СТИМУЛИРУЮЩЕЕ И АНТИСТРЕССОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ФРАКЦИИ ГУМИНОВЫХ КИСЛОТ НА РАСТЕНИЯ АМАРАНТА

Аннотация. Исследовано действие стабильной электрофоретической фракции гуминовых кислот (далее – ГК), обладающей цитокининовой активностью, на семена и растения пищевого амаранта Amaranthus caudatus L. сортообразец К173. Установлена зависимость всхожести семян от концентрации используемых для обработки растворов в диапазоне 10–9–10–4 М. Всхожесть повышалась с 70 до 99% при использовании 10–7 М и 10-6 М раствора, но снижалась до 52% при концентрации ГК 10–4 М. Развитие всходов, полученных из семян, обработанных 10–7 М раствором ГК, не прекращалось на стадии онтогенеза, называемой «скрытым ростом». На всех последующих этапах развития эти растения превосходили контрольные по массе и высоте. В результате обработки ГК в хлоропластах 45-е сут растений происходило ускорение транспорта электронов в цепи переноса на 40% и реакции фотофосфорилирования на 99% в сравнении с контролем. Чистая продуктивность листьев (45–55 сут) превышала контроль на 65%, а их урожайность (105-е сут) – на 92%. Установлено увеличение активности нитратредуктазы на 115% и содержания общего белка на 41% в листьях 45 сут растений в сравнении с контролем. В результате искусственного старения семян в условиях повышенной влажности и температуры их всхожесть значительно ухудшалась в сравнении с контролем, также как и ростовые параметры выращенных из них растений. Обработка состаренных семян 10–7 М раствором ГК полностью устраняла последствия стресса – все исследованные параметры семян и растений превышали исходный уровень. Полученные результаты подтверждают наличие у исследованной фракции наличие стимулирующих и антистрессовых цитокинин-подобных свойств. Рекомендуется применение фракции ГК с цитокининовой активностью для повышения всхожести семян, урожайности и питательности растений, а также их устойчивости к повреждающим факторам среды.

Ключевые слова: амарант, урожайность, питательность, гуминовые кислоты, регуляция роста растений, фотосинтез, нитратредуктаза, стресс.

Растения рода Амарант (Amaranthus L.) широко распространены во многих странах мира и используются как многофункциональные культуры пищевого, технического, кормового, декоративного назначения [1]. Отличительной особенностью пищевых растений амаранта является то, что все их органы съедобны и содержат большое количество хорошо сбалансированного по составу белка, обогащённого лизином и другими незаменимыми аминокислотами [1, 2]. Кроме того, представители рода Amaranthus насыщены множеством полезных для здоровья человека элементов и соединений. В них обнаружены в большом количестве ионы железа, меди, цинка, селена, фосфора, кальция [3, 4], витамины А, В, С, Е [4, 5], флавоноиды, антоцианы, каротиноиды, рутин [5, 6], обладающий противоопухолевыми свойствами, сквален, [7] и т. д. Благодаря успехам селекции и генетики в настоящее время получены высокоурожайные зерновые и овощные формы амаранта [8], весьма перспективные при решении проблем голодания [9], а также при разработке диет детского и здорового питания взрослых [2–9].

В некоторых агарных зонах Европы и в средней полосе России культивирование амаранта может вызвать затруднения, из-за того, что длина дня и температуры не являются оптимальными для этого южного растения [10], а также из-за его морфологических особенностей [11]. Семена амаранта очень мелкие – с небольшим запасом питательных веществ для развития зародыша. Всходы из таких семян, тонкие и слабые, в первые 3–5 недель проходят стадию скрытого роста, когда рост их надземной части практически прекращается, а интенсивно развивается только корневая система. В этот период проростки легко повреждаются при воздействии неблагоприятных факторов среды, забиваются сорняками и часто погибают. Для увеличения всхожести семян, сохранности посевов на ранних сроках культивирования, повышения продуктивности и качества урожая культур, устойчивости к стрессу традиционно применение регуляторов роста растений [12]. В контексте последних европейских правил, рекомендующих ограничение применения пестицидов, особенно привлекательны экологически безопасные стимуляторы, улучшающие ростовые и адаптивные качества растений, тем самым способствующие снижению потребности в использовании пестицидов и сохранению окружающей среды [13]. На протяжении нескольких лет мы ведём поиск подобных активных агентов эффективных при выращивании пищевых разновидностей амаранта. Ранее мы исследовали и установили стимулирующее действие на его семена и растения препаратов природного происхождения: 2,4(гид-рокси)фенэтилового спирта [14], гибберсиба [15] и p-аминобензойной кислоты [16].

В данной работе объектом исследований стали гуминовые кислоты (далее  – ГК) – компонент гумуса, составляющего более половины органического вещества природных экосистем нашей планеты [17]. Стабильные фракции ГК со специфическими свойствами могут стать неиссякаемым источником стимуляторов роста растений. Электрофорез в полиакриламидном геле в сочетании с другими методами фракционирования позволяет получать стабильные по составу фракции, лишенные посторонних примесей [18]. Подобным способом нами была получена электофоретическая фракция с молекулярной массой 100 кДа, обладающая свойством в концентрациях ниже 10–5 М усиливать синтез β-цианина в проростках амаранта [19]. Такой эффект специфичен для фитогормонов класса цитокининов и является тестом на наличие цитокининовой активности у химических соединений. Классические цитокинины регулируют прорастание семян, рост и развитие растений, фотосинтез, синтез белка, процессы старения и т. д. [20]. Целью данной работы стало – исследование влияния выделенной нами фракции ГК на ростовые и физиолого-биохимические процессы растений пищевого амаранта, на их продуктивность и питательность.

Использовали семена амаранта Amaranthus caudatus L. сортообразец К173 (далее – К173) со всхожестью 70 или 90%, в зависимости от эксперимента, полученные из Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур (Московская обл.).

Исследовали влияние водных растворов фракции ГК в диапазоне концентраций от 10–9 до 10–4 М на всхожесть семян. Растения, используемые в экспериментах, выращивали из семян, обработанных раствором ГК концентрации 10–7 М. Процедуры замачивания семян, выращивания растений, выделения хлоропластов, определения содержания хлорофилла, белка, нитрита, активности нитратредуктазы, скорости транспорта электронов, синтеза АТФ, урожайности листьев и вычисления чистой продуктивности их фотосинтеза (ЧПФ), а также методика искусственного старения (ИС) семян описаны ранее
[14–16]. В статье представлены результаты одного характерного эксперимента из пяти. Результаты приведены в виде средних арифметических со стандартной ошибкой. Достоверность различий оценивали по t-критерию Стьюдента при Р = 0,95.

В результате проведённых исследований обнаружена зависимость всхожести семян К173 от концентрации используемого раствора ГК (рис. 1). Всхожесть семян повышалась в среднем с 70 до 95% после обработки растворами концентраций 10–7 и 10–6 М, при 10–8 М до 80%, а при концентрации 10–4 М всхожесть, напротив, снижалась до 50%; при прочих концентрациях эффект отсутствовал. Такая зависимость эффекта от дозы при концентрациях вещества ниже 10–3 М характерна для фитогормонов и описана следующим образом: «Действие фитогормона на чувствительные к нему растительные объекты находится в строгой зависимости от его концентрации. В определенном пределе концентраций ответ прямо пропорционален логарифму его концентрации. Концентрации гормона, которые существенно выше или ниже оптимальной, либо не эффективны, либо вызывают ингибирующее действие» [21]. ГК в оптимальной концентрации 10–7 М можно использовать для улучшения качества посевного материала.

Установлено стимулирующее влияние предпосевной обработки семян амаранта 10–7 М раствором ГК на ростовые параметры выращенных из них растений (рис. 2). Первый установленный эффект – активный рост всходов с 15 по 45 сутки, иными словами – отсутствие критической для амаранта фазы скрытого роста. Особенно сильным оказалось стимулирующее влияние на массу надземной части всходов. Благодаря этому они отличаются от контрольных более крепким габитусом, что должно способствовать повышению их устойчивости и выживаемости в неоптимальных климатических условиях. При этом обнаружено сильное стимулирование роста также и корневой системы – длина главного корня у них превышала контроль в 3,3 раза.

На последующих фазах развития эффект обработки выглядит не так ярко, т. к. у контрольных растений заканчивается фаза скрытого роста и начинается активный рост надземной части. Тем не менее, стимулирующее действие обработки ГК сохранялось на протяжении всех этапов онтогенеза растений. Необходимо отметить, что общая масса надземной части растений увеличивалась в основном за счёт массы листьев. Так, на 105-е сутки этот показатель урожайности в среднем превышал контроль на 92%.

Как видно из данных, представленных в таблице 1, в результате обработки семян ГК в листьях 45-суточных растений на 61% увеличивалось содержание хлорофилла. Значительно повышались скорости световых реакций фотосинтеза в изолированных хлоропластах: скорость потока электронов в цепи их транспорта в среднем в 1,56 раза, а синтеза АТФ – в 2,23 в сравнении с контролем. Как следствие, на 65% в сравнении с контролем увеличивалась ЧПФ листьев, вычисленная с 45 по 55-е сутки.

В таблице 2 приведены результаты исследований влияния предпосевной обработки ГК на некоторые параметры системы ассимиляции и усвоения азота растениями на ранних этапах вегетации. Установили увеличение содержания общего белка в листьях растений в сравнении с контролем, что повышает питательность культуры. Такой важный эффект обусловлен активированием работы нитратредуктазы и увеличением пула азота в форме нитрита в листьях на раннем этапе вегетации.

Исследовали влияние обработки 10–7 М раствора ГК на всхожесть семян, подвергнутых действию стрессовых факторов ИС – повышенной влажности (100%) и температуры (420 °С), а также на параметры выращенных из них растений. В этом эксперименте использовали семена с высокой всхожестью 90±4%. Воздействие факторов ИС в течение 2-х суток приводило к снижению всхожести семян до 72%, а после 4-х суток – до 63%. Все исследованные параметры растений, выращенных из таких семян, значительно ухудшались в сравнении с контролем (табл. 3). После обработки этих семян 10–7 М раствором ГК их всхожесть полностью восстанавливалась и в среднем составляла 95±5%. Растения, выращенные из таких семян, по всем параметрам превосходили исходный уровень. Важно отметить, что растения, выращенные из семян с сильно пониженной в сравнении с контролем (на 28±4%) после 4ИС всхожестью, но обработанных ГК, произвели семена, превосходящие по массе не только родительские, но и контрольные – на 54±4% (115 сут). Суммарный эффект увеличения массы семян урожая 1-го поколения в результате обработки ГК после ИС, т. о., составляет 82%. Этот эффект очень важен для амаранта, с его мелкими семенами, т. к. от массы и размера семян зависит количество и состояние всходов, скорость их развития и, в конечном итоге, продуктивность культуры.

Как следует из всех представленных данных, исследованная электрофоретическая фракция ГК оказывает стимулирующее действие на всхожесть семян амаранта К173, на светозависимые процессы фотосинтеза и процессы ассимиляции и усвоения азота у выращенных из обработанных семян растений, что приводит к ускорению их роста, повышению урожайности и питательности. Установлены регенерирующие антистрессовые свойства исследованной фракции ГК, которые позволяют устранить последствия влияния неблагоприятных факторов как на семена при посеве, так и на выросшие из них растения. Перечисленные эффекты доказывают наличие у неё ряда свойств цитокининов, что позволяет рекомендовать данную фракцию ГК как экологически безопасный препарат к практическому применению для улучшения качества посевного материала и повышения продуктивности и питательности пищевого амаранта.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Pandey R. M. Biotechnological advances in amaranths species and their future outlook in crop improvement – a review. Recent Pat. DNA Gene Seq., 2013, 7(3): 179-186.
  2. Achigan-Dako E. G., Sogbohos-so O. E. D., Maundu P. Review: Current knowledge on Amaranthus spp.: research avenues for improved nutritional value and yield in leafy amaranths in sub-Saharan Africa [Электронный ресурс]. – Режим доступа: (doi 10.1007/s10681-014-1081-9).
  3. Shukla S., Bhargava A., Chatterjee A., Srivastava J., Singh N., Singh S. P. Mineral Profile and Variability in Vegetable Amaranth (Amaranthus tricolor). Plant Foods for Human Nutrition, 2006, 61(1): 21–26.
  4. Icard-Vernière Ch., Olive F., Picq Ch., Mouquet-Rivier C. Contribution of Leafy Vegetable Sauces to Dietary Iron, Zinc, Vitamin A and Energy Requirements in Children and Their Mothers in Burkina Faso. Plant Foods for Human Nutrition, 2015, 70(1): 63–70.
  5. Sudhir Shukla, Vibha Pandey, Pachauri G., Dixit B. S. Nutritional contents of different foliage cuttings of vegetable amaranth. Plant Foods for Human Nutrition, 2003, 58(3): 1–8.
  6. Tang Y., Tsao R. Phytochemicals in quinoa and amaranth grains and their antioxidant, anti – inflammatory and potential health beneficial effects: a review [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Molecular Nutrition& Food Research, 2017 (doi: 10.1002/mnfr.201600767).
  7. Jose A. Ariza Ortega, Arturo Martínez Zavala, Maribel Cano Hernández, Joel Díaz Reyes. Analysis of trans-fatty acids production and squalene variation during amaranth oil extraction. Central European Journal of Chemistry, 2012, 10(6): 1773–1778.
  8. Saubhik Das. Amaranthus: A Promising Crop of Future / Singapore : Springer, 2016. – 208 p.
  9. Muyonga J. H., Nabakabya D., Nakimbungwe D. N. Efforts to promote Amaranth production and consumption Uganda to fight malnutrition. In: Using Food Science and Technology to Improve Nutrition and Promote National Development [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://iufost.org/publications/books/documents/Chapter8.pdf
  10. Bavec F., Mlakar S. G. Effects of soil and climatic conditions on emergence of grain amaranths. European J. of Agronomy, 2002, 17(2): 93-103.
  11. Irén Léder. Cultivated plants, primarily as food sources. – Vol. I Buckwheat, Amaranth and Other Pseudocereal Plants. In: Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.eolss.net/
  12. Муромцев Г. С., Чкаников Д. И., Кулаева О. Н., Гамбург К. З. Основы химической регуляции роста и продуктивности растений. – М. : Агропромиздат, 1987. – 383 с.
  13. Bürger J., de Mol F., Gerowitt B. Influence of cropping system factors on pesticide use intensity – A multivariate analysis of on-farm data in North East Germany. European Journal of Agronomy, 2012, 40:
    54-63.
  14. Иванова Е. П., Кириллова Л. Л., Назарова Г. Н. Применение перспективного природного стимулятора роста 4-гидроксифенэтилового спирта для улучшения качества посевного материала и продуктивности растений амаранта. Сельскохозяйственная биология, 2011. 5: 118-122.
  15. Иванова Е. П., Кириллова Л. Л., Назарова Г. Н. Всхожесть семян и продуктивность растений амаранта под влиянием гибберсиба. Сельскохозяйственная биология, 2014. 1: 91-97.
  16. Кириллова Л. Л., Назарова Г. Н., Иванова Е. П. п-Аминобензойная кислота стимулирует всхожесть семян, рост растений, фотосинтез и ассимиляцию азота у амаранта (Amaranthus L.). Сельскохозяйственная биология, 2016. 51(5): 688-695.
  17. Ганжара Н. Ф. Почвоведение. М. : Агроконсалт, 2001. – 392с.
  18. Trubetskoi O. A., Trubetskaya O. E. Reversed-phase high-performance liquid chromatography of the stable electrophoretic fractions of soil humic acids. Eurasian Soil Science, 2015. 48(2): 148–156.
  19. Сердюк О. П., Смолыгина Л. Д., Иванова Е. П., Трубецкая O. E., Трубецкой O. A., Обертюр Р. Ф. Фитогормональная активность гуминовых кислот, выделенных из почвы и компоста. Доклады Академии Наук, 1999. 365(3):
    430-432.
  20. Plant hormones: biosynthesis, signal transduction, action / Editor Davies P. J. – Netherlands: Springer, 2010. – 802 p.
  21. Борзенкова Р. А. Методы определения фитогормонов: твердофазный иммуноферментный анализ абсцизовой кислоты, ауксинов и цитокининов. Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2006. – 44 с.

Метки: Общая биология