11427 (Вплив тривалості фотоперіоду на нітратний обмін у рослин різних фотоперіодичних груп)

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

ТИМОШЕНКО

Вячеслав Володимирович

УДК 581.133.1:581.1.1.035.2

ВПЛИВ ТРИВАЛОСТІ ФОТОПЕРІОДУ НА НІТРАТНИЙ ОБМІН У РОСЛИН РІЗНИХ ФОТОПЕРІОДИЧНИХ ГРУП

03.00.12 – фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ-2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, м. Харків.

Науковий керівник: кандидат біологічних наук, доцент Жмурко Василь Васильович Харківський національний університет ім. Каразіна

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук Швартау Віктор Валентинович Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, завідувач відділу;

кандидат біологічних наук Негрецький Віктор Андрійович Інститут ботаніки ім. Холодного НАН України, старший науковий співробітник

Захист відбудеться “19” червня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 при Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ 22, ул. Васильківська, 31/17.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ 22, ул. Васильківська, 31/17.

Автореферат розісланий “19” травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор біологічних наук Є.Ю. Мордерер

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нітратний обмін – основне джерело мінерального азоту для синтезу функціональних і структурних білків (Измайлов, 1986), які відіграють провідну роль у життєдіяльності рослин, зокрема, в регуляції їх росту і розвитку. Нітратний обмін у рослин досліджений досить детально. Встановлені механізми поглинання та транспорту нітратів (Ткачук, 2004), їх відновлення (Lillo et al., 2004), генетичної регуляції поглинання (Orsel et al., 2002) та відновлення нітратів (Stitt et al., 2002), впливу відновлених форм азоту (Fraisier et al., 2000; Matt et al., 2001), вуглеводів (Klein et al., 2000; Lejay et al., 1999, 2003), фітогормонів (Ткачук и др., 1991; Москалик, 2003) на ці процеси. На нітратний обмін істотно впливають фактори зовнішнього середовища, перш за все, інтенсивність освітлення і температура (Пешкова, 1998; Lejay et al., 2003). Тривалість фотоперіоду істотно впливає на метаболічні процеси у рослин, у тому числі й на азотний обмін. Показано, що у довгоденних і короткоденних рослин за сприятливих фотоперіодичних умов підвищується інтенсивність перетворення продуктів асиміляції у азотвмісні сполуки (Цыбулько, 1998). Чайлахян показав вплив нітратного живлення на перехід до цвітіння рослин різних фотоперіодичних груп (Чайлахян, 1988). Берн’є зі співавт. показали, що індукція цвітіння гірчиці одним довгим фотоперіодом за надміру нітратів у середовищі послаблюється (Бернье и др., 2002). Однак, у літературі практично відсутні дані про вплив тривалості дня на обмін нітратів у різних фотоперіодичних груп рослин. Необхідною умовою нітратного обміну рослин є його достатнє забезпечення енергією, а також вуглецевими скелетами для включення відновленого нітратного азоту (Измайлов, 1986). Проте, енергетичне та пластичне забезпечення обміну нітратів у рослин за різної тривалості фотоперіоду не досліджено. Оскільки тривалість фотоперіоду визначає темпи розвитку рослин, їх розповсюдженість по зонах вирощування, адаптивність, продуктивність і якість урожаю (Цыбулько, 1998), а нітратний обмін є одним із центральних у життєдіяльності рослин, вивчення особливостей азотного обміну у зв’язку з фотоперіодичною реакцією має вагоме наукове і прикладне значення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна у відповідності з темою науково-дослідної роботи „Закономірності фізіолого-біохімічної та структурно-функціональної адаптації біологічних систем до факторів середовища в онтогенезі”, номер державної реєстрації 0103U005743.

Мета і завдання досліджень. Мета роботи – вивчити вплив тривалості фотоперіоду на нітратний обмін та його енергетичне забезпечення у листках довгоденних, короткоденних та фотоперіодично нейтральних рослин.

Для досягнення мети були поставлені задачі дослідити у довгоденних, короткоденних та фотоперіодично нейтральних рослин за різного фотоперіоду:

1) динаміку вмісту нітратів у фотоперіодичному циклі;

2) нітратредуктазну активність (НРА);

3) фотохімічну активність хлоропластів (ФХА) та вміст хлорофілу;

4) вміст НАДФ(Н) та НАД(Н) у світловий період.

Об’єкт дослідження: рослини з різною реакцією на тривалість фотоперіоду.

Предмет дослідження: нітратний обмін у зв’язку з темпами розвитку рослин різних фотоперіодичних груп за різної тривалості дня.

Методи досліджень – біохімічні, потенціометричні, спектрофотометричні, статистичні, методи польового та вегетаційного досліду.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше досліджено динаміку вмісту нітратів у фотоперіодичному циклі, нітратредуктазну активність, фотохімічну активність хлоропластів та вміст НАДФ(Н) та НАД(Н) у довгоденних, короткоденних та фотоперіодично нейтральних рослин. Показано, що інтенсивність обміну нітратів, фотохімічна активність хлоропластів, окиснення НАДФН та НАДН у довгоденних і короткоденних рослин за сприятливих фотоперіодичних умов вищі, ніж за несприятливих фотоперіодичних умов. У фотоперіодично нейтральних рослин на короткому дні ці процеси за характером подібні до їх змін у короткоденних рослин. Сформульоване нове положення про те, що за сприятливих фотоперіодичних умов у довгоденних і короткоденних рослин інтенсивний нітратний обмін та його достатнє енергетичне забезпечення є вагомою умовою достатнього постачання відновленим азотом синтезу білка. Це сприяє посиленню азотного обміну, що є одним з вагомих факторів, які обумовлюють більш ранній перехід рослин до цвітіння за сприятливої тривалості дня, ніж за несприятливої. У фотоперіодично нейтральних рослин, які не змінюють темпів розвитку за різного фотоперіоду, інтенсивність обміну нітратів на довгому дні достатня для забезпечення білкового обміну, а більш висока її інтенсивність на короткому дні забезпечує такий рівень обміну білку, який дозволяє їм нормально розвиватися за цих умов.

Наукове та практичне значення одержаних результатів. Результати дослідження істотно доповнюють і розширюють існуючі уявлення про роль азотного обміну у фотоперіодичній реакції рослин. Доведено, що тривалість фотоперіоду є одним з визначальних зовнішніх факторів поглинання та редукції нітратів, та енергетичного їх забезпечення. Показано, що обмін нітратів – одна з вагомих складових метаболічної регуляції темпів розвитку рослин за різного фотоперіоду, бо він визначає рівень забезпечення мінеральним азотом білкового обміну. Характер цього процесу зумовлює швидкість розвитку рослин, що, у кінцевому рахунку, проявляється у зміні темпів їх переходу до цвітіння.

Одержані результати можуть бути враховані у системах удобрення с.-г. рослин у різних агроекологічних зонах, оскільки рівень обміну нітратів залежить від тривалості дня, яка у різних зонах вирощування є різною. Науковий доробок використовується при читанні спеціальних курсів з фізіології рослин та мінерального живлення, лабораторних роботах з курсу підготовки бакалаврів та магістрів кафедри фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету.

Особистий внесок здобувача. Дисертант самостійно опрацював літературу за темою дисертації, обґрунтував мету і задачі досліджень, спланував експерименти, оволодів необхідними методами, виконав дослідження і статистично обробив їх результати. За участю наукового керівника проаналізував отримані результати та підготував наукові публікації.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були представлені на VIII Українському біохімічному з’їзді (Чернівці, 1-3 жовтня 2002), IX конференції молодих дослідників “Актуальні проблеми фізіології, генетики та біотехнології рослин і ґрунтових мікроорганізмів” (Київ, 24-25 лютого 2005), Всеукраїнській науково-практичній конференції “Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин” (Дніпропетровськ, 5-6 квітня 2005), семінарі молодих учених, аспірантів і студентів (Харків, 5-6 жовтня 2005), ІІ Міжнародній науковій конференції студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології” (Львів, 21-24 березня 2006), ХІІ з’їзді українського ботанічного товариства (Одеса, 15-18 травня 2006), І міжнародній конференції молодих учених “Біологія: від молекули до біосфери” (Харків, 21-23 листопада 2006).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані у 12 працях, у тому числі 5 статей у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, узагальнень, висновків, списку використаних джерел. Робота викладена на 150 сторінках, ілюстрована 16 таблицями і 22 рисунками. Список використаних джерел містить 219 найменувань, у тому числі 138 найменувань латиницею.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Огляд літератури. В розділі узагальнені і проаналізовані сучасні уявлення про механізми поглинання та відновлення нітратів у рослин, шляхи регуляції цих процесів, вплив на поглинання та відновлення нітратів факторів середовища, а також про азотний обмін та фотосинтез у довгоденних і короткоденних рослин за різної тривалості дня. Обґрунтована доцільність дослідження обміну нітратів та його енергетичного забезпечення у довгоденних, короткоденних та фотоперіодично нейтральних рослин у зв’язку з темпами розвитку за різної тривалості фотоперіоду.

Матеріали, умови і методи проведення досліджень.

У дослідах використані: довгоденні рослини (ДДР) – овес посівний (Avena sativa L.), сорт Мирний і ярий ріпак Миколаївський місцевий (Brassica napus var. oleifera L.); короткоденна рослина (КДР) – просо (Panicum miliaceum L.), сорт Харківське кормове, фотопериодично нейтральна рослина (ФНР) – просо К 3218, ізогенні за генами ЕЕ лінії сої (Glycine max, /L./Merr.) сортів Harosoy та Clark з короткоденною (ЕЕ) та фотоперіодично нейтральною (ее) реакцією.

Польові досліди проводили на експериментальній ділянці кафедри фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна у ботанічному саду університету (м. Харків). Ґрунт дослідної ділянки – чорнозем опідзолений важкосуглинковий (Гринь, 1955); рН водний ґрунту – 6,7, вміст гумусу – 3, 7%, вміст NO₃^- – 41,16 мг/кг ґрунту, валовий вміст азоту – 0,21%, фосфору – 0,12%, калію – 2,8%, азоту, що легко гідролізується – 3,8 мг/100 г ґрунту. Від сходів до фази третього листка рослини вирощували на природному довгому дні (близько 16 годин на широті Харкова). Потім одну частину рослин піддавали дії короткого (10-годинного) фотоперіоду, а іншу продовжували вирощувати на довгому. Фотоперіод скорочували, затемнюючи рослини світлонепроникними камерами з 18 до 8 години. Завдяки наявності системи отворів у камерах підтримувався належний газообмін, коливання температур назовні та всередині камер складало 1-2 °С.

У факторостатній камері рослини вирощували у ґрунтовій культурі у 2-літрових вегетаційних посудинах, по 10-15 рослин на посудину, у 4-5 разовій повторності. Ґрунт –чорнозем у співвідношенні 3:1 з піском. Впродовж двох-трьох тижнів після сходів рослини вирощували на 16-годинному освітленні, потім одну частину із них переводили на 10-годинне освітлення, а іншу – продовжували вирощувати на 16-годинному. Інтенсивність освітлення складала 18-20 клк, температура – 22-25 °С вдень та18-20°С вночі.

Для біохімічних аналізів відбирали другий-третій листок від верхівки, у різні години доби, водночас на довгому та короткому дні. Час відбору проб вказаний на рисунках та у таблицях до відповідних розділів. Активність нітратредуктази (К.Ф. 1.6.6.1-1.6.6.3), фотохімічну активність хлоропластів, вміст НАДФ(Н) і НАД(Н) визначали у нефіксованих листках, а вміст нітратів та хлорофілу – у фіксованому матеріалі. Вміст нітратів визначали за Починком-Гриссом, нітратредуктазну активність – in vivo методом Мульдера (Методы биохимического исследования растений, 1972), фотохімічну активність хлоропластів – спектрофотометричним методом з гексаціано(ІІІ)фератом калію, вміст хлорофілу – за Mac-Kinney, (Гавриленко и др., 1975), вміст НАДФ(Н) і НАД(Н) – за Слайтером у модифікації Телепньової (Методы биохимических исследований, 1982). Експериментальні дані оброблені статистично за критерієм Ст’юдента (Доспехов, 1985). У таблицях та на рисунках наведені середні з визначень та їх похибки.

Результати досліджень та їх обговорення. Динаміка вмісту нітратів у фотоперіодичному циклі. Темпи розвитку довгоденних і короткоденних рослин визначаються співвідношенням тривалості світлового і темнового періодів у добовому циклі (Чайлахян, 1988). Згідно Цибулько (1998), інтенсивність накопичення продуктів асиміляції, переважно вуглеводів, їх перетворення та відтікання до меристем зростає у довгоденних рослин в умовах довгого дня та короткої ночі, а у короткоденних рослин, навпаки, в умовах короткого дня та довгої ночі. Це дало підстави припустити, що і вміст нітратів змінюється у фотоперіодичному циклі. Тому ми вивчали динаміку вмісту нітратів та сумарне їх накопичення за світловий період і зміну вмісту за темновий період довгоденного і короткоденного фотоперіодичного циклу.

Зазначимо, що вміст нітратів у довгоденних рослин у всі години визначення фотоперіодичного циклу, а у короткоденних та фотоперіодично нейтральних – у вранішні години, на короткому дні був вищим, ніж на довгому.