О Дубицький, Г Габрієль - Зміни активності глутамінсинтетази листків в онтогенезі озимої пшениці залежно від умов живлення - страница 1

Страницы:
1 

ВІСНИК ЛЬВІВ. УН-ТУ VISNYK OF L'VIV UNIV.

Серія біологічна. 2006. Вип. 42. С. 128-132    Biology series. 2006. Is. 42. P. 128-132

Фізіологія рослин

УДК 581.133

ЗМІНИ АКТИВНОСТІ ГЛУТАМІНСИНТЕТАЗИ ЛИСТКІВ В ОНТОГЕНЕЗІ ОЗИМОЇ ПШЕНИЦІ ЗАЛЕЖНО ВІД УМОВ ЖИВЛЕННЯ

О. Дубицький, Г. Габрієль

Інститут землеробства і тваринництва західного регіону УААН вул.Грушевського 5, с. Оброшине Львівська обл. 81115, Україна e-mail: agriwr@mail.lviv.ua

Досліджено активність глутамінсинтетази в листках озимої пшениці (Triticum aestivum L.) в ході її онтогенезу за різних умов живлення. З'ясова­но, що за оптимальних умов живлення активність глутамінсинтетази лист­ків в онтогенезі озимої пшениці досягає максимальних значень у фазах тру­бкування і колосіння, які супроводжуються інтенсивним ростом і збільшен­ням вегетативної маси рослин. Несприятливий режим живлення (низький вміст головних елементів живлення, низьке рН ґрунту за достатньо високо­го вмісту в ньому головних елементів живлення) призводить до зменшен­ням активності глутамінсинтетази листків та сповільнення приросту актив­ності цього ферменту в онтогенезі рослин. Залежність активності глутамін-синтетази листків від вмісту в них амонію й амідного азоту в онтогенезі озимої пшениці на ґрунтах з різним режимом живлення має переважно ві­д'ємні корелятивні зв'язки. Це свідчить, що іони амонію й аміди безпосере­дньо не задіяні в процесах індукції синтезу або активації глутамінсинтетази в ході онтогенезу рослин озимої пшениці.

Ключові слова: Triticum aestivum, поживний режим ґрунту, глутамінсинтета-за, амоній, аміди.

Головною формою асиміляції азоту в органічних сполуках, як відомо, є іони амо­нію. Численними дослідженнями з'ясовано [2, 6, 13], що в асиміляції амонійного азоту в амінокислоти і білки рослинної клітини важливе місце посідають ферменти глутаматсин-тетазного циклу. Ключовою серед цих ферментів є глутамінсинтетаза (ЕС 6.3.1.2). Дове­дено [4, 13-14], що глутамін, який утворюється за участю цієї ферментної системи, є од­нією з важливих форм первинної акумуляції і транспортування органічного азоту в рос­линному організмі. водночас у літературі мало висвітлені питання щодо адаптивних реа­кцій цієї ферментної системи рослин, у тому числі злакових, до змін умов живлення і вегетації. Це суттєво обмежує можливості оптимізації живлення і вирощування високих врожаїв цих культур на ґрунтах з різним поживним режимом. З огляду на це ми дослі­джували активність глутамінсинтетази листків озимої пшениці в ході її онтогенезу зале­жно від умов живлення і вегетації.

Дослідження проводили на озимій пшениці (Triticum aestivum L.) сорту Миронів-ська 61, яку вирощували у 2003-2004 рр. після конюшини лучної в умовах стаціонарного досліду "Вплив довготривалого застосування добрив і вапнування на режим живлення світло-сірого лісового ґрунту" Інституту землеробства і тваринництва західного регіону Української академії аграрних наук. Для вивчення вібрано такі три групи дослідних діля­нок (варіанти) з контрастними режимами живлення, мг/100 г ґрунту: а) оптимальний по­живний режим ґрунту (варіант 1): азот загальний - 114,0, P2O5 - 16,5, K2O - 13,8 (pHKCl 5,36, алюміній обмінний - 0,23), легкозасвоювані форми азоту на початку фази

© Дубицький О., Габрієль Г., 2006весняного відростання - лужногідролізований азот - 9,83, NO3- - 0,50, NH4+ - 1,25; б) по­живний режим ґрунту з низьким вмістом елементів живлення та кислішою реакцією ґрунтового розчину (варіант 2): азот загальний - 112,0, P2O5 - 6,5, K2O - 4,0 (pHKci 4,02, алюміній обмінний - 13,70), легкозасвоювані форми азоту на початку фази весняного відростання: лужногідролізований азот - 6,97, NO3- - 0,26, NH4+ - 2,20; в) поживний ре­жим ґрунту, з достатньо високим вмістом головних елементів живлення та сильно кис­лою реакцією ґрунтового розчину (варіант 3): азот загальний - 137,0, P2O5 - 26,8, K2O -16,8 (pHKCl 3,70, алюміній обмінний - 15,20).

Зразки відбирали загальноприйнятими методами [8] з трьома біологічними повто­реннями. Активність глутамінсинтетази визначали в екстрактах верхніх листків озимої пшениці. Екстракти отримували шляхом гомогенізації листків в охолодженому (4°С) 0,05 М трис-HCl буфері (рН 7,3), що містив 0,5 мМ цистеїн, 1,0 мМ MgSO4, 2,0 мМ ЕД-ТА. Гомогенат витримували 30 хв на холоді (4оС) і центрифугували при 3 000 g протягом 5 хв. Надосадову рідину використовували для визначення активності ферменту. Актив­ність глутамінсинтетази визначали за гідроксаматсинтетазною реакцією [9]. Реакційне середовище (2,25 мл) містило, мМ: глутамат натрію - 110, NH2OH - 45, MgSO4 - 45, ATPNa2 - 10, трис - 0,05 (рН 7,3), екстракт тканини - 0,2 мл. Реакцію проводили при температурі 37°С протягом 15 хв. Активність ферменту розраховували у мікромолях утвореного у-глутамілгідроксамату за 1 хв на 1 мг білка екстракту тканини. Кількість утвореного гідроксамату виявляли за реакцією з реактивом хлорного заліза [3, 11]. Білок визначали за Лоурі [12].

Статистичний аналіз результатів досліджень виконували з використанням комп' ю-терних програм Exel 7.0. У дослідах використовували реактиви кваліфікації хч або чда фірми ("Сінбіас").

З' ясовано, що активність глутамінсинтетази в листках озимої пшениці між дослідни­ми варіантами суттєво відрізняється. Найвища активність цього ферменту простежена на варіанті з оптимальним поживним режимом ґрунту (варіант 1). За цих умов у період інтен­сивного росту рослин (фаза трубкування) активність глутамінсинтетази листків озимої пшениці становила 0,264±0,012 мкмоль у-глутамілгідроксамату /хвхмг білка, а на варіантах 2 і 3 з несприятливими умовами живлення (низький вміст основних елементів живлення, низьке рН ґрунту за достатнього вмісту в ньому основних елементів живлення) - відповід­но, 0,123±0,014 і 0,084±0,008 мкмоль у-глутамілгідроксамату/хвхмг білка. Це становить 46 і 32% від рівня активності цього ферменту в листках озимої пшениці на варіанті 1.

Значні відмінності між варіантами з різним поживним режимом ґрунту виявлені також у динаміці активності глутамінсинтетази листків пшениці в ході її онтогенезу. На­приклад, у листках рослин варіанта 1 цю залежність характеризує параболічна крива з максимумом у фазах трубкування і колосіння, у яких рівень активності глутамінсинтета-зи досягає 129-138% від рівня активності цього ферменту у фазі весняного відростання (рис. 1). На варіантах 2 і 3 з несприятливим режимом живлення збільшення активності глутамінсинтетази в ході вегетації відбувається повільніше. Воно досягає максимальних значень у фази цвітіння і молочної стиглості рослин і становить 155-160% від рівня акти­вності цього ферменту у фазі весняного відростання. Подібні залежності отримані нами на цих же дослідних варіантах стосовно динаміки активності нітратредуктази листків озимої пшениці в ході її онтогенезу [1]. Це свідчить про тісний взаємозв'язок процесів відновлення нітратів і асиміляції амонію в амінокислотах і білках рослин за різних умов живлення і вегетації.мкмоль ГГК/хвхмг білка

Очевидно, що неодно­значність динаміки активності глутамінсинтетази на варіантах з різним режимом ґрунтового живлення треба трактувати як 0,25 прояв метаболічної адаптації рослин до зміни умов живлення в процесі вегетації рослин. Ме­ханізми такої адаптації сьогодні не зовсім зрозумілі. За даними низки авторів, синтез і актив­ність глутамінсинтетази мо­жуть модулювати солі амонію [2, 5, 7], аміди амінокислот (глютамін) [3, 5, 14], деякі вуг­лецеві метаболіти (сахароза) [10, 13, 14]. У цій статті наведе­но дані про залежність активно­сті досліджуваного ферменту в листках озимої пшеїшці в ході Рис. 1. Активність глутамінсинтетази у верхніх листках ози-.... •       • мої пшениці Миронівська-61 в ході її онтогенезу зале-

її онтогенезу від вмісту в них жно від поживного режиму ґрунту. Фази онтогенезу:

1 - весняне відростання; 2 - трубкування; 3 - колосін-

0,30

0,20

0,15

0,10

0,05

0,00

1

2

3

1

2

3

4

5

Фази онтогенезу

ня; 4 - цвітіння; 5 - молочна стиглість. Активність глутамінсинтетази, мкмоль ГГК -глутамілгідроксамату/хвхмг білка: 1 - оптимальний поживний режим ґрунту (pHKci 5,36); 2 - поживний режим ґрунту з низьким вмістом елементів живлення та кислою реакцією ґрунтового розчину (pHKCl 4,02); 3 - поживний режим ґрунту з достатньо високим вміс­том головних елементів живлення та сильно кислою реакцією ґрунтового розчину (pHKCl 3,70).

іонів амонію та амідного азоту.

Виявлено, що рівень амо­нію й амідного азоту в листках озимої пшениці мало відрізня­ється між варіантами досліду з різними режимами живлення і в ході онтогенезу рослин посту­пово зменшується, причому особливо різко на кінцевих ета­пах вегетації рослин (рис. 2). Залежність активності глутамінсинтетази листків від вмісту в них амонію й амідного азоту в онтогенезі озимої пшениці на досліджуваних варіантах має переважно від'ємні корелятивні зв'язки (див. табл. 1). Це свідчить, що іони амонію й аміди навряд чи можуть бути задіяні в процесах індукції синтезу або активації глутамін-синтетази в ході онтогенезу рослин озимої пшениці. Потенційно вони можуть функціону­вати лише як обмежувальні чинники регулювання активності цього ферменту.

Отже за оптимальних умов живлення активність глутамінсинтетази листків в онто­генезі озимої пшениці досягає максимальних значень у фазах трубкування і колосіння, які супроводжуються інтенсивним ростом і збільшенням вегетативної маси рослин. Не­сприятливий режим живлення (низький вміст головних елементів живлення, низьке рН ґрунту за достатнього вмісту в ньому головних елементів живлення) призводить до змен­шенням активності глутамінсинтетази листків та сповільнення приросту активності цього ферменту в онтогенезі рослин. Залежність активності глутамінсинтетази листків від вміс­ту в них амонію й амідного азоту в онтогенезі озимої пшениці на ґрунтах з різним режи­мом живлення має переважно від' ємні корелятивні зв' язки. Це свідчить, що іони амонію й аміди безпосередньо не задіяні в процесах індукції синтезу або активації глутамінсин-

ЗМІНИ АКТИВНОСТІ ГЛУТАМІНСИНТЕТАЗИ ...

мг/100г

12,0

-

10,0

-в1

8,0

2

6,0

-

4,0

-

2,0

-

0,0

 

Азот амідн. мг/100г

12,0 10,0

8,0

6,0

4,0

2,0

0,0

1 2        3        4        5 1        2       3       4 5

Фази онтогенезу Фази онтогенезу

Рис. 2. Зміни вмісту амонію й амідів у верхніх листках озимої пшениці Миронівська-61 в ході її онтогенезу залежно від поживного режиму ґрунту. Фази онтогенезу: 1 - весняне відрос­тання; 2 - трубкування; 3 - колосіння; 4 - цвітіння; 5 - молочна стиглість; а - вміст амо­нію, мг/100 г тканини; б - вміст амідного азоту, мг/100 г тканини.

Кореляційна залежність активності глутамінсинтетази в листках від вмісту в них різних форм азоту в онтогенезі озимої пшениці Миронівська 61

_Коефіцієнт кореляції, r_

NH4+ мг/100 г тканини__Азот амідн. мг/100 г тканини

-0,65 +0,14 p = 86,1 p = 0,18

-0,84 -0,84 p = 99,2                                    p = 99,2 -0,65 -0,97 _p = 85,6_p = 99,9_

Варіант досліду

Примітка. р - вірогідність коефіцієнта кореляції.

тетази в ході онтогенезу рослин озимої пшениці. Найвірогідніше рівень синтезу й акти­вності глутамінсинтетази в листках озимої пшениці в ході її онтогенезу регульований передусім чинниками, що визначають ріст і розвиток рослин, у тому числі інтенсивніс­тю метаболічних і фотосинтетичних процесів.

1.

2.

3.

4. 5.

6.

Дубицький О. Л. Активність нітратредуктази листків в онтогенезі озимої пшениці в залежності від поживного режиму ґрунту// Молодь і поступ біології: Тези доп. пер­шої міжнар. конф. студентів та аспірантів. Львів: СПОЛОМ, 2005. С. 247. Евстигнеева З. Г. Глутаматсинтазный цикл у растений// Прикл. биохимия и микробиология. 1993. Т. 29. № 1. С. 251-253.

Евстигнеева З. Г., Громыко Е. А., Асеева К. Б. Оределение активности глютамин-синтетазы // Прикл. биохомия и микробиология. 1972. Т. 8. № 1. С. 251-253. Измайлов С. Ф. Азотный обмен в растениях. М.: Наука, 1986. 320 с. Ким Э. Э., Быкова Е. В., Евстигнеева З. Г. и др. Ферменты ассимиляции аммиака у пшеницы и регуляция их синтеза // Прикл. биохимия и микробиология. 1990. Т. 26. № 3. С. 364-369.

Кретович В. И. Усвоение и метаболизм азота у растений. М.: Наука, 1987. 487 с.

NH4+

7. Садунишвили Т. А. Метаболические пути ассимиляции аммония в корнях фасоли // Физиол. и биохимия культ. растений. 2000. Т. 32. № 1. С. 35-40.

8. Сирота Ф. Н. Основи аналітичної хімії та сільсько-господарський аналіз. К.: Вища

школа, 1970. 222 с.

9. Elliott W. H. Isolation of glutamine synthetase and glutamotransferase from green peas // J. Biol. Chem. 1953. Vol. 201. N 2. P. 661-672.

10. Lam H.-M., Peng S. S.-Y, Coruzzi C. M. Metabolic regulation of the gene enconding glutamine-dependent asparagines synthetase in Arabidopsis thaliana // Plant. Phisiol. 1994. Vol. 106. N 4. P. 1347-1357.

11. Lipmann F., Tuttle L. C. A specific micromethod for the determination of acyl phos­phates // J. Biol. Chem. 1945. Vol. 159. N 1. P. 21-28.

12. Lowry J. H., RosenbroughtN. J., Farr A. L. et al. Protein measurements with the Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. 1951. Vol. 193. N 1. P. 265-275.

13. Miflin B. J., Habash D. Z. The role of glutamine synthetase and glutamate dehydro­genase in nitrogen assimilation and possibilities for improvement in the nitrogen utiliza­tion of crops // J. Experiment. Botany. 2002. Vol. 53. N 370. P. 979-987.

14. Oliveira I. C., Brenner E., Chiu J. et al. Metabolite and light regulation of metabolism in plants: lessons from the study of a single biochemical pathway // Braz. J. Med. Biol. Res. 2001. Vol. 34. N 5. P. 567-575.

CHANGES OF LEAVES GLUTAMINE SYNTHETASE ACTIVITY DURING ONTOGENESIS WINTER WHEAT DEPENDING ON NUTRITION CONDITION

A. Dubitsky, A. Gabriel

Institute of Agriculture and Stockbreeding of West Region UAAS 5 Grushevskogo St., v. Obroshyno, Lviv District, 81115, Ukraine e-mail: agriwr@mail.lviv.ua

The activity of glutamine synthetase (EC 6.3.1.2) within winter wheat (Triticum aestivum L.) leaves during plant ontogenesis under different nutrition conditions was studied. It is established, that under optimal nutrition conditions the leaves glutamine synthetase activity reaches of maximum quantity during stalking phase and spiking phase, id est during the phases, that are characterized by the intensive plant growth rate and the plant vegetative weight accession. The unfavorable soil nutrition regime (low level of the basic nutrition elements, low soil pH value in common with sufficient high levels of the basic nutrition ele­ments) drive to the diminished leaves glutamine synthetase activity and slow-ing-down of this enzymatic activity increment during plant ontogenesis. During winter wheat ontogenesis on the soils with different nutrition regimes, the de­pendence leaves glutamine synthetase activity on the ammonium and amide nitrogen contents in the leaves mainly characterize by negative correlate rela­tions. Thus, results indicate that ammonium ions and amides are not involved directly in processes of synthesis induction or activation of the glutamine syn-thetase during winter wheat ontogenesis.

Key words: Triticum aestivum, soil nutrition regime, productivity, glutamine synthtase, ammonium, amides.

Стаття надійшла до редколегії 19.10.05 Прийнята до друку 03.04.06

Страницы:
1 


Похожие статьи

О Дубицький, Г Габрієль - Зміни активності глутамінсинтетази листків в онтогенезі озимої пшениці залежно від умов живлення