EFFECT OF EXOGENOUS AMINO ACIDS ON FROST RESISTANCE AND DROUGHT TOLERANCE OF CEREAL CROPS

Котляров Д.В.¹, Котляров В.В.², Федулов Ю.П.³

¹ORCID: 0000-0003-3482-3593, Кандидат биологических наук, Кубанский государственный аграрный университет, КубГАУ, ²Доктор Сельскохозяйственных наук, Кубанский государственный аграрный университет, КубГАУ, ³Доктор биологических наук, Кубанский государственный аграрный университет, КубГАУ

ВЛИЯНИЕ ЭКЗОГЕННЫХ АМИНОКИСЛОТ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ И ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТЬ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР

Аннотация

В статье представлены результаты исследований влияния экзогенных аминокислот на основе пролина на морозостойкость растений озимого ячменя (в условиях контролируемого климата). Результаты экспериментов показали, что аминокислота пролин в чистом виде, хотя и оказывает положительное воздействие на устойчивость растений к низким температурам, остается малоэффективной от 0 до 40% в зависимости от варианта обработки. В тоже время, используя эту аминокислоту в комплексе с другими аминокислотами, играющими роль в процессах формирования зимостойкости, эффективность обработки растений достигала 60% и более. Было так же выявлено, что генетически обусловленная зимостойкость сортов влияет на эффективность применения экзогенных аминокислот для защиты растений от повреждения низкими температурами, а это предположительно обусловлено отсутствием в слабозимостойких сортах физиолого-биохимических процессов направленных на снижение повреждений тканей растений от воздействия отрицательных температур. Выявлено так же, что эффективность применения испытуемого комплекса аминокислот несколько снижалась при критически низких отрицательных температурах (от 76 % до 43 %), но, в тоже время, оставалась достаточно высокой.

Ключевые слова: аминокислоты, пролин, озимый  ячмень, яровая пшеница,  морозоустойчивость, засухоустойчивость.

Kotlyarov D.V.¹, Kotlyarov V.V.²_, Fedulov Y.P.³

¹ORCID: 0000-0003-3482-3593, PhD in Biology, Kuban State Agrarian University, KubGAU, ²PhD in Agriculture, Kuban State Agrarian University, KubGAU, ³PhD in Biological Sciences, Kuban State Agrarian University, KubGAU

EFFECT OF EXOGENOUS AMINO ACIDS ON FROST RESISTANCE AND DROUGHT TOLERANCE  OF CEREAL CROPS

Abstract

The article presents the research results of the influencing of exogenous amino acids, primarily proline on the plant resistance of winter barley to freezing temperatures (in a controlled climate). Results of the experiments showed that the pure amino acid proline, provide a low positive effect on plant resistance to low temperatures, from 0 to 40% depending on the trial options. At the same time application of the amino acid proline in combination with other amino acids which plays an important role in the formation of plant tolerance to low temperatures has increase  the effectiveness  until  76% . It was also discovered that genetically cold tolerance makes an effects on the affectivity of exogenous amino acids to protect plants from damage by low temperatures. That is probably due to missing of physiological and biochemical processes reducing plant damages by low temperatures in this varieties. Also revealed that the efficiency of application of the amino acid complex decreased slightly at extremely low temperatures (76% versus 43%) at the same time sting high effective in all the experiments.

Keywords: amino acid, proline, winter barley, spring wheat,   frost resistance, drought tolerance

Отечественное сельскохозяйственное производство из-за расположения большей его части в зоне рискованного  земледелия  нуждается  в придании растениеводству широких адаптивных возможностей. Одним из путей решения этой задачи является выведение сортов сельскохозяйственных культур устойчивых к экстремальным климатическим факторам, и прежде всего, к засухам и неблагоприятным условиям перезимовки. [6, С.147-156.].

С другой стороны, на сегодняшний день далеко не полностью исчерпаны возможности повышения адаптивного потенциала агроценозов за счёт совершенствования  технологий возделывания сельскохозяйственных культур. В настоящее время неотъемлемой частью современных технологий растениеводства стало использование регуляторов роста растений [3, C. 81-87], [7]. Учитывая высокую технологичность применения таких препаратов и значительный экономический эффект от их использования, во всём мире идёт интенсивный поиск новых рострегуляторов. Скрининг этих веществ направлен в первую очередь на выявление их способности повышать продуктивность растений. При этом  число исследований, направленных на поиск препаратов, усиливающих адаптационные возможности растений к неблагоприятным факторам среды, весьма ограничено, хотя неблагоприятные погодные факторы, особенно в период перезимовки озимых культур, приводят к значительным потерям урожая.

Принимая во внимание длительность и сложность повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к неблагоприятным факторам среды селекционным путем поиск биологически активных соединений, способных повысить устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды представляется весьма перспективным направлением в системе мер как повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, так и расширения ареала их возделывания.

К числу веществ, оказывающих влияние на морфофизиологические параметры растений, относятся и аминокислоты (АК). Этот класс веществ с точки зрения их регуляторной и сигнальной функции начал исследоваться только в последние десятилетия и главным образом на животных организмах. Для растительных организмов приводятся в основном данные о влиянии АК на морфологические признаки. Так, показано, что экзогенный метионин способствует формированию более крупных проростков, ослабляет токсическое действие гербицида 2,4-Д на пшенице [5], что позволяет повысить продуктивность фитоценоза и получать более качественную продукцию.

Достаточно хорошо известно участие пролина в реакциях, обеспечивающих устойчивость растений к различным формам стресса [14].

Описано, что акклиматизация к низким температурам растений сопровождается накоплением ряда аминокислот, в частности пролина, глутамина и глутаминовой кислоты [13]. Однако прямой связи между степенью накопления какой-либо из этих АК и устойчивостью растений к низким температурам выявлено не было.

Значительное количество исследований посвящено роли пролина в реакции растений на стрессовые факторы. Полагается, что эта АК в процессе адаптации к стрессам участвует в регуляции осмотических процессов в растениях [10].

Несмотря на то, что в настоящее время нет чёткого понимания того, что увеличение содержания пролина в растениях, как при отрицательных температурах, так и при дефиците влаги, является результатом воздействия низких температур или это связанно с низкой активностью водного обмена в растительных клетках в этих условиях.

Для отдельных культур существуют методики селекции, основанные на использовании показателя содержания пролина в листьях. В частности выявлена положительная корреляция устойчивости картофеля к заморозкам с высоким содержанием пролина в тканях его растений, что позволило предложить этот показатель для отбора устойчивых к заморозкам линий картофеля [8].

Изменения содержания АК в процессе закалки может быть обусловлено изменением активности ряда ферментов.

Так, выявлено, что в растениях люцерны в процессе перезимовки увеличивается активность фосфатаз и пероксидаз [12, Р.375–393], а у ряда других растений было обнаружено повышение активности оксидоредуктаз в процессе закалки [9].

Таким образом, процесс акклиматизации растений к неблагоприятным факторам сопровождается существенными изменениями в АК обмене растений. В связи с этим нами было исследовано влияние экзогенных АК на акклиматизацию озимых культур к таким важнейшим повреждающим факторам как низкие отрицательные температуры и засуха.

Методика исследования.

Опыты по оценке влияния АК морозоустойчивость проводили на двух сортах озимого ячменя селекции Кубанского ГАУ, различающихся по морозоустойчивости. Сорт Кубагро-1 характеризуется высокой морозоустойчивостью [1, С. 1245-1252], а сорт Агродеум имел существенно более низкий уровень морозоустойчивости [4, С.177-184].

Опыты проводили трёхкратной повторности.

Для каждого варианта опыта (промораживание до -13⁰С и до -11⁰С) в контейнерах высевали 7 рядов по 15 семян каждого из сортов и ставили на выращивание на вегетационную площадку в естественные климатические условия.  В фазе 5-го листа, за 15 дней до начала промораживания растения обрабатывали водными растворами различных АК по следующей схеме:

• Контроль (обработка водой);
• Пролин (10 г/га);
• Пролин (5 г/га) + глицин (5 г/га);
• Пролин + метионин (5 г/га);
• Пролин (10 г/га) + гицин(5 г/га) + метионин (5 г/га).

Для исследований использовали АК из стандартного набора.

Промораживание растений осуществляли в модернизированных морозильных камерах в Центре искусственного климата Кубанского госагроуниверситета. Система программированного изменения температуры позволяла автоматически изменять температуру по определённой программе и поддерживать её на заданном уровне, при этом отклонение от заданных температур составляло не более  0,5⁰С.

Закалку растений озимого ячменя осуществляли в естественных условиях на вегетационной площадке (при температуре от +2⁰С до +10⁰С).

Режим промораживания проводили по  следующей программе:

• начиная с +5⁰С каждые 30 минут снижали температуру в камере на 1⁰С до -13⁰ С и -11⁰ С (в зависимости от варианта опыта);
• экспозиция в течение трёх часов на нижнем пороге температур (-13⁰С или -11⁰ С);
• после этого температуру увеличивали на 1⁰С через каждые 30 минут до +5 ⁰ С;
• экспозиция в течение 24-х часов при +5 ⁰ С;
• экспозиция контейнеров с растениями при температуре +20-25⁰С в течение 15 суток до учёта результатов опыта.

Учёт результатов проводили через 15 суток после промораживания посредством визуальной оценки степени поражения листьев.

Опыты по оценке влияния АК на засухоустойчивость проводили в Центре искусственного климата Кубанского ГАУ на яровой пшенице сорта Омская 36.

Семена высаживали в вегетационных сосудах (контейнерах) объёмом 6 кг (по 12 растений в каждом) с полевой почвой с добавлением 1/4 песка и небольшого количества торфа. Растения выращивали на вегетационной площадке в условиях естественной температуры и освещённости до фазы начала налива зерна, после чего контейнеры с растениями помещали в климатическую камеру.

В климатической камере моделировали  условия воздушной засухи в течение 5 суток: температура +30⁰С при относительной влажности воздуха 25-30%.

На 6-й день контейнеры переносили в естественные условия на вегетационную площадку, где дневные температуры были в пределах +28-32⁰С (днём) и 25-28⁰С (ночью), а относительная влажность воздуха круглосуточно была на уровне 45-50%. После полного созревания растения убирали и оценивали продуктивность колосьев.

 Растения обрабатывали растворами АК накануне процесса закалки.

Результаты исследований.

При скрининге комплекса АК для повышения морозостойкости озимых зерновых колосовых культур были использованы результаты наших более ранних исследований [2, С.171–179]   о влияние инфицированности семян фитопатогенными бактериями (Pseudomonas syringae spp.) на показатели морозостойкости озимой пшеницы (рисунок 1).

Рис. 1- Влияние степени инфицированности семян фитопатогенными бактериями (Pseudomonas syringae spp.) на подмерзание листьев растений озимой пшеницы после промораживания в морозильной камере при температуре –17⁰С

 

Это позволило успешно сформировать комплекс экзогенных АК для повышения морозостойкости озимых зерновых колосовых культур (на примере озимого ячменя).

Результаты экспериментов показали, что степень влияния обработки АК растений озимого ячменя на морозостойкость зависит от уровня стресса - в данном случае от температуры промораживания. В результате промораживания растений сорта Кубагро 1 при температуре -11⁰С листья контрольных растений были повреждены на 50%. Обработка пролином и комбинацией пролин-глицин оказала достоверное защитное действие – повреждение составило всего 25-26%. Максимальный защитный эффект наблюдался в варианте с обработкой комплексом всех трёх АК (пролин, глицин и метионин), в этом случае степень повреждения зелёных частей растений доходила лишь до 17% (рисунок 2).

Рис. 2 – Степень повреждения листьев растений ячменя сорта Кубагро 1  в результате воздействия отрицательных температурой (–11 ⁰С), в зависимости от варианта обработки растений экзогенными аминокислотами

 

При более низкой температуре промораживания (-13⁰С), защитное действие пролина не проявилось. В небольшой степени повреждение листьев уменьшила обработка комбинацией пролин-глицин пролин-метионин-глицин на 12-13% по сравнению с контролем. Наибольший защитный эффект оказали комбинации пролин-метионин и пролин-метионин-глицин, они снизили степень повреждения на 20-25% (рисунок 3).

Рис. 3 – Степень повреждения листьев растений ячменя, сорта Кубагро 1 отрицательной температурой (-13 ⁰С), в зависимости от варианта обработки растений экзогенными аминокислотами

 

Растения менее морозостойкого сорта Агродеум после промораживания  при температуре -13⁰С полностью погибли. При менее жестких условиях (-11⁰С) контрольные растения и растения обработанные пролином были повреждены на 70-75% (рисунок 4). Как и в опыте с сортом Кубагро 1, обработка растений комбинациями пролин-глицин и пролин-метионин-глицин оказала защитное действие, снизив степень повреждения листьев на 15-20% по сравнению с контролем.

Рис. 4 - Степень повреждения листьев растений  ячменя сорта Агродеум, в результате воздействия отрицательных температур (-11⁰С) в течение 3 часов, в зависимости от варианта обработки растений экзогенными аминокислотами

 

Вегетационные опыты на яровой пшенице Омская 36 не выявили достоверного влияния пролина на засухоустойчивость растений. Однако в комбинация пролина с метионином обеспечила сохранность урожая зерна за счёт  более высокой массы 1000 зёрен по сравнению с контролем (более чем на 4 г.) и озернённости колоса, что в целом обеспечило повышение урожайности относительно контроля на 28% (таблица 1).

Таблица 1 – Влияния экзогенных аминокислот на элементы структуры урожая яровой пшеницы сорта Омская 36

Вариант опыта	Количество зёрен в колосе, штук	Масса зерна колоса, г	Масса 1000 зёрен, г	Урожайность зерна с 1 сосуда, г
Контроль	13,8	0,35	25,9	4,3
Обработка пролин+метионин+глицин	14,1	0,43	29,5	5,5
Обработка пролином	12,2	0,3	24,6	4,1
НСР05	0,2	0,02	0,7	0,5

 

Обсуждения результатов исследований.

При анализе полученных данных необходимо учитывать, что формирование устойчивости растений к неблагоприятным климатическим факторам – сложный процесс, который находится с одной стороны под генетическим контролем, а с другой – определяется условиями произрастания, важнейшими из которых является динамика климатических факторов.

Системный анализ морозоустойчивости озимых культур показал, что сложный с точки зрения генетического контроля признак морозоустойчивости можно представить в виде комплекса компонент, каждая из которых контролируется своим комплексом генов [11, P.101-108]. Показано также, что различные по морозоустойчивости сорта имеют свои наборы компонент, при этом в условиях более жесткого стресса степень повреждения снижают одни компоненты, а в менее жестких условиях случае ведущую роль играют другие системы.

С этой точки зрения становиться объяснимым, почему обработка АК пролин не обеспечивает увеличения морозоустойчивости в жёстких условиях, и оказывает положительное влияние на морозостойкость при меньших уровнях стресса. В более мягких условиях промораживания выживаемость растений обеспечивают физиологические системы, которые способны адекватно отреагировать на обработку пролином и снизить  степень повреждения. В более жестких условиях эта система, реагирующая на пролин, работает менее эффективно, зато работают системы, откликающиеся на глицин и метионин. Не исключено, что именно поэтому максимальный защитный эффект был отмечен при обработке комбинацией всех трёх АК. Исходя из анализа реакции растений изученных сортов ячменя на обработку АК, можно предполагать, что у менее морозоустойчивого сорта Агродеум отсутствуют генетические системы, контролирующие блок физиолого-биохимических процессов, противодействующих повреждению растительной ткани низкими температурами.

Данные, полученные при изучении засухоустойчивости в определённой степени согласуются с результатами опытов по морозоустойчивости – в обеих сериях экспериментов существенный положительный эффект оказывала комбинация пролина с метионином. Не исключено, что это связано с физиологическими процессами, определяющими неспецифическую реакция на стресс. В работе [11, P.101-108] одна из компонент морозоустойчивости была определена как неспецифическая устойчивость, а физиолого-биохимические параметры, входящие в эту компоненту, могут способствовать и повышению засухоустойчивости.

Таким образом, использование комплекса экзогенных аминокислот путём обработки посевов методом опрыскивания снижает повреждающее влияние абиотических стрессов.

Список литературы / References

1. Бойко Е.С.  Агродеум - новый сорт двурядного озимого ячменя /Бойко Е.С., Салфетников А.А., Репко Н.В., Назаренко Л.В.// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. - № 104. - С. 1245-1252.
2. Котляров В. В. Бактериальные болезни культурных растений. Краснодар, КубГАУ.- 2008. – 250 с.
3. Котляров В.В. Возделывание озимой пшеницы с использованием обработки растений экзогенными регуляторами / Котляров В.В., Федулов Ю.П., Котляров Д.В., Донченко Д.Ю., Яблонская Е.К.//Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2012. -№ 36. - С. 81-87.
4. Репко Н.В. Новый сорт озимого ячменя Кубагро-1 и особенности его возделывания/ Репко Н.В., Салфетников А.А., Бойко Е.С., Назаренко Л.В., Подоляк К.В.//Вестник АПК Ставрополья, 2014. -№3(15)- С.177-184.
5. Федулов Ю.П. Влияние аминокислот на растения озимой пшеницы / Федулов Ю.П., Лищеновский М.Ю., Подушин Ю.В. // Труды Кубанского Государственного Аграрного Университета. – 2016. – № 58. – С. 171–179.
6. Шевелуха В.С.  О задачах фитофизиологов в интенсификации селекционного процесса // С.-х. биол. - 1982. -Т.XYII. - N2. - С.147-156.
7. Шаповал О.А. Регуляторы роста растений в агротехнологиях основных сельскохозяйственных структур /О.А.Шаповал, И.П.Можарова, Т.Ю. Грабовская, А.А.Коршунов, А.С.Лазарева, М.Т.Мухина// М.:ВНИИА. – 2015.-348 с.
8. Яблонская Е. К. Молекулярные механизмы действия антидотов гербицидов, перспективы использования в сельском хозяйстве / Яблонская Е. К., Котляров В. В., Федулов Ю. П.//  Монография.- Краснодар.: КубГАУ, 2013. -181 с..
9. Alberdi M., Cоld acclimation in plants, - Phytochemistry. - 1991. - P. 2177-3184
10. Dorffling K In vitro-selection and regeneration of hydroxyproline-resistant lines of winter wheat with increased proline content and increased frost tolerance / Dorffling K, Dorffling H, Lesselich G  // Journal of  Plant Physiology -1993.- P.222-225.
11. Fedulov Yu.P. System analysis of frost resistance in winter wheat and its use in breeding/ Euphytica, 1998. - P.101-108.
12. Krasnuk M. Electrophoretic studies of several dehydrogenases in relation to cold tolerance of alfalfa / Krasnuk M, Jung A, Witham F.H. //  Cryobiology. - 1976. - P. 375–393
13. Sakai A. Frost survival of plants: responses and adaptation for freezing stress / Sakai A. , Larcher W. // Springer-Verlag,  New York, 1987. – 321 p.
14. Van Swaaij A.C. Effect of cold hardening, willing and exogenously applied proline on leaf content  and  frost tolerance of several genotypes of Solanum / Van Swaaij A.C., Jacobsen E. // Plant Physiology - 1985. – P. 230-236.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Boyko E.S. Agrodeum – noviy sort dvuriadnogo ozimogo yachmeniya [Agrodeum - New Cultivar of Double-row Winter Barley] / Boyko E.S., Salfetnikov A.A., Repko N.V., Nazarenko L.V. // Politematicheskiy setevoy elektronniy nauchniy zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo niversiteta [Polymatic Network Electronic Scientific Journal of the Kuban State Agrarian University] 2014. - No. 104. - P. 1245-1252. [In Russian]
2. Kotliarov V.V. Bakterialniye bolezni kulturnykh rasteniy [Bacterial Diseases of Cultivated Plants]. Krasnodar, KubSAU.-2008. - 250 p. [In Russian]
3. Kotliarov V.V. Vozdelyvaniye ozimoy pshenitsy s ispolzovaniem obrabotki rasteniy ekzogennymi regulatorami [Cultivation of Winter Wheat with the Help of Plants Processing by Exogenous Regulators] / Kotliarov V.V., Fedulov Yu.P., Kotliarov D.V., Donchenko D.Yu., Yablonskaya E.K. // Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of Kuban State Agrarian University] - 2012.-No. 36. - P. 81-87. [In Russian]
4. Repko N.V. Новый сорт озимого ячменя Кубагро-1 и особенности его возделывания [New Cultivar of Winter Barley Kubagro-1 and Features of its Cultivation] / Repko N.V., Salfetnikov A.A., Boiko E.S., Nazarenko L.V., Podoliak K.V. // Вестник АПК Ставрополья [Bulletin of Agroindustrial Complex of Stavropol], 2014. - No.3 (15) - P.177-184. [In Russian]
5. Fedulov Yu.P. Влияние аминокислот на растения озимой пшеницы [Effect of Amino Acids on Winter Wheat] / Fedulov Yu.P., Lishchenovsky M.Yu., Podushin Yu.V. // Trudy Kubanskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta [Proceedings of Kuban State Agrarian University] - 2016. - No. 58. - P. 171-179. [In Russian]
6. Shevelukha V.S. O zadachakh fitofiziologov v intensifikatsii selektsionnogo protsessa [On the Task of Phytophysiologists in Selection Process Intensification] // Agr. Biol. - 1982.-V.XYII. - No.2. - P.147-156. [In Russian]
7. Shapoval O.A. Reguliatory rosta rasteniy v agrotekhnologiyakh osnovnykh selskokhoziaystvennykh struktur [Plant Growth Regulators in Agrotechnologies of Major Agricultural Structures] / O.A. Shapoval, I.P.Mozharova, T.Yu. Grabovskaya, A.A. Korshunov, A.S. Lazarev, M.T. Mukhina // M.: VNIIA. - 2015.-348 p. [In Russian]
8. Yablonskaya E.K. Molekuliarniye mekhanizmy deystviya antidotov gerbitsidov, perspektivy ispolzovaniya v selskom khoziaystve [Molecular Mechanisms of Herbicide Antidotes Effect, Prospects of Use in Agriculture] / Yablonskaya E.K., Kotliarov V.V., Fedulov Yu. P. // Monograph - Krasnodar.: KubSAU, 2013. -181 p. [In Russian]
9. Alberdi M., Cоld Acclimation in Plants, - Phytochemistry. - 1991. - P. 2177-3184
10. Dorffling K. In Vitro-selection and Regeneration of Hydroxyproline-resistant Lines of Winter Wheat with Increased Proline Content and Increased Frost Tolerance / Dorffling K., Dorffling H., Lesselich G.  // Journal of  Plant Physiology -1993.- P.222-225.
11. Fedulov Yu.P. System Analysis of Frost Resistance in Winter Wheat and its Use in Breeding/ Euphytica, 1998. - P.101-108.
12. Krasnuk M. Electrophoretic Studies of Several Dehydrogenases in Relation to Cold Tolerance of Alfalfa / Krasnuk M., Jung A., Witham F.H. //  Cryobiology. - 1976. - P. 375–393
13. Sakai A. Frost Survival of Plants: Responses and Adaptation for Freezing Stress / Sakai A., Larcher W. // Springer-Verlag,  New York, 1987. – 321 p.
14. Van Swaaij A.C. Effect of Cold Hardening, Willing and Exogenously Applied Proline on Leaf Content  and  Frost Tolerance of Several Genotypes of Solanum / Van Swaaij A.C., Jacobsen E. // Plant Physiology - 1985. – P. 230-236.