Брянская область, Россия
Прослежены особенности накопления и перераспределения алкалоидов в прорас-тающем семени люпина узколистного, а также характер динамики количества алкалоидов в растениях узколистного люпина трех генотипов в процессе онтогенеза. Показаны особенности накопления данных соединений в разных условиях. Наиболее восприимчивым к изменению температурного режима вегетации у люпина узколистного являлся период «начало бобообразования — созревание».
алкалоиды, люпин узколистный, генотип, температура
Кормовая ценность люпина, обусловленная высоким содержанием в нем белка и жира, снижается из-за присутствия в растениях этой культуры алкалоидов — азотистых веществ основного характера, оказывающих токсическое действие на живой организм. В связи с расширением посевов люпина и использованием его на кормовые цели на этот признак следует обратить большое внимание, так как его содержание в растениях и семенах у разных генотипов может изменяться в 2–6 раз в зависимости от условий произрастания [1; 2]. Учитывая большую чувствительность люпина к изменению условий выращивания, а именно к наличию влаги, высоких температур, и влияние их на стабильность признака «алкалоидность», целью исследований являлось изучение характера динамики изменения содержания алкалоидов в прорастающем семени люпина и в растениях на разных стадиях онтогенеза, определение особенностей накопления этих веществ у изучаемых генотипов в разных условиях вегетации.
Материалы и методы. Материалом исследований служили сорта узколистного люпина, различающиеся по уровню содержания алкалоидов в семенах, проявившие различную степень развития признака в разные годы выращивания: Радужный (от 0,035 до 0,047 %), Кристалл (от 0,055 до 0,100 %), Брянский 1121 (от 0,100 до 0,200 %), оригинатором которых является ФНЦ «ВИК им. В. Р. Вильямса».
В лабораторных условиях была прослежена алкалоидность прорастающих семян. Проростки выращивали в рулонах, на стеллаже при 16-часовом освещении и температуре 24 ºС. В полевых условиях у трех генотипов люпина изучалось влияние температуры воздуха и его влажности на проявление признака «алкалоидность». Повышенные температуры создавались путем помещения части растений в пленочную теплицу.
В течение вегетационного периода в теплице и на открытом пространстве проводились замеры температуры и влажности воздуха. Контроль содержания алкалоидов осуществлялся на всех этапах онтогенеза по методике Ф. К. Терехова, в модификации ВНИИ люпина [3], для анализа использовались семена, проростки, целые растения.
Результаты исследований. Анализ результатов показал (табл. 1), что на самых ранних этапах прорастания семян (набухшие семена, второй день проращивания) происходил распад уже накопившихся в ходе созревания семян алкалоидов и содержание последних уменьшалось: у сорта Кристалл в 1,80, у сорта Радужный в 1,94 раза.
1. Изменение алкалоидности семян люпина узколистного
в процессе прорастания
Фаза развития |
Содержание алкалоидов,% на сухое вещество |
||
Сорта |
|||
Кристалл |
Радужный |
||
|
Исходные семена |
0,068 |
0,045 |
|
|
Набухшие семена |
нативные семена |
0,047 |
0,035 |
|
семядоли без оболочки |
0,070 |
0,049 |
|
|
зародыши |
0,073 |
0,052 |
|
|
1-й день проращивания |
нативные семена |
0,035 |
0,020 |
|
семядоли без оболочки |
0,040 |
0,030 |
|
|
зародыши |
0,081 |
0,052 |
|
|
2-й день проращивания |
нативные семена |
0,026 |
0,018 |
|
семядоли без оболочки |
0,039 |
0,024 |
|
|
зародыши |
0,086 |
0,056 |
|
|
3-й день проращивания |
позеленевшие семядоли (рост гипокотиля) |
0,078 |
0,056 |
|
6-й день проращивания |
проросток |
0,068 |
0,052 |
У обоих сортов в набухших семядолях без оболочки концентрация алкалоидов была выше, чем в нативных набухших семенах (семядоли с оболочкой). В процессе прорастания содержание алкалоидов в семядолях без оболочки снижалось, и на вторые сутки проращивания этот показатель у сорта Кристалл снижался в 1,79 раза, у сорта Радужный — в 2,04 раза. Отмечено перераспределение веществ данного класса, а именно: на фоне уменьшения содержания алкалоидов в семядолях наблюдалось увеличение их количества в зародышах, у сорта Кристалл с 0,073 до 0,086 %, у сорта Радужный с 0,052 до 0,058 %. На третий день проращивания наблюдалось позеленение семядолей (без оболочки) проростков и заметный прирост корешка зародыша.
Алкалоидность в семядолях в этот период возрастала как у сорта Кристалл (с 0,039 до 0,078 %), так и у сорта Радужный (с 0,024 до 0,056 %). Очевидно, этот рост был результатом синтеза алкалоидов de novo. Этот факт согласуется с данными о том, что биосинтез хинолизидиновых алкалоидов локализуется в хлоропластах клеток листьев и стеблей люпина [4]. К шестому дню развития проростка изучаемый показатель снижался; вероятно, за счет роста биомассы и вовлечения алкалоидов в процессы метаболизма.
Таким образом, при прорастании семени происходила мобилизация не только питательных веществ, сосредоточенных в семени, но и алкалоидов. Одновременно с этим имел место и синтез de novo соединений данного класса.
Исследования онтогенетических особенностей накопления алкалоидов и влияние температуры на их количественное содержание проводили в полевых условиях и условиях теплицы. Прослежена динамика количественного содержания алкалоидов в растениях трех генотипов люпина узколистного (табл. 2), которая свидетельствовала о том, что по мере развития растений содержание алкалоидов в них непрерывно изменяется. Причем тенденция изменения у изучаемых сортов (Кристалл, Радужный, Брянский 1121) одинаковая.
2. Динамика накопления алкалоидов растениями люпина узколистного
|
Сорт |
Фаза развития растения |
||||||||
|
раскрытие семядолей |
вторая пара настоящих листьев |
бутонизация |
начало цветения |
конец цветения |
начало образования бобов |
блестящий боб |
созревающие растения |
семена к уборке |
|
|
Содержание алкалоидов (% на сухое вещество, по спартеину) |
|||||||||
|
Естественные условия |
|||||||||
|
Радужный |
0,047 |
0,026 |
0,015 |
0,025 |
0,034 |
0,037 |
0,038 |
0,040 |
0,042 |
|
Кристалл |
0,065 |
0,030 |
0,018 |
0,030 |
0,039 |
0,042 |
0,049 |
0,053 |
0,058 |
|
Брянский 1121 |
0,107 |
0,070 |
0,050 |
0,056 |
0,069 |
0,078 |
0,092 |
0,097 |
0,110 |
|
Тепличные условия |
|||||||||
|
Радужный |
0,047 |
0,027 |
0,025 |
0,030 |
0,037 |
0,040 |
0,041 |
0,044 |
0,048 |
|
Кристалл |
0,065 |
0,035 |
0,030 |
0,035 |
0,043 |
0,046 |
0,056 |
0,068 |
0,092 |
|
Брянский 1121 |
0,107 |
0,093 |
0,065 |
0,068 |
0,075 |
0,080 |
0,098 |
0,108 |
0,234 |
С периода раскрытия семядолей алкалоидность уменьшалась. Практически у всех изучаемых генотипов снижение данного показателя длилось до фазы бутонизации. Вероятно, уменьшение данного признака можно объяснить превращением алкалоидов в другие азотистые вещества. Это подтверждает гипотезу, что алкалоиды не конечный продукт метаболизма, а участник биохимических реакций в растительной клетке [4].
С началом цветения их количество в целом растении увеличивалось и достигало максимальной величины в фазе «созревающие семена». К моменту уборки в семенах содержание алкалоидов было выше, чем в целом растении.
Условия вегетации в годы исследований (2003, 2005) не вызвали существенных изменений в накоплении семенами узколистного люпина алкалоидов. Так, семена сортов Кристалл и Радужный, использованные для посева, имели алкалоидность 0,065 и 0,047 %, а их новая генерация, полученная в естественных условиях, — 0,058 и 0,042 % соответственно. У генотипа Брянский 1121 увеличение данного показателя практически отсутствовало (0,107 и 0,110 %).
Растения, помещенные в тепличные условия, испытывали влияние более высокой температуры и более низкой относительной влажности воздуха.
Сумма положительных температур в теплице в среднем за вегетацию была на 174,8 ºС выше, чем на открытом пространстве, а влажность — ниже на 20 %. Несмотря на это, растения в теплице в периоды роста чувствовали себя более комфортно и даже опережали контрольные (естественные условия) по содержанию сухого вещества (табл. 3). Так, к фазе бутонизации растения изучаемых сортов в условиях теплицы накапливали сухого вещества в среднем в 1,7 раза больше, чем в естественных условиях. Эта тенденция сохранялась и к уборке. Сухая масса тепличных растений была больше, несмотря на это эффект биологического разбавления не проявился, и содержание алкалоидов у сортов, растущих в теплице, по всем изучаемым фазам онтогенеза было выше, чем в обычных условиях вегетации. В конечном итоге это отразилось на повышении алкалоидности семян: у сорта Кристалл в среднем в 1,5 раза (с 0,065 до 0,092 %), у сорта Брянский 1121 — в 2,2 раза (с 0,107 до 0,234 %). У сорта Радужный признак «алкалоидность» как в естественных условиях, так и в условиях теплицы был более стабилен.
Следует отметить, что коэффициенты варьирования изучаемого признака у сортов Радужный, Кристалл, Брянский 1121 в тепличных условиях были выше, чем в естественных условиях и составляли соответственно 18,5, 39,4, 46,7 % против 12,8, 32,4, 30,7 %. Эти данные свидетельствуют о том, что наибольшая изменчивость признака «алкалоидность» в естественных условиях, а также в условиях теплицы была характерна для сорта Брянский 1121.
3. Накопление сухого вещества растениями люпина узколистного
в разных условиях
|
Сорт |
Фаза развития растения |
||||||||
|
Раскрытие семядолей |
первая пара настоящих листьев |
вторая пара настоящих листьев |
Бутонизация |
Начало цветения |
Конец цветения |
Начало образования бобов |
Сизый боб |
Блестящий боб |
|
|
Сухое вещество, г/растение |
|||||||||
|
Естественные условия |
|||||||||
|
Радужный |
0,190 |
0,226 |
0,284 |
4,58 |
5,13 |
5,56 |
9,13 |
10,50 |
17,8 |
|
Кристалл |
0,194 |
0,230 |
0,306 |
4,85 |
5,35 |
5,66 |
9,34 |
12,18 |
17,9 |
|
Брянский 1121 |
0,186 |
0,236 |
0,334 |
5,76 |
6,40 |
6,88 |
10,03 |
12,08 |
19,5 |
|
Тепличные условия |
|||||||||
|
Радужный |
0,205 |
0,257 |
0,360 |
7,85 |
7,96 |
9,10 |
11,67 |
18,90 |
20,5 |
|
Кристалл |
0,200 |
0,272 |
0,330 |
8,18 |
8,52 |
9,96 |
11,85 |
19,15 |
24,2 |
|
Брянский 1121 |
0,190 |
0,264 |
0,384 |
9,82 |
9,90 |
11,46 |
13,05 |
20,96 |
29,5 |
Вероятно, генотипы (Радужный и Кристалл) обладают более сильным генетическим контролем признака «алкалоидность» и менее подвержены влиянию повышенной температуры воздуха.
Корреляционный анализ полученных данных позволил определить период, когда растение узколистного люпина наиболее чувствительно к изменению температурного режима: «начало бобообразования — созревание». В это время отмечены наибольшие коэффициенты корреляции между содержанием алкалоидов в целом растении и температурой воздуха: у сорта Радужный r = 0,83, у сорта Кристалл r = 0,60, у сорта Брянский r = 0,50.
Заключение. Таким образом, исследования показали, что в процессе вегетации растений люпина количество алкалоидов в целом растении непрерывно изменялось. Изменения их содержания носили онтогенетический характер. В полевых условиях с периода раскрытия семядолей люпина до конца цветения алкалоидность растения уменьшалась. Уменьшение данного показателя, очевидно, связано с биологическим разбавлением, а также превращением алкалоидов в другие азотистые вещества. Образование и развитие генеративных органов активизировали накопление алкалоидов в целом растении. Это согласуется с гипотезой о том, что алкалоиды не конечный продукт метаболизма, а участник биохимических реакций в клетке [4; 5].
Наиболее восприимчивым к изменению температурного режима вегетации у люпина узколистного являлся период «начало бобообразования — созревание».
Результаты исследований свидетельствуют о том, что признак «алкалоидность» из-за большой модификационной, а иногда и генетической, изменчивости требует постоянного контроля.
1. Романчук И. Ю., Анохина В. С. Алкалоиды люпина: строение, биосинтез, генетика // Молекулярная и прикладная генетика. - 2018. - Т. 25. - С. 108-122.
2. Анохина В. С., Цыбульская И. Ю. О возможности использования современных методических приемов анализа качественного состава комплекса алкалоидов лю-пина // Инновационные технологии в селекции и семеноводстве сельскохозяйст-венных культур : материалы Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 125-летию со дня рождения С. И. Жигалова. - Москва, 7-8 августа, 2006. - ВНИИССОК. - Т. 2. - С. 46-48.
3. Определение алкалоидов в люпине : методические рекомендации / А. И. Артю-хов, Т. В. Яговенко, Е. И. Афонина, Л. В. Трошина. - Брянск, 2012. - 16 с.
4. Wink M. Chemical defense of Leguminosae // Z. Naturforsch. - 1984. - № 6. - Т. 39. - Р. 548-552.
5. Трошина Л. В., Яговенко Т. В. Динамика накопления алкалоидов растениями люпина белого и действие на нее регуляторов роста // Инновационные разработки для развития отраслей сельского хозяйства региона : сб. науч. трудов по материалам науч.-практ. конф. с междунар. участием / ФГБНУ «Калужский НИИСХ». - Калуга, 2019. - С. 212-217.
