СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 65-69

Стимуляторы роста растений

УДК 633.511:581.1:638.8

АКТИВНОСТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ КЛЕТОК У РАСТЕНИЙ ХЛОПЧАТНИКА ПРИ ДЕЙСТВИИ  УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ
ПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ И ФЕРРОСТИМУЛЯТОРА

К.С. ДАВРОНОВ, Р.М. УСМАНОВ, К.К. КУЧКАРОВ

Изучали влияние предпосевного замачивания семян хлопчатника раннеспелого сорта Ан 402, среднеспелого сорта Ан 9 и позднеспелого сорта Ан 60 в суспензии ультрадисперсного порошка (УДП) железа, меди и растворе п-феноксиферроценила калия (ферростимулятора-1) на дыхание и окислительное фосфорилирование в митохондриях из клеток корней 8-суточных проростков и фотохимическую активность хлоропластов из листьев в разные фазы онтогенеза. УДП железа, меди и ферростимулятор-1 стимулировали активность биоэнергетических систем клеток, что способствует усилению роста и повышению активности фотосинтетических процессов.

Ключевые слова: хлопчатник, ферростимулятор, ультрадисперсный порошок, митохондрия, хлоропласт, хлорофилл, фотохимическая активность

Key words: cotton, ferro stimulator, ultra dispersed powder, mitochondria, chloroplast, chlorophyll, photochemical activity.

Известно, что важнейшим фактором регуляции роста и развития растений является образование макроэргических соединений в специализированных клеточных структурах — митохондриях и хлоропластах. Железо, стимулируя формирование мембранной системы хлоропластов (1) и функции электронно-транспортной цепи, представляет собой важный элемент энергообеспечения (2).
Установлена высокая физиологическая активность ультрадисперсных порошков (УДП) металлов, что может характеризовать их как экологически чистые биологически активные препараты (3, 4). Изучено действие УДП железа на всхожесть семян, урожайность, устойчивость растений к болезням и некоторые другие физиолого-биохимических процессы (5-14).
Целью нашего исследования было сравнительное изучение влияния УДП железа, меди и п-феноксиферроценила калия (ферростимулятора-1) на окислительное фосфорилирование в митохондриях, выделенных из клеток корней, и фотохимическую активность хлоропластов из листьев растений хлопчатника разных по скороспелости сортов на основных этапах онтогенеза.
Методика. В работе использовали семена хлопчатника (Gossypiumhirsutum L.) сортов АН 402 (скороспелый), Ан 9 (среднеспелый) и Ан 60 (позднеспелый). Элитные семена получены из Андижанского филиала Научно-исследовательского института хлопководства Министерства сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан, УДП железа и меди — из Института общей физики РАН (при участии НТО «Блик» при Андижанском государственном университете). Ферростимулятор-1 синтезирован и любезно предоставлен профессором  И.Р. Аскаровым (15).
Для приготовления суспензий УДП железа и меди навески (10,0 мг) диспергировали в 1000 мл дистиллированной воды с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-2Т (Россия) в течение 5 мин с последующим разбавлением до рабочей концентрации 2½10-6 %. Семена хлопчатника замачивали в суспензиях УДП в течение 18 ч и помещали в термостат для проращивания на среде Кнопа. Митохондрии выделяли из корней 8-суточных этиолированных проростков по методике, предложенной К.С. Са-фаровым с соавт. (16), с использованием среды, состоящей из 0,4 М сахарозы, 0,012 М калий-фосфатного буфера, 0,005 М ЭДТА, 1 % бычьего сывороточного альбумина (БСА) (рН 7,4). Выделенные митохондрии суспендировали в 0,4 М сахарозе с  0,1 % БСА (рН 7,2) и хранили на льду.

Активность дыхания и окислительного фосфорилирования у изолированных митохондрий оценивали полярографически с помощью закрытого совмещенного платинового электрода (объем полярографической ячейки 1,0-1,1 мл) (17). Инкубировали при температуре 27 оС в среде, содержащей 0,4 М сахарозу, 18 мМ КН2РО4, 0,1 % БСА (рН 7,2), а также 30 мМ сукцината или 20 мМ глутамата в качестве субстратов. Показатели дыхательного контроля (ДК) и АДФ/О рассчитывали, как описано (17). Анализировали значения V, V3, V4, V4s и VДНФ (соответственно поглощение О2, поглощение О2 после добавления акцептора — АДФ, поглощение О2 после расходования АДФ, поглощение О2 после добавления субстрата и поглощение О2 после добавления разобщителя фосфорилирования).
Хлоропласты выделяли из листьев общепринятым методом (19) в среде, содержащей 0,35 М NaCl и 0,025 M Трис-HCl буфер (рН 7,8). Фотохимическую активность измеряли спектрофотометрически (СФ-26 ЛОМО, Россия; поглощение при λ = 340 нм) по скорости фотовосстановления НАДФ (9). Статистическую обработку данных проводили по В.С. Асатиани (20).
Результаты. У сорта хлопчатника Ан 9 на фоне предпосевного воздействия УДП железа при субстратном окислении сукцината митохондриями клеток из корней 8-суточных проростков скорость потребления О2 после добавления субстрата (V4s) по сравнению с контролем повышалось на 17,1 %, после добавления АДФ как акцептора фосфата (V3) — на 14,6 %, а после использования акцептора (V4) находилась в пределах контроля (табл. 1). Повышение показателя ДК и эффективности фосфорилирования в опыте обусловлено сопряженностью процессов окислительного фосфорилирования. В тех же условиях при применении глутамата в качестве субстрата величина V4s и V3 превышала контроль соответственно на 9,1 и 20,4 % (см. табл. 1). Отметим, что в случае сорта Ан 9 при использовании разных субстратов и предпосевной обработке суспензией УДП железа величина показателя ДК и активность фосфорилирования у митохондрий стабильно повышались по сравнению с контролем.
У проростков cорта Ан 60 в варианте с сукцинатом предпосевная обработка УДП железа стимулировала поглощение О2 митохондриями — величина V4s, V3 и V4 возрастала относительно контроля соответственно на 14,2; 17,7 и 7,4 %. В варианте с глутаматом при применение УДП железа также отмечали увеличение скорости поглощения О2: для показателя V3 (после добавления акцептора фосфата) — на 16,5, V4 — на 11,1 %. Зарегистрированный незначительный рост скорости поглощения О2 после добавления разобщителя окислительного фосфорилирования (VДНФ) указывает на увеличение активности окислительных ферментов митохондрий на фоне предпосевной обработки семян (см. табл. 1).
У проростков хлопчатника сортов Ан 9 и Ан 60 после предпосевного воздействия суспензией УДП меди на обоих субстратах (сукцинат и глутамат) наблюдали увеличение интенсивности потребления О2 митохондриями при добавлении АДФ (показатель V3), а также значений ДК и АДФ/О по сравнение контролем (см. табл. 1). Следует отметить, что у этих сортов на обоих использованных субстратах УДП меди (по сранению с УДП железа) не оказал заметного влияния на скорость потребления О2 митохондриями (за исключением V3), а также на показатель ДК и эффективность фосфорилирования.

Иными словами, у 8-суточных проростков хлопчатника сортов Ан 9 и Ан 60 на фоне предпосевной обработки суспензиями УДП железа и меди стимуляция процессов дыхания в митохондриях из клеток корней при использовании субстратов сукцината и глутамата привела к усилению синтеза АТФ. Повышение величины ДК и эффективности фосфорилирования, а также увеличение потребления О2 после добавления разобщителя окислительного фосфорилирования ДНФ свидетельствует о функциональной целостности выделенных митохондрий.
Изучение этих процессов на фоне предпосевного замачивания семян в 0,02 % растворе ферростимулятора-1 (см. табл. 1) показало, что у проростков сорта Ан 9 при субстратном окислении сукцината величина V4s по сравнению с контролем повышалась на 21, V3 (после добавления АДФ) — на 15 %, V4 — сохранялась в пределах контроля. В варианте с глутаматом в тех же условиях показатель V4s увеличивался на 13,6; V3 — на 28,4; V4 — на 12,5 % относительно контроля (см. табл. 1). У сорта Ан 60 при использовании в качестве субстрата сукцината значения V3, V4, ДК и АДФ/О возрастали соответственно на 19,4; 4,8; 12,16 и 18,3 %, в варианте с глутаматом значения V3  и V4 — соответственно на 19,1 и 13,6 %  по сравнению с контролем (см. табл. 1). По нашему мнению, эти данные можно рассматривать как указание на специфичность действия ферростимулятора-1 в отношении изученных сортов хлопчатника. Как и в вариантах с УДП железа и меди, при предпосевной обработке ферростимулятором-1 увеличение потребления кислорода приводило к повышению скорости переноса электронов от субстрата по дыхательной цепи к молекулярному кислороду и возрастанию АТФ-синтезирующей активности митохондрий.
Известно, что железо и медь входят в состав компонентов электронно-транспортной цепи хлоропластов (2). В наших исследованиях обработка семян УДП железа и меди стимулировала фотохимическую активность хлоропластов из листьев растений хлопчатника (табл. 2), причем она различалась как в контроле, так и на фоне действия стимуляторов. Так, у сорта Ан 9 в фазу бутонизации НАДФ-восстанавливающая активность после предпосевной обработки семян в суспензии УДП железа была выше контроля в фазу бутонизации, цветения и в период созревания соответственно на 34,3; 61,7 и 44,9 %, а при применении УДП меди — соответственно на 20,9; 28,3 и 22,9 %.

 Растения сорта Ан 402 оказались более отзывчивыми: при обработке суспензией УДП железа повышение НАДФ-восстанавливающей  активности хлоропластов по фазам онтогенеза составило соответственно 48 %, более чем 2,5 раза и 42,8 % по сравнению с контрольными значениями. Сходная закономерность сохранялась в варианте с УДП меди — увеличение соответственно на 32,6; 80,0 и 20,8 % относительно контроля.
У растений сорта Ан 60 показатели фотохимической  актив-ности также возрастали: в варианте с УДП железа в фазу бутонизации и цветения они превышали контрольные соответственно на 46,2 и 51,3 %, а в фазу созревания отмеченное увеличение было больше, чем у двух других сортов. На фоне действия суспензии УДП меди фотохимическая активность хлоропластов, выделенных из листьев этого сорта, по фазам онтогенеза возросла относительно контрольных значений соответственно на 25,3; 20,3 и 13,8 %.
Таким образом, на основании полученных данных можно заключить, что УДП железа, меди и ферростимулятор-1 оказывают стимулирующее действие на биоэнергетические процессы в митохондриях и хлоропластах растений изученных сортов хлопчатника, что способствует  ускорению прорастания семян и более интенсивному развитию растений. Стимулирующий эффект связан с повышением активности окислительно-восстановительных ферментов и фотохимической активности в хлоропластах, а также усилением синтеза и ресинтеза АТФ как одного из основных факторов регуляции метаболизма.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. S p i e l l e r  S.,  T e r r y  N. Factors in photosynthesis. II. Iron stress diminishes photochemical capacity by reducing the number of photosynthetic units. Plant Physiol., 1980, 65(1): 121-123.
2. E s p e n  I.,  D e l l’ O r t o  M.,  D e N.P. e.a. Metabolic responses in cucumber (Cucumis satuvus) roots under Fe-definiency: A 31P-nuclear magnetic resonance in vivo study. Planta, 2000, 210(6): 985-992.
3. Ф е д о р о в  Ю.И.,  Б у р л а к о в а  Е.Б.,  О л ь к о в с к а я  И.П. К вопросу о возможности применения высокодисперсных порошков металлов в качестве биологически активных соединений. Докл. АН СССР, 1979, 249(5): 1277-1281.
4. Ф е д о р о в  Ю.И. Высокодисперсные порошки металлов — новый класс биологически активных препаратов. Автореф. докт. дис. М., 1983.
5. Г о р б а ч е в  А.А. Повышение всхожести семян перца и моркови за счет обработки их ультрадисперсными и сверхтонкими препаратами (УДП) металлов. Канд. дис. М., 2001.
6. Д а в р о н о в  К.С.,  У с м а н о в  Р.М.,  К у ч к а р о в  К.К. и др. Рост и развитие растений хлопчатника под влиянием ультрадисперсных порошков железа и меди. С.-х. биол., 2006, 3: 58-61.
7. Д а в р о н о в  К.С.,  К у ч к а р о в  К.К.,  Ю л ч и е в  Э.Ю. Влияние ультрадисперсных порошков железа и меди на активность некоторых дегидрогеназ митохондрий корней хлопчатника. Узб. биол. журн., 2004, 4: 18-21.
8. З о р и н  Е.В. Особенности влияния предпосевной обработки клубней картофеля ультрадисперсными порошками и солями железа и меди на их урожайные свойства. Канд. дис. М., 2004.
9. М у х и н  Е.М.,  А к у л о в а  Е.А.,  Г и н е х  В.К. Препаративное получение белковых компонентов фотосинтетической электронно-транспортной цепи. В кн.: Методы выделения и исследования белков — компонентов фотосинтетического аппарата. М.—Пущино-на-Оке, 1973: 20-25.
10. П а в л о в  Г.В.,  О к п а т а х-Г о д в и н  А.К.,  С ы ч е в  А.В. Оценка воздействия нанодисперсного железа на картофель. Межд. с.-х. журн., 2002, 1: 57-58. 
11. С а р м о с о в а  А.Н. Влияние ультрадисперсных порошков металлов и биологически активных веществ на урожайность капусты белокочанной и устойчивость растений к болезням. Канд. дис. М., 2002.
12. Т у х т а б а е в а  Ф.М.,  Д а в р о н о в  К.С.,  К у р б о н б о е в  И.Ж. и др. Электрофоретическое исследование влияния ультрадисперсных порошков железа на белки семян хлопчатника. Химия природ. соед.,  2006, 4: 384-385.
13. Т у х т а б а е в а  Ф.М.,  Д а в р о н о в  К.С.,  К у ч к а р о в  К.К. и др. Аминокислотный состав водорастворимых белков семян хлопчатника на фоне действия ультрадисперсных порошков железа и ферростимулятора. Узб. биол. журн., 2006, 4: 10-13.
14. П а в л о в  Г.В.,  О к п а т а х-Г о д в и н  А.К.,  П а в л е н к о  С.П. и др. Применение нанодисперсного железа в сельскохозяйственном производстве. Межд. с.-х. журн., 2003, 1: 59-62.
15. А с к а р о в  И.Р., К а р и м о в  С.К., К а с ы м о в  А.К. и др. п-Феноксиферроценил калий, проявляющий свойства стимулятора всхожести семян и урожайности хлопчатника. АС СССР ¹ 1329152, 1987.
16. С а ф а р о в  К.С.,  М у х а м м е д о в  А.А.,  К о н о в  В.В. и др. Получение активных митохондрий из корней проростков хлопчатника. Физиол. раст., 1985, 32(5): 1018-1023.
17. Г у л а н я н  С.А., К у р е л л а  Г.А., А в е р ь к о в  А.А. и др. Техника изготовления электродной системы для определения парциального давления молекулярного кислорода в жидком или газообразном виде. Биол. науки, 1973, 1: 131-133.
18. C h a n c e  B.,  W i l l i a m s  C.R. Respiratory enzyme in oxidative phosphorylation. J. Biol. Chem., 1955, 217(1): 383-427.
19. Г а в р и л е н к о  В.Ф.,  Л а д ы г и н а  М.Е.,  Х о н д о б и н а  Л.М. Метод выделения хлоропластов. В кн.: Большой практикум по физиологии растений. М., 1975: 192-396.
20. А с а т и а н и  В.С. Новые методы биохимической фотометрии. М., 1965: 483-510.

INFLUENCE OF ULTRA-DISPERSED POWDER OF METALS AND POTASSIUM p-PHENOXIFERROCENIL ON ENERGETIC SYSTEM OF COTTON’S CELLS

S u m m a r y

K.S. Davronov, R.M. Usmanov, K.K. Kuchkarov

The effect of presowing wetting of cotton seeds of early-ripen cultivar AN 402, middle-ripen cultivar An 9 and late-ripen cultivar An 60 in the suspension of ultra-dispersed powder (UDP) of iron, copper and in the solution of potassium p-phenoxiferrocenil (ferrostimulator-1) on respiration and oxidative phosphorylation of mitochondrion’s of cells of roots of 8-day cotton seedlings and to photochemical activity of chloroplasts from cotton leaves in the main phases of development have been studied. It was shown that iron and copper UDP and ferrostimulator-1 stimulated the activity of cells bioenergetics system that promotes to the growth acceleration and the raising of photosynthetic activity.