на 9 – 28%. По вивченим показникам визначено, що сумісна дія двох факторів у більшій мірі негативно впливала на характеристики білкового обміну та системи протеолізу при проростанні насіння злакових культур, ніж кожний фактор окремо, спостерігалась адитивність впливу двох факторів, а в окремих випадках – антагонізм. Виявлено, що рослини ярової пшениці більш нестійкі до дії гербіциду діалену С, особливо в умовах підвищення температури. По вивченим показникам рівня вільних амінокислот, показників білкового обміну та активності фізіологічно активних сполук системи протеолізу у зерні та коренях проростків злакових культур можна проводити оцінку стійкості рослин до стресових умов вирощування та негативного ефекта використаних хімічних препаратів у польових умовах при змінах клімату.

Література:

1. Колупаев, Ю.Е. Формирование адаптационных реакций на действие

абиотических стрессоров / Ю.Е.Колупаев, Ю.В. Карпец. - К.: Основа, 2010. - 352 с.

2. Косаківська, І.В. Вплив температурних стресів на кількісні та якісні характеристики білків ріпаку Brassica Napus Var. Oleifera / І.В. Косаківська, Д.А. Блюма, А.Ю. Устінова, Н. А. Деміревська // Физиология и биохим. культ. раст. - 2011. - Т.43, №6. - С.492 - 497.

3. Колпакова, В.В., Молчанова Е.Н., Васильев А.В., Чуликина Л.В. Физико-

химические свойства белков пшеницы, выращенной в резко контрастных

климатических условиях / В.В. Колпакова, Е.Н. Молчанова, А.В. Васильев, Л.В. Чуликина // Прикл. биохим. и микробиол. - 2007. - Т.43, № 3. - С. 382 - 390.

4. Кузнецов, В.В. Полиамины при стрессе: биологическая роль, метаболизм и

регуляция / В.В. Кузнецов, Н.Л. Радюкина, Н.И. Шевякова // Физиология растений. - 2006. - Т.53, №5. - С.658 - 683.

5. Вовчук, С.В. Возможные механизмы активации пептид-гидролаз проростков озимой пшеницы при закаливании / С.В. Вовчук, О.А. Макаренко, В.Н. Мусич, А.П. Левицкий // Физиология растений. 1994. - Т.41, №4. -С.494 - 499.