THE HYPOBIOLOGICAL MECHANISM OF ACCUMULATION BIOLOGICALLY THE ACTIVE MATERIALS IN GREEN CRYOSTERNS

Угаров Г.С.¹, Иванов Б.И.², Петров К.А.²

¹OPRCID: 0000-0002-2512-673X, Доктор биологических наук, профессор-исследователь Северо-Восточного федерального университета имени М.К.Аммосова, ²Доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Главный научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, Ведущий научный сотрудник Института биологических проблем криолитозоны СО РАН

 ГИПОБИОЛОГИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ НАКОПЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ЗЕЛЕНЫХ КРИОКОРМАХ

Аннотация

 Исследованиями установлено высокая питательная ценность крикорма, произведенного в Якутии, который превосходит сено по содержанию каротина в 20 раз, протеина - 5, сахаров более 15 раз и перспективность его производства.  Сделано предположение о том, что накопление в зеленых криокормах высокопитательных  биологически активных веществ связано с работой системы гипобиометаболизма у холодоустойчивых растений, активной в условиях холода, которая направлена на повышение их криорезистентности.

Ключевые слова: криокорм, перспективность, сено, пистательность система гипобиометаболизма, холодоустойчивость.

Ugarov G.S.¹,  Ivanov B.I.², Petrov K.A.²

¹ORCID: 0000-0002-2512-673X , PhD in Biology, professor and researcher of the North-East Federal University named after M.K.Ammosov, ²PhD in Agriculture, professor, chief researcher, Institute of Biological Problems Cryolithozone of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Senior Researcher, Institute of Biological Problems Cryolithozone of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 

THE HYPOBIOLOGICAL MECHANISM OF ACCUMULATION BIOLOGICALLY THE ACTIVE MATERIALS IN GREEN CRYOSTERNS 

Abstract 

The article considers prospects of production of cryosterns from Yakutia and its high nutritional value which, according to the content of carotene, exceeds hay 20 times, protein - 5 times, and sugars - more than 15 times. It is suggested that the accumulation of highly nutritious biologically active substances in green cryosterns is related to hypobiometabolism system at cold-tolerant plants active in cold conditions, which is aimed at improving their cryoresistance.

Keywords: cryoforage, prospects, hay, nourishing, system of hypobiometabolism, cold resistance.

В течение чрезмерно длительного стойлового периода (270  дней) в Якутии, основным кормом для скота является сено природных сенокосов. Из-за несовершенства технологий, заготовленное сено теряет почти половину переваримого протеина, сахаров. В итоге резко ухудшается их кормовая ценность. Более половины заготавливаемого сена относится к третьему классу и ниже. Такой корм пригоден только для поддержания жизнеспособности животного [2]. Как пишет А.Д. Егоров  [1], одной из главных причин низкого воспроизводства сельскохозяйственных животных является недостаток каротина в кормах. У коров, например, наблюдается повышенная яловость, аборты, рождение мертвого и нежизнеспособного приплода, снижение устойчивости к инфекциям, ослабление половой функции и другие нарушения.

При сушке травы на сено,  в них происходит огромная потеря каротина, нередко, достигающая 80-90% от первоначального его количества в свежескошенной траве. Между тем, известно, что зимне-зеленые травянистые растения, имеющие высокую кормовую ценность, закаливаясь к холоду при осенних низких температурах, уходят под снег в зеленом состоянии. Так, среди местного населения хвощ пестрый славится, как прекрасное нажировочное растение. В кормовом отношении ему не уступает исключительно холодоустойчивое  растение – пушица влгалищная, примерно 50% надземной массы этого растения зимой сохраняется в зеленом состоянии [4].

Дикие животные, а также  олени и лошади, восполняют дефицит в витаминах и питательных веществах за счет поедания зеленых побегов и листьев, выкапываемых ими из-под снега, затрачивая при этом большое количество энергии на выживание. Крупный рогатый скот такой возможности не имеет и страдает от хронического дефицита витаминов

Учитывая, что природно-климатические условия криолитозоны неблагоприятны для заготовки и рационального использования высококачественных кормов стандартными технологиями, сотрудниками Института биологических проблем криолитозоны  СО РАН, разрабатывается технология консервирования зеленых кормов  с использованием бесплатных и неисчерпаемых естественных ресурсов холода зоны вечной мерзлоты (табл.1)  

Таблица 1 - Средняя месячная и годовая температура воздуха, ^оС( ст. Якутск)   

I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII	Год
-43,2	-35,9	-22,2	-7,4	5,7	15,4	18,7	14,8	6,2	-7,9	-28	-39,8	-10,3

 

Зеленый криокорм - это замороженный естественным холодом зеленый корм, запрессованный в тюки малого размера. Сырьем для производства зеленого криокорма служат холодоустойчивые однолетние  кормовые культуры, выдерживающие низкие отрицательные температуры осенне-зимнего периода: овес, рапс, горох и т.д. У них отмечается усиленное накопление запасных углеводов, особенно сахаров с наступлением осени, что повышает их холодоустойчивость.

Отличительная особенность технологии заготовки зеленого криокорма состоит в том, что посев однолетних кормовых культур проводится в более поздние сроки (8-15 июля) с расчетом максимального накопления их вегетативной массы с продуктивным использованием позднелетних и осенних осадков к периоду перехода среднесуточных температур с положительных к стабильно отрицательным [2].

Методика и материалы исследований

Полевые опыты проведены на экспериментальных полях Якутского ботанического сада ИБПК СО РАН на мерзлотной лугово-черноземной почве. В 2009 г. овес сорта «Покровский» посеян в 3 срока: I - 17 июня;  II - 6 июля; III - 30 июля. В 2010 г. посев проведен 9 июля, испытано несколько холодоустойчивых кормовых культур (вайда, овес, рапс, горох, амарант). Урожай  зеленой массы после скашивания по первому снегу хранился в 3-х вариантах: в копнах на поле; в холодном закрытом помещении;  в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН (в толще многолетнемерзлых пород). Определение питательбной ценности зеленых кормов проводилось общепринятыми методами [4, 5].

Результаты исследования и их обсуждение

Растения овса 1-го срока посева (17.06), не достигшие  молочной спелости, пожелтели, остались зелеными только нижние междоузлия с влагалищами  листьев.   У растений второго срока посева (07.07),  находящихся в фазе выметывания колоса, пожелтели только нижние листья, урожайность с единицы площади была наиболее высокой. Соломина, хотя и оставалась зеленой, но огрубела.

Самая высококачественная зеленая масса была у растений позднего срока посева, которые  находились в фазе  трубкования (табл. 2). При этом растения   остались до уборки по снегу с ярко зелеными упругими листьями с высоким содержанием воды (65-70%).

Таблица 2 - Влияние сроков посева на величину и качество урожая зеленой массы овса 

Срок		Урожай зеленой, массы ц/га	Сумма каратиноидов, мкг/г сухой массы
посева	уборки
17.06	30.09	12,6	548,59
07.07	30.09	28,3	692,17
30.07	30.09	19,8	1580,77

 

Предполагается, что молодые растения овса, не сформировавшие семена и прошедшие закаливание ежесуточными ночными низкими температурами (-8^оС), консервируются стабильно отрицательными температурами осенне-зимнего периода криолитозоны. Образующиеся в процессе первой фазы закаливаия комплементарные к льдоподобной воде низкомолекулярные белки, углеводы, каротин и каротиноиды и.т.д., обеспечивают безопасное для тканей растений переохлаждение при слабых морозах.

Таблица 3 - Сравнительная характеристика кормового качества сена и  зеленого криокорма 

Вид корма	Каротин мг/кг	Переваримый протеин, г/кг	Кормо вые единицы	Клетчатка %	Сумма водораство римых сахаров, %
Сено	3,8	26,7	0,46	27,6	-
Зеленый криокорм	77,6	113,2	0,80	15,6	15,6

 

Такая высококачественная в кормовом отношении зеленая масса с максимально высоким содержанием сахаров, каротина и фотосинтезирующих пигментов, называемая «криокорм», превосходит сено по содержанию каротина в 20 раз, протеина - 5, сахаров более 15 раз (табл.3).

В Якутии быстрый переход осени к зиме без продолжительных оттепелей позволяет сохранить зеленый криокорм  в естественных условиях без потери кормовых достоинств весь зимний период в копнах или мелких стогах, а также в холодных помещениях, защищенных от прямых солнечных лучей.

В центральных районах Якутии исключительно благоприятные условия для закаливания растений к холоду складываются в сентябре. Большое количество солнечных дней обеспечивает накопление в них питательных веществ, прохладные ночи задерживают расход углеводов на дыхание и процессы роста. Растения вступает в зиму более закаленными, чем в тех районах, где осенью преобладает пасмурная погода.

У однолетних холодоустойчивых растений, не прошедших полный цикл развития происходят аналогичные процессы закаливания. Оставаясь на корню в зеленом состоянии, они впадают в гипобиоз, а затем и мезобиоз.  Затем, при наступлении зимы под действием сильных морозов они  промерзают в зеленом состоянии.   При этом в них полностью сохраняются  биологически активные высокопитательные вещества.

В Якутии уже проводятся производственные испытания заготовки криокорма. В.А. Румянцевым разработан способ заготовки зеленого корма с использованием естественного холода и проведена его апрбация [5]. На первоначальном этапе работы посев осуществили на площади 200 га, урожайность с 1 га составлял 15-35 т  продукции, на текущий момент рыночная стоимость сена составляет 5000 руб. за тонну.  Организаторы надеются, что в дальнейшем зеленый криокорм может частично заменить сено,  и "поднять" сельское хозяйство не только Якутии, но и всего Северо-Восточного региона и Арктической зоны России на новый уровень.

Основными потребителями зеленого криокорма могут быть  коровы,  лошади, свиньи, олени, птицы, питомцы звероферм, а также дикие животные в зоопарках, заказниках и заповедниках. Поедаемость криокорма оленями, лошадьми и крупным рогатым скотом - стопроцентная.  При подкормке ими повышается продуктивность животных и качество продукции вне зависимости от сезона.

Растительные ткани содежат до 80% воды. Структура воды гетерогенна и при нормальных температуных условиях состоит из смеси 2-х форм: плотноупакованной или свободной и льдоподобной. С понижением тепературы доля льдоподьбной воды соответственно увеличивается и   при теператур+4⁰С,  в воде происходит фазовый переход и вода превращается в состояние “жидкого льда”,  Молекулы воды, ассоцированные в структуру “жидкого льда”, обладают малой растворяющей и проникающей   способностью, вследствие   агрегированности молекул и их малой кинетической энергией.

Предполагается, что в живых организмах при оптимальных температурных усмловиях фнкционирует древняя теплолюбивая архесистема жизнедеятельности, которая хорошо вписывается в структуру свободной воды, но не толерантна к льдоподобной. Поэтому нижней границей функциональной активности и нативности этой системы является температура +4⁰С, ниже которой она инактивруется. Все живые организмы обладают архесистемой жизнедеятельности, поэтому их активная жизнь наблюдается только до +4⁰С. Однако у холодо- и морозоустойчивых растений, в процессе эволюционного развития, наряду с архесистемой, появилась вторая система гипобиометаболизма, имеющее сродство к льдопобной воде и способная сохранять функциональную активность в условиях холода [7]. Эта система, таким образом, полностью включается при температурах ниже +4⁰С и заменяет инактиврованную архесистему. Поэтому от холода погибают только теплолюбивые, а  холодоустойчивые организмы остаются живыми, однако физиологические процессы у них сильно замедляются и потому, переходят в состояние гипобиоза (покой у растений, спячка, оцепенение у животных и др), то при возвращении холодоустойчивых растений после воздействия холода и ночных заморозков в номальные температурные условия система гипобиометаболизма на некоторое время продолжает работать, дополнительно синтезируя продукты гидролиза. Это связана с тем, что в теплой воде  также содержится определенное количество льдопобной структуры, которая не дает сразу разрушиться системе гипобиометаболизма. Поэтому после холодной ночи и, особенно, после несильных ночных заморозков, в клетках растений начинают одновременно  функцинировать две системы – архесистема и система гипобиометаболизма, что дает эффект стимуляции ростовых процессов [7].  Высокая урожайность зеленой массы растений на двух последних вариантах нашего опыта может быть объяснена как раз результатом одновременной работы двух систем  в погожие дни после заморозков, а  заморозки в криолитозоне могут наступить в любой период вегетации растений,  с резким снижением температуры воздуха   (в августе до -8⁰С).

В процессе развития устойчивости растений к неблагоприятному фактору  выделяют  два различных этапа: 1). быстрый первичный ответ и 2). значительно более длительный этап, связанный с формированием новых изоэнзимов или стрессорных белков [3].

Система гипобиометаболизма растений, в данном случае, используемых для заготовки зеленого криокорма, в условиях холода, то есть,  с +4⁰С начинает синтезировать криорезистентные структуры – изоэнзимы или стрессорные белки, которые обеспечивают протекание метаболизма в изменившихся условиях [ 3],   а также  полиненасыщенные жирные кислоты, в частности,  линолевой и линоленовой, повышающие текучесть билипидного слоя мембран [5], происходит усиленный гидролиз  крахмала, с образованием растворимых углеводов [4], которые служат в качестве  криопротекторов и т.д. Поэтому количественный и качественный состав биологически активных и питательных веществ в зеленых криокормах существенно увеличивается.

Следует заметить, что у теплолюбивых растений, которые не устойчивы к холоду из-за отсутствия системы гипобиометаболизма, неспособны к синтезу биологически активных веществ, паоэтому непригодны в качестве объекта для заготовки криокорма.

Заключение

Таким образом, проведенными научными исследованиями и производственными испытаниями доказана эффективность возделывания и использования зеленого криокорма.

Преимущества массового использования зеленого криокорма заключаются, прежде всего, в его полноценности в кормовом отношении, а также  возможности  механизации всего процесса его заготовки и использования.

Накопление в зеленых криокормах высокопитательных  биологически активных веществ связано с работой гипобиометаболизма у холодоустойчивых растений, направленной на повышение их криорезистентности.

Понимание самими заготовителями и потребителями гипобиологических, гипобиометаболических механизмов образования и накопления   высокопитательных, биологически активных соединений в тканях растений  зеленого криокорма,  которые благоприятно отражаются на здоровье и продуктивность   животных, поможет широкому использованию этого нового перспективного вида корма в частных хозяйствах и кооперативных  сельскохозяйственных предприятиях.

Литература

1. Егоров А.Д. Витаин С и каротин в растительности Якутии. – М.: Изд-во АН СССР, 1954. – 248 с.
2. Иванов Б.И., Румянцев В.А., Петров К.А. Современные аспекты развития полевого кормопроизводства в Якутии //Наука и техника в Якутии. 2009. №1. С.16-20.
3. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. – М.: Высш. шк., 2011. – 784 с.
4. Нэш М.Дж. Консервирование и хранение сельскохозяйственных прлдутов // Превод с англ. – М.: Колос,1981, - 311 с.
5. Петров К.А., Перк А.А., Осипова В.В. Криорезистентсность и формирование кормовой ценности растений Якутии. – Якутск: Бичик,  – 198 с.
6. Румянцев В.А. Агрохимические премы возделывания кормовых культур на зеленый замороженный (криокорм) в условиях Якутии. – Автореф.дисс. на сосик. Учен.степ.канд. с/х наук, Якутск, 2006. – 19 с.
7. Угаров Г.С. Теоретические основы гипобиологии // Фундаментальные исследования. – 2013. - №10. – С. 80-83.

References

1. Egorov A.D. Vitain S i karotin v rastitel'nosti Jakutii. – M.: Izd-vo AN SSSR, 1954. – 248 s.
2. Ivanov B.I., Rumjancev V.A., Petrov K.A. Sovremennye aspekty razvitija polevogo kormoproizvodstva v Jakutii //Nauka i tehnika v Jakutii. №1. S.16-20.
3. Kuznecov V.V., Dmitrieva G.A. Fiziologija rastenij. – M.: Vyssh. shk., 2011. – 784 s.
4. Njesh M.Dzh. Konservirovanie i hranenie sel'skohozjajstvennyh prldutov // Prevod s angl. – M.: Kolos,1981, - 311 s.
5. Petrov K.A., Perk A.A., Osipova V.V. Kriorezistentsnost' i formirovanie kormovoj cennosti rastenij Jakutii. – Jakutsk: Bichik,  – 198 s.
6. Rumjancev V.A. Agrohimicheskie premy vozdelyvanija kormovyh kul'tur na zelenyj zamorozhennyj (kriokorm) v uslovijah Jakutii. – Avtoref.diss. na sosik. Uchen.step.kand. s/h nauk, Jakutsk, 2006. – 19 s.
7. Ugarov G.S. Teoreticheskie osnovy gipobiologii // Fundamental'nye issledovanija. – 2013. - №10. – S. 80-83.