Формирование качества зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применении фиторегуляторов в условиях центрального района нечерноземной зоны
На правах рукописи
Жарихина Анастасия Аркадьевна
Формирование качества зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от
уровня азотного питания и применении фиторегуляторов в условиях
Центрального района Нечерноземной зоны
03.01.05 — Физиология и биохимия растений
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва 2013
Работа выполнена на кафедре агрономической, биологической химии и радиологии ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. Тимирязева
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Новиков Николай Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры органической, пищевой и биохимии Московского государственного университета пищевых производств Карпиленко Геннадий Петрович кандидат биологических наук, доцент кафедры генетики и биотехнологии РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева Карсункина Наталия Петровна
Ведущая организация: ГНУ Московский научно-исследовательский институт сельского хозяйства «Немчиновка»
Защита состоится 28 мая 2013г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д.220.043.08 при ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева по адресу: г.Москва, ул.Прянишникова, д.15 (почтовый адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 49;
(тел./факс (499) 976-24-92, (499) 976-40-94).
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им. Н.И.Железнова РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева.
Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета С.Л. Белопухов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Качество зерна пшеницы в значительной степени определяется содержанием и составом белков, а также зависит от активности ферментов, оказывающих влияние на его технологические и посевные качества.
Особенно важное значение в формировании технологических и посевных качеств зерна имеет ферментный комплекс гидролаз, представленных амилазами и протеазами (Минеев В.Г., Павлов А.Н., 1981;
Кондратьев М.Н., 1991;
Карпиленко Г.П., 1994;
Chang S.Y., Delwiche S.R., 1999;
Braziene Z, 2007;
Злотников А.К., 2008).
Содержание и состав белков в зерне пшеницы зависят от режима азотного питания растений. Повышение уровня азотного питания пшеницы инициирует синтез запасных белков, в результате чего увеличивается содержание клейковины и улучшаются хлебопекарные свойства зерна. Под влиянием азотных удобрений изменяется соотношение в зерне клейковинных и легкорастворимых (альбумины и глобулины) белков, а также уровень амилазной и протеазной активности (Воллейдт Л.П. и др., 1976;
Strong W.M., 1982;
Павлов А.Н., 1985, 1992;
Новиков Н.Н., 1995, 2010;
Костин В.И. и др., 2006). Вместе с тем точные параметры изменения состава белков и уровня активности в зерне гидролитических ферментов в зависимости от уровня азотного питания в условиях конкретных природно-климатических регионов для современных генотипов пшеницы пока ещё остаются не выясненными.
На формирование урожая пшеницы, хлебопекарных и посевных качеств зерна существенное влияние могут оказывать фиторегуляторы, которые вызывают интенсификацию физиолого-биохимических процессов в вегетирующих растениях, созревающем и прорастающем зерне (Прусакова Л.Д., Чижова С.И., 1996;
Завалин А.А., Сергалиев Н.Х., 2000;
Шаповал А.И. и др., 2009;
Thompson M.Y., 2004;
Friebe A., 2006). Однако действие фиторегуляторов на формирование качества зерна пшеницы изучено ещё недостаточно. Выявлен небольшой набор регуляторных веществ и не определена специфика их действия на растения с учётом гидротермических условий года, а также режима питания сельскохозяйственных культур.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – выяснить влияние уровня азотного питания и фиторегуляторов на состав белков, технологические свойства зерна, активность амилаз и протеаз в зерне яровой мягкой пшеницы при её выращивании на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве в условиях Центрального района Нечернозёмной зоны, а также оценить последействие рассматриваемых факторов на активность амилаз и протеаз в прорастающем зерне.
В задачи исследований входило:
- выяснить влияние уровня азотного питания на технологические свойства зерна, содержание и состав белков, а также активность амилаз и протеаз в зерне яровой мягкой пшеницы при её выращивании на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве;
- выяснить влияние уровня азотного питания на концентрацию аминокислот в листьях вегетирующей пшеницы и оценить возможность использования данного показателя для прогнозирования величины и качества урожая яровой мягкой пшеницы, а также необходимости проведения поздних азотных подкормок;
- изучить возможность применения фиторегуляторов, способных воздействовать на физиолого-биохимические процессы в созревающих зерновках пшеницы, для формирования высококачественного зерна с повышенным содержанием белков и клейковины, улучшенными составом белков и реологическими свойствами клейковины, с уровнем активности гидролитических ферментов, отвечающим требованиям хлебопекарного производства;
- оценить последействие высокого уровня азотного питания растений и фиторегуляторов на активность в прорастающем зерне пшеницы амилаз и протеаз, оказывающих существенное влияние на посевные качества зерна и получаемого из него солода.
Научная новизна работы. В опытах с яровой мягкой пшеницей, проведенных на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, установлено, что при повышении дозы допосевного внесения азота до 150 кг/га существенно возрастают продуктивность пшеницы, содержание в зерне белков и сырой клейковины, стекловидность и натура зерна, масса 1000 зерен, снижается активность кислых и щелочных протеаз в зерне, но происходит ослабление клейковины и повышение в зерновках активности -амилаз. Некорневая азотная подкормка растений пшеницы мочевиной в фазе начала формирования зерна снижает в нём активность -амилаз.
В проведенных опытах получены новые сведения о влиянии уровня азотного питания на состав запасных белков в зерне пшеницы. Показано, что повышение белковости зерна под влиянием высокой дозы азота и поздней некорневой азотной подкормки сопровождается увеличением в составе белкового комплекса зерна доли клейковинных белков до 70-72%, а относительная концентрация легкорастворимых белков (альбуминов и глобулинов) уменьшается до 19-20%. При этом в составе легкорастворимых белков зерна возрастает доля глобулинов, в составе клейковинных белков – глютенинов.
В ходе исследований впервые выяснено, что на фоне внесения высокой дозы азота при обработке растений пшеницы в фазе колошения фиторегулятором альбит снижается активность -амилаз и кислых протеаз в зерне, что улучшает его хлебопекарные свойства. В опытах с проростками пшеницы установлено последействие высокого уровня азотного питания, поздней некорневой азотной подкормки и фиторегуляторов эпин-экстра и рибав-экстра на активность амилаз и протеаз в прорастающем зерне. Выявлена тесная корреляционная связь между концентрацией аминокислот в соке листьев вегетирующих растений и уровнем азотного питания, а также продуктивностью и качеством зерна яровой мягкой пшеницы.
Практическая значимость работы. Полученные результаты исследований по влиянию уровня азотного питания, поздней некорневой азотной подкормки и применения фиторегуляторов на формирование урожая, качество зерна и состав белков в созревающем зерне могут быть использованы в современных технологиях выращивания яровой мягкой пшеницы на дерново подзолистой среднесуглинистой почве при обосновании применения азотных удобрений и фиторегуляторов с целью формирования устойчивых урожаев высококачественного зерна, предназначенного для хлебопекарного производства. Результаты изучения последействия высокого уровня азотного питания, поздней некорневой азотной подкормки и фиторегуляторов на биохимические процессы в прорастающем зерне представляют значительный интерес для разработки приёмов повышения качества семенного зерна и зерна, предназначенного для получения солода. Установленная в полевых опытах тесная корреляционная связь между концентрацией аминокислот в соке листьев, величиной урожая и качеством зерна яровой мягкой пшеницы может послужить основой для обоснования нового метода диагностики азотного питания и прогнозирования уровня урожайности и качества зерна мягкой пшеницы.
Публикации. По теме диссертации опубликовано семь печатных работ, из которых три в журналах из перечня ВАК.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были доложены на Международных научно-практических конференциях РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева (Москва, 2010, 2011 гг.);
на 46-й Международной научной конференции молодых ученых «Эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (М.: ВНИИА, 2012).
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 179 страницах стандартного текста и включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть (5 глав), общее заключение, выводы, практические рекомендации, список использованной литературы, приложения.
Иллюстративная часть диссертации представлена в виде 47 таблиц и рисунков. Список литературных источников содержит 321 наименование, в том числе 56 работ зарубежных авторов.
1. Методика исследований и условия проведения опытов Исследования с яровой мягкой пшеницей сорта Иволга проводились на Полевой опытной станции РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева в 2010- гг. Почва на опытном участке дерново-подзолистая среднесуглинистая, содержание гумуса – 2,4-2,5 %, РО (по Кирсанову) – 20–22, КО (по Масловой) – 16–18 мг на 100 г почвы, рН солевой вытяжки – 5,8. Площадь делянок – 1 м, повторность опытов пятикратная, норма высева – из расчёта 5. млн. всхожих семян на 1 га, способ размещения делянок – систематический.
Схема опытов по изучению режима азотного питания пшеницы включала следующие варианты: 1 – без внесения азота;
2 – N;
3 – N;
4 – N;
5 – N;
– N + N (некорневая подкормка);
7 – N + N (некорневая подкормка).
Основную дозу азота вносили до посева в виде аммиачной селитры, некорневую азотную подкормку пшеницы проводили раствором мочевины в фазе начала формирования зерна (через неделю после цветения). В качестве общего фона на всех делянках опыта предусматривалось фосфорно-калийное питание – РК (в виде суперфосфата и хлористого калия).
На фоне внесения дозы азота 150 кг/га изучалось действие фиторегуляторов альбит, эпин-экстра, новосил и рибав-экстра. Обработку растений пшеницы фиторегуляторами проводили в фазе колошения при следующих концентрациях рабочего раствора: эпин-экстра – 0,003, рибав экстра – 0,01, альбит – 0,003, новосил – 0,006 мл/л;
расход раствора – 30 мл/м2.
Технологические показатели зерна оценивали стандартными методами:
массу 1000 зерен – ГОСТ 10842-89, натуру – ГОСТ 10840-64, стекловидность – ГОСТ 10987-76, содержание клейковины и ее качество – ГОСТ 13586.1-68.
Концентрацию аминокислот в соке листьев пшеницы определяли в пробе вегетативной массы, которая включала второй лист сверху, взятый с главных побегов в фазе образования первого стеблевого узла (Новиков, 1995).
Содержание белков в зерне пшеницы определяли по белковому азоту. Белковые фракции выделяли путем последовательной экстракции из навески цельносмолотого зерна обессоленной водой, 10%-ным раствором KCl, 70% ным раствором этанола и 0,2%-ным раствором NaOH. В каждой белковой фракции определяли содержание азота микрометодом Кьельдаля. Активность амилаз изучали методом йод-крахмальной пробы, активность протеаз – по Ансону (Плешков, 1985). Активность амилаз выражали в мг гидролизованного крахмала, активность протеаз – в микромолях тирозина, образовавшихся за час в расчете на 1 г зерна или на 1мг белков. Для определения активности амилаз и протеаз в прорастающих зерновках пшеницы их проращивали на воде при 25°С. В анализ включали проросшие зерновки после удаления ростков и корешков.
Статистическую обработку экспериментального материала проводили методом дисперсионного анализа с использованием компьютерной про грамммы «Straz» в модификации информационно-вычислительного центра РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (Версия 2.1, 1989-1991). Коэффициенты корреляции рассчитывали с использованием компьютерной программы Microsoft Office Excel 2010.
Результаты исследований 2. Формирование урожая и качества зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения фиторегуляторов В проведенных опытах было установлено, что при повышении дозы допосевного внесения азота до 150 кг/га продуктивность яровой мягкой пшеницы возрастала на 47-76%, содержание в зерне белков увеличивалось на 3 4,2%, сырой клейковины – на 3,4-4,3%, стекловидность зерна – на 5-10%, натура – на 38-47 г/л, масса 1000 зерен – на 3,9-9,9 г, но наблюдалось ослабление клейковины на 5-10 единиц ИДК (табл. 1, 2, 3, 4). Оценивая полученные результаты, можно отметить, что увеличение показателей, характеризующих стекловидность зерна, содержание в зерне белков и клейковины, улучшает хлебопекарные свойства зерна, а некоторое ослабление клейковины (возрастание ИДК) в определённой степени их ухудшает.
Таблица 1. Зерновая продуктивность, технологические свойства зерна и концентрация аминокислот в соке листьев пшеницы в опыте 2010 г.
в соке листьев, Сырая клейко Концентрация единицы ИДК клейковины, аминокислот Масса Стекловид тирозина в микромоли Варианты 1 мл сока Качество ность, % Урожай вина, % Натура, зёрен, г зерна, г/м г/л Без внесения азота 134 6, 82 661 26,8 25,7 N60 157 5, 85 673 27,2 25,9 N90 175 5, 86 682 28,5 27,6 N120 210 4, 87 694 28,4 28,5 N150 236 4, 92 708 30,7 30,0 N150+ N30 подк. 240 90 707 29,7 33,5 N120+ N30 подк. 215 87 702 28,6 31,8 N150+альбит 247 88 715 30,7 29,2 N150+рибав 243 87 710 29,5 30,1 N150+эпин 256 85 718 29,8 28,6 N150+новосил 230 88 707 30,5 30,0 НСР05 14 5 5 2,2 2 5 Повышение белковости зерна под влиянием высокой дозы азота ( кг/га) сопровождалось увеличением в составе белкового комплекса зерна доли глиадинов на 1,4-2,7%, глютенинов – на 6,3-6,6% и уменьшением концентрации водорастворимых белков на 3-3,1%, глобулинов – на 1,1-2,2%, неэкстрагируемых белков – на 3,6-4% (табл. 3, 4). При повышении уровня азотного питания пшеницы доля клейковинных белков в общем белковом комплексе зерна возрастала от 60 до 68-69%, а относительная концентрация легкорастворимых белков (альбуминов и глобулинов) уменьшалась от 26-27% до 21-22% (рис. 1), в результате чего отношение клейковинных к легкорастворимым белкам возрастало от 2,2 до 3-3,2. При увеличении дозы азота, вносимого до посева пшеницы, в составе легкорастворимых белков зерна возрастала доля глобулинов, в составе клейковинных белков – доля глютенинов.
Поздняя некорневая азотная подкормка растений пшеницы мочевиной повышала содержание в зерне белков на 1,1-1,4%, сырой клейковины – на 2,6 3,5% без изменения её реологических свойств (на фоне внесения дозы азота кг/га). Под влиянием подкормки в общем белковом комплексе зерна возрастала доля глютенинов (на 1,5-2,6%) и глиадинов (на 0,7-1,2%), а концентрация водорастворимых белков и глобулинов уменьшалась (соответственно на 1,1% и 1,1-1,3%) Таблица 2. Зерновая продуктивность, технологические свойства зерна и концентрация аминокислот в соке листьев пшеницы в опыте 2011 г.
в соке листьев, единицы ИДК Урожай зерна, Концентрация аминокислот клейковины, Сырая клей Масса Стекловид микромоли тирозина в Варианты ковина,% 1 мл сока Качество ность, % Натура, зёрен, г г/м г/л Без внесение азота 201 5, 80 710 28,5 24,4 N60 210 5, 83 721 30,5 25,3 N90 254 4, 80 731 33,7 25,8 N120 281 4, 86 728 36,1 27,1 N150 296 4, 85 748 38,4 27,8 N150+ N30 подк. 283 87 751 38,2 30,5 N120+ N30 подк. 285 83 738 35,5 29,7 N150+альбит 302 87 750 38,5 27,8 N150+рибав 315 86 752 38,8 28,3 N150+эпин 310 83 754 38,2 28,0 N150+новосил 295 85 748 38,1 27,5 НСР05 15 5 5 2,1 2 5 В целом доля клейковинных белков (глиадинов и глютенинов) возрастала на 2,7-3,3%, а концентрация легкорастворимых белков (альбуминов и глобулинов) уменьшалась на 2,2-2,4%, в результате чего отношение содержания клейковинных к легкорастворимым белкам увеличивалось до 3,5 3,8.
Выявлено влияние погодных условий на формирование урожая, технологических свойств и состава белков зерна пшеницы. Засуха 2010 г.
значительно снизила выполненность зерновок пшеницы, в результате чего происходило уменьшение массы 1000 зёрен и натуры зерна. Повышение продуктивности растений пшеницы в условиях 2011 г., когда во время созревания зерна сумма осадков была на уровне средних многолетних данных, сопровождалось небольшим снижением содержания клейковины, что объясняется ослаблением синтеза клейковинным белков, особенно в вариантах с внесением азотного удобрения, в которых отмечалось понижение отношения содержания в зерне клейковинных белков к количеству легкорастворимых белков. Кроме того, в 2011 г. ухудшалось качество клейковины и показатель ИДК в варианте с высокой дозой азота увеличивался до 80 стандартных единиц, что уже соответствовало II группе качества клейковины.
Таблица 3. Содержание и состав белков в зерне пшеницы в опыте 2010 г.
Азот фракций в % от белкового азота Содержание белков, % Варианты Водораство Глютенины Глобулины Глиадины Неэкстра гируемые римые белки белки Без внесения азота 10,5 13,3 13,7 28,8 31,2 13, N60 11,7 12,0 12,7 30,0 33,6 11, N90 13,0 12,3 12,6 30,5 34,4 10, N120 14,1 10,5 12,8 31,2 36,2 9, N150 14,7 10,2 11,5 31,5 37,8 9, N150+ N30 подк. 15,8 9,1 10,2 32,2 40,4 8, N120+ N30 подк. 14,7 9,8 10,9 32,0 38,6 8, 15,1 10,3 11,0 31,6 38,0 9, N150+альбит 15,0 10,1 11,0 31,7 38,2 9, N150+рибав 14,5 10,3 11,3 31,5 37,6 9, N150+эпин 14,4 10,5 11,4 31,3 37,4 9, N150+новосил НСР05 0,5 0,3 0,5 0,5 0,4 0, Таблица 4. Содержание и состав белков в зерне пшеницы в опыте 2011 г.
Азот фракций в % от белкового азота Содержание белков, % Варианты Водораство Глютенины Глобулины Глиадины Неэкстра гируемые римые белки белки Без внесения азота 11,9 13,8 12,9 29,7 30,4 13, N60 12,9 12,3 13,4 30,6 31,9 11, N90 13,4 12,2 12,3 30,7 33,1 11, N120 13,7 11,6 12,4 31,0 34,5 10, N150 14,9 10,8 11,8 31,1 36,7 9, N150+ N30 подк. 16,3 9,7 10,7 32,3 38,2 9, N120+ N30 подк. 14,6 10,4 11,5 31,9 36,9 9, N150+альбит 15,7 10,4 11,7 31,2 36,9 9, N150+рибав 14,6 11,0 11,5 30,8 36,8 9, N150+эпин 15,9 10,8 11,8 31,4 36,5 9, N150+новосил 13,6 11,0 11,7 31,1 36,4 9, НСР05 0,5 0,7 0,5 0,5 0,5 0, Рис 1. Изменение содержания клейковинных (шкала слева) и легкорастворимых (шкала справа) белков в зерне пшеницы в зависимости от дозы азота в опыте 2011 г., % от общего количества белков.
Таблица 5. Активность амилаз в зерне пшеницы урожая 2010 г.
мг гидролизованного крахмала за в % от общей активности 1 час в расчете на 1 г зерна -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы Общая Варианты активность амилаз Без внесения азота 6,4 93, 42,5 2,7 39, N60 53,9 3,7 50,2 6,9 93, N90 51,5 4,7 46,8 9,1 90, N120 63,9 5,6 58,3 8,8 91, N150 73,9 10,2 63,7 13,8 86, N150+ N30 подк. 81,9 4,7 77,2 5,7 94, N120+ N30 подк. 72,0 3,2 68,8 4,4 95, N150 +альбит 80,9 7,6 73,3 9,4 90, N150 +рибав 76,8 8,7 68,1 11,3 88, N150 +эпин 71,5 9,5 62,0 13,3 86, N150 +новосил 75,9 8,6 67,3 11,3 88, НСР05 1,3 0,6 1,4 - В ходе исследований было также установлено, что при повышении уровня азотного питания растений пшеницы в её зерновках возрастала общая активность амилаз, причём в общей активности амилаз доля -амилазной активности увеличивалась, а -амилазной активности уменьшалась (табл. 5, 6), что свидетельствует об ухудшении хлебопекарных свойств зерна. Под влиянием поздней некорневой азотной подкормки доля -амилазной активности в зерне пшеницы существенно уменьшалась, а доля активности амилаз возрастала, и это уже свидетельствует об улучшении хлебопекарных свойств зерна.
Возрастание активности амилаз в зерне при повышении уровня азотного питания пшеницы обусловлено увеличением концентрации ферментных белков, что может быть вызвано ослаблением синтеза белковых ингибиторов амилаз, связывающих ферментные белки в неактивные комплексы. Понижение активности -амилаз в зерне под влиянием поздней некорневой азотной подкормки возможно происходит в результате более активного связывания свободных форм этих ферментов белками-ингибиторами, синтез которых в зерне, вероятно, усиливается под воздействием мочевины.
Таблица 6. Активность амилаз в зерне пшеницы урожая 2011 г.
мг гидролизованного крахмала за 1 в % от общей час в расчете на 1 г зерна активности -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы Общая активность Варианты амилаз Без внесения азота 50,7 4,8 45,9 9,5 90, N60 60,3 5,5 54,8 9,1 90, N90 61,7 7,2 54,5 11,7 88, N120 80,9 9,0 71,9 11,1 88, N150 73,2 15,3 57,9 20,9 79, N150+ N30 подк. 76,5 11,2 65,3 14,6 85, N120+ N30 подк. 78,3 3,9 74,4 5,0 95, N150 +альбит 77,6 13,8 63,8 17,8 82, N150 +рибав 76,5 14,5 62,0 19,0 81, N150 +эпин 69,9 15,7 54,2 22,5 77, N150 +новосил 79,1 16,2 62,9 20,5 79, НСР05 1,7 1,1 2,5 - Следует отметить влияние гидротермического режима на биохимические процессы в созревающем зерне пшеницы. В более благоприятных условиях влагообеспеченности (2011 г.), когда повышалась продуктивность растений, отмечалось возрастание активности -амилаз в зерне, тогда как доля амилазной активности уменьшалась. В данном случае повышение активности -амилаз в зерне, вероятно, связано с неполным связыванием белками ингибиторами амилаз созревающего зерна (Новиков Н.Н., 1995).
При повышении уровня азотного питания пшеницы в зерновках понижалась активность как кислых (активных при рН=5,8), так и щелочных (активных при рН=8,0) протеаз, а под действием поздней некорневой азотной подкормки активность этих ферментов существенно не изменялась (табл. 7).
Снижение активности протеаз в зерне, предназначенном для хлебопекарной переработки, является фактором, улучшающим его хлебопекарные свойства. В более благоприятных условиях влагообеспеченности растений (2011 г.) отмечалось повышение активности кислых протеаз и понижение активности щелочных протеаз в зерне пшеницы.
В связи с тем что при повышении уровня азотного питания пшеницы происходит ухудшение хлебопекарных свойств зерна в результате понижения упругости клейковины и возрастания активности -амилаз изучалось влияние на эти показатели фиторегуляторов, которыми обрабатывали растения в фазе колошения. Из четырёх изучаемых фиторегуляторов выявлено более устойчивое действие на качество зерна эпин-экстра. Под действием данного фиторегулятора происходило увеличение натуры зерна и повышение упругости клейковины (табл. 1, 2).
Таблица 7. Активность кислых (рН=5,8) и щелочных (рН=8,0) протеаз в зерне пшеницы урожаев 2010-2011 гг., мкмоль тирозина за 1 час в расчёте на 1 г зерна Кислые протеазы Щелочные протеазы Варианты 2010 г. 2011 г. 2010 г. 2011 г.
Без внесения азота 49,2 56,3 25,4 20, N60 45,6 54,5 21,8 18, N90 46,4 49,1 19,9 17, N120 39,5 41,8 16,3 13, N150 37,1 40,9 14,5 10, N150+ N30 подк. 38,7 39,9 13,6 11, N120+ N30 подк. 37,2 40,9 17,2 14, N150 +альбит 33,1 38,2 16,3 9, N150 +рибав 37,4 39,9 18,2 12, N150 +эпин 39,1 43,6 15,4 9, N150 +новосил 37,6 39,1 13,6 11, НСР05 1,5 1,7 1,3 0, Повышение упругости клейковины под действием эпин-экстра, по видимому, связано с тем, что этот фиторегулятор возможно понижает активность фермента протеиндисульфидредуктазы, который восстанавливает дисульфидные связи в клейковинных белках, в результате чего количество дисульфидных связей в клейковине увеличивается и возрастает её упругость.
В отдельные годы изучаемые фиторегуляторы оказывали влияние на накопление белков в зерне пшеницы и содержание белковых фракций (табл. 3, 4), но их действие не повторялось на следующий год, поэтому эти данные требуют дальнейшего изучения.
По результатам двухлетних опытов установлено, что фиторегуляторы альбит, рибав-экстра и новосил при их применении в фазе колошения пшеницы увеличивали общую амилазную активность в зерне главным образом за счёт повышения концентрации -амилаз, а фиторегулятор эпин-экстра понижал общую активность амилаз в зерне в результате уменьшения концентрации амилаз (табл. 5, 6). Однако только один из фиторегуляторов (альбит) понижал активность -амилаз, вызывающих ухудшение хлебопекарных свойств зерна при внесении высокой дозы азота (150 кг/га). Действие этого фиторегулятора на активность -амилаз по-видимому можно объяснить его влиянием на синтез ферментных белков или синтез белков-ингибиторов амилаз. Более точно действие данного фиторегулятора может быть выяснено в ходе дальнейших исследований.
При изучении активности протеолитических ферментов в зерне пшеницы выяснено, что фиторегулятор рибав-экстра повышает активность щелочных протеаз, эпин-экстра – кислых протеаз и это не отвечает задаче улучшения хлебопекарных свойств зерна, так как повышение активности протеаз вызывает ослабление клейковины при формировании хлебопекарного теста. Однако фиторегулятор альбит понижал активность кислых протеаз в зерне пшеницы (табл. 7), поэтому при его применении возможно улучшение хлебопекарных свойств зерна. Причём, как уже выяснено, данный фиторегулятор способен понижать активность -амилаз в зерне.
Таким образом, из четырёх изучаемых фиторегуляторов выявлено достаточно устойчивое действие на хлебопекарные свойства зерна трёх из них.
Под действием эпин-экстра наблюдалось увеличение натуры зерна и повышение упругости клейковины, однако возрастала активность кислых протеаз в зерне. Рибав-экстра повышал активность в зерновках щелочных протеаз. В связи с тем что при повышении активности протеаз ухудшаются хлебопекарные свойства зерна, указанные фиторегуляторы не могут быть рекомендованы для практического применения. При обработке растений пшеницы в фазе колошения фиторегулятором альбит понижалась активность амилаз и кислых протеаз в зерне. Поэтому возможно его применение для улучшения хлебопекарных свойств зерна пшеницы на фоне внесения высоких доз азота.
3. Связь продуктивности и показателей качества зерна пшеницы с концентрацией аминокислот в соке листьев вегетирующих растений В проведенных полевых опытах оценивалось содержание аминокислот в листьях вегетирующей пшеницы и было показано, что этот показатель очень хорошо коррелирует с дозами вносимого азота (r = -0,96…-0,99). В варианте без внесения азота концентрация аминокислот в соке листьев в фазе образования первого стеблевого узла достигала максимального значения и это свидетельствовало об ослаблении их потребления на синтез структурных и функционально активных белков (рис. 2). При увеличении дозы азота концентрация аминокислот в соке листьев понижалась в результате усиления потребления аминокислот на синтез структурных и функционально активных белков, что наблюдается при активизации ростовых процессов. Исходя из полученных данных, можно рекомендовать определение концентрации аминокислот по указанной выше методике для диагностики азотного питания пшеницы, по результатам которой устанавливается целесообразность проведения поздних азотных подкормок.
В ходе исследований установлена тесная корреляция между концентрацией аминокислот в соке листьев вегетирующей пшеницы и продуктивностью растений, а также показателями качества зерна: натурой зерна, массой 1000 зёрен, содержанием белков и клейковины в зерне, содержанием в зерне белковых фракций (альбуминов и легкорастворимых глобулинов, глиадинов, глютенинов, неэкстрагируемых белков), активностью протеолитических ферментов.
Рис 2. Изменение концентрации аминокислот в соке листьев пшеницы в фазе образования первого стеблевого узла в зависимости от дозы азота.
В связи с этим по результатам определения аминокислот в соке листьев можно с достаточно высокой точностью прогнозировать величину и качество урожая яровой мягкой пшеницы. Необходимо также отметить, что определение концентрации аминокислот в соке листьев пшеницы выполняется достаточно быстро и с использованием относительно несложной методики.
4. Последействие уровня азотного питания и фиторегуляторов на активность амилаз и протеаз в прорастающем зерне пшеницы Изучение активности гидролитических ферментов в прорастающем зерне показало, что зерно пшеницы, выращенной при высоком уровне азотного питания растений (дозы азота 90-150 кг/га), на 7 сутки проращивания имело повышенную активность -амилаз (табл. 8, 9;
рис. 3), но более низкий уровень общей амилазной активности. Повышение уровня -амилазной активности в прорастающем зерне усиливает процесс гидролиза амилопектина, в результате чего более активно происходит мобилизация запасного крахмала.
Поздняя некорневая азотная подкормка пшеницы на фоне внесения высокой дозы азота до посева (150 кг/га) снижала уровень -амилазной активности в прорастающем зерне, что ухудшает семенные качества зерна, так как в данном случае ослабляется интенсивность мобилизации в зерновках запасного крахмала.
Таблица 8. Последействие уровня азотного питания и фиторегуляторов на активность амилаз в прорастающем зерне пшеницы урожая 2010 г., мг гидролизованного крахмала за 1 час в расчёте на 1 мг белка Зрелое Длительность проращивания зерно 1 сутки 3 суток 5 суток 7 суток Варианты -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы Без внесения азота 1,3 18,9 8 46 42 68 203 186 456 N60 1,5 20,2 10 52 48 65 244 178 483 N90 1,9 18,7 11 66 47 70 241 184 531 N120 2,1 21,7 14 67 55 78 270 137 554 N150 3,4 21,1 17 70 63 66 287 134 568 N150+ N30 подк. 1,5 24,3 17 68 72 69 223 135 511 N120+ N30 подк. 1,1 23,6 15 70 65 78 219 149 537 N150 +альбит 2,3 22,1 17 70 65 66 277 103 539 N150 +рибав 2,8 21,9 17 68 68 70 281 136 502 N150 +эпин 3,2 20,7 15 60 60 62 260 122 577 N150 +новосил 2,8 21,7 18 67 67 79 285 144 581 НСР05 0,3 0,7 1,3 4,0 3,6 6,9 10,9 10,8 10,3 9, В прорастающем зерне отмечалось понижение протеазной активности в вариантах с внесением азотного удобрения (табл. 10, 11;
рис. 6, 7), особенно с повышенными дозами азота (120 и 150 кг/га). Последнее свидетельствует об определённом ухудшении семенных свойств зерна, так как для активного роста проростков необходима активная мобилизация запасных белков в прорастающем зерне, которая происходит при более высокой активности протеолитических ферментов. Поздняя некорневая азотная подкормка существенно не влияла на активность кислых и щелочных протеаз в прорастающем зерне.
Рис. 3. Активность -амилаз в прорастающем зерне пшеницы урожая 2010 г. (в % от общей активности амилаз) В опытах с проростками пшеницы выявлено последействие фиторегуляторов на активность в зерне протеаз. В прорастающем зерне пшеницы, полученном в варианте с применением фиторегулятора эпин-экстра, наблюдалось повышение активности кислых протеаз, а в варианте с применением рибав-экстра – щелочных протеаз, что свидетельствует об улучшении семенных качеств зерна при обработке растений пшеницы данными фиторегуляторами.
Таким образом, установлено, что при выращивании яровой мягкой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве повышение продуктивности растений и одновременно улучшение технологических свойств зерна наблюдалось в варианте с допосевным внесением дозы азота 150 кг/га и применением на этом фоне некорневой азотной подкормки в фазе начала формирования зерна. Для снижения активности -амилаз и кислых протеаз в зерне, ухудшающих его хлебопекарные свойства, возможно применение фиторегулятора альбит, обработка которым растений пшеницы проводится в фазе их колошения. Выявлено также положительное действие фиторегулятора эпин-экстра, который увеличивал натуру зерна и улучшал качество клейковины, однако этот фиторегулятор повышал активность кислых протеаз в зерне, что ухудшает его хлебопекарные свойства.
Таблица 9. Последействие уровня азотного питания и фиторегуляторов на активность амилаз в прорастающем зерне пшеницы урожая 2011 г., мг гидролизованного крахмала за 1 час в расчёте на 1 мг белка Зрелое Длительность проращивания зерно 1 сутки 3 суток 5 суток 7 суток Варианты -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы -амилазы Без внесения азота 2,3 21,8 11 73 75 115 254 256 481 N60 2,5 24,9 14 78 84 131 237 297 555 N90 3,0 22,7 15 84 88 109 204 335 586 N120 3,6 28,7 22 72 94 100 128 384 592 N150 5,1 19,3 26 70 76 111 142 399 613 N150+ N30 подк. 3,5 20,4 29 71 76 87 268 247 483 N120+ N30 подк. 1,4 26,5 25 67 83 96 249 261 573 N150 +альбит 2,3 22,1 17 70 65 66 277 103 539 N150 +рибав 2,8 21,9 17 68 68 70 281 136 502 N150 +эпин 3,2 20,7 15 60 60 62 260 122 577 N150 +новосил 2,8 21,7 18 67 67 79 285 144 581 НСР05 0,3 0,7 1,3 4,0 3,6 6,9 10,9 10,8 10,3 9, В опытах с проростками выяснено, что семенные качества зерна ухудшаются при выращивании пшеницы на высоком фоне азотного питания (дозы азота 120-150 кг/га) вследствие существенного понижения активности кислых и щелочных протеаз в зерне. Поздняя некорневая азотная подкормка пшеницы мочевиной не улучшала семенных качеств зерна, так как снижала активность -амилаз, активизирующих мобилизацию в прорастающих зерновках запасного крахмала. Поэтому при получении семенного зерна более оптимальным является средний уровень азотного питания при дозе азота кг/га без применения поздней некорневой азотной подкормки.
В ходе изучения действия гидролитических ферментов в прорастающем зерне выяснено, что в вариантах с применением альбита, рибав-экстра и эпин экстра отмечалось понижение общей амилазной активности в зерне 7-суточных проростков, что свидетельствует об ухудшении семенных качеств зерна. В варианте с альбитом в зерне 7-суточных проростков общая активность амилаз понижалась без изменения соотношения и -амилазной активности, в вари анте с рибав-экстра – за счёт уменьшения доли -амилазной активности, а в варианте с эпин-экстра – за счёт уменьшения активности -амилаз или амилаз. Сопоставление этих данных показывает, что наименьшее отрицательное последействие на семенные качества зерна оказывал альбит.
Таблица 10. Последействие уровня азотного питания и фиторегуляторов на активность кислых (рН=5,8) и щелочных (рН=8,0) протеаз в прорастающем зерне пшеницы урожая 2010 г., мкмоль тирозина за 1 час в расчёте на 1 мг белка Зрелое Сроки проращивания Зерно 1 сутки 3 суток 5 суток 7 суток щелочные Варианты кислые щелочные щелочные щелочные щелочные кислые кислые кислые кислые Без внесения азота 2,4 1,6 3,0 2,0 6,8 4,0 10,9 8,5 15,9 11, N 2,2 1,1 2,7 1,8 6,0 3,8 10,0 8,0 14,4 11, N 2,2 1,1 2,4 1,7 5,9 3,8 9,9 7,6 13,6 10, N 1,9 0,8 2,2 1,4 5,3 3,4 9,4 7,7 13,1 9, N 1,7 0,7 2,0 1,0 4,9 3,0 8,7 6,7 12,6 9, N + N30 подк. 1,7 0,6 2,0 0,9 5,6 2,9 9,4 6,4 11,6 9, N + N30 подк. 1,7 0,9 2,3 1,2 5,3 3,2 9,3 7,3 12,7 9, 1,6 0,8 2,0 0,9 4,9 2,8 9,0 6,2 11,6 8, N150 +альбит 1,8 1,0 2,1 1,2 5,0 3,3 9,2 7,2 12,8 10, N150 +рибав 1,8 0,6 2,4 1,1 5,8 3,2 9,6 7,8 13,5 9, N150 +эпин 1,8 0,6 2,1 1,0 4,9 3,2 8,6 6,9 12,2 9, N150 +новосил НСР 0,3 0,3 0,3 0,3 0,5 0,4 0,6 0,4 0,7 0, Рис 4.. Активность кислых протеаз (рН=5,8) в прорастающем зерне пшеницы в опыте 2011 г. (микромоли тирозина за 1 час в расчёте на 1 мг белка) Рис 5. Активность щелочных протеаз (рН=8,0) в прорастающем зерне пшеницы в опыте 2011 г. (микромоли тирозина за 1 час в расчёте на 1 мг белка) Таблица 11. Последействие уровня азотного питания и фиторегуляторов на активность кислых (рН=5,8) и щелочных (рН=8,0) протеаз в прорастающем зерне пшеницы урожая 2011 г., мкмоль тирозина за 1 час в расчёте на 1 мг белка Зрелое Сроки проращивания Зерно 1 сутки 3 суток 5 суток 7 суток щелочные Варианты кислые кислые кислые кислые кислые щелоч щелоч щелоч щелоч ные ные ные ные Без внесения азота 2,8 1,2 3,3 1,7 8,8 4,8 13,8 10,1 16,7 13, N 2,7 1,1 3,2 1,5 8,4 4,5 11,9 8,7 15,1 13, N 2,3 1,0 2,6 1,4 8,1 4,0 11,2 8,2 15,8 12, N 2,1 0,9 2,3 1,4 7,6 3,8 9,8 7,8 14,2 11, N 1,9 0,6 2,1 0,9 6,5 3,4 9,8 7,9 13,0 11, N + N30 подк. 1,8 0,6 2,1 0,9 7,3 2,6 10,4 8,0 12,5 10, N + N30 подк. 2,2 0,7 2,6 1,2 9,3 3,3 7,3 7,8 13,5 11, 1,9 0,6 2,2 0,9 6,2 3,4 8,8 7,8 12,2 10, N150 +альбит 2,0 0,8 2,5 1,3 6,8 4,4 9,7 8,8 13,4 12, N150 +рибав 2,0 0,5 2,4 1,1 7,1 3,7 10,3 7,9 13,9 11, N150 +эпин 1,9 0,7 2,0 1,0 5,3 3,4 9,4 7,9 11,8 11, N150 +новосил НСР 0,3 0,3 0,4 0,3 0,6 0,3 0,7 0,5 0,9 0, При изучении последействия фиторегуляторов на активность гидролитических ферментов в прорастающем зерне показано, что обработка растений пшеницы в фазе колошения фиторегуляторами эпин-экстра и рибав экстра повышала активность протеолитических ферментов, однако снижала активность амилаз. Поэтому однозначного улучшения семенных качеств зерна не наблюдалось и, по-видимому, изучаемые фиторегуляторы не могут быть использованы в технологии выращивания зерна пшеницы, предназначенного для использования в качестве семенного материала в растениеводстве или в производстве солода.
Выводы 1. В опытах с яровой мягкой пшеницей сорта Иволга, проведенных на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве, установлено, что при повышении дозы допосевного внесения азота до 150 кг/га продуктивность растений пшеницы возрастала на 47-76%, содержание в зерне белков увеличивалось на 3-4,2%, сырой клейковины – на 3,4-4,3%, стекловидность зерна – на 5-10%, натура зерна – на 38-47 г/л, масса 1000 зерен – на 3,9-9,9 г, существенно снижалась активность кислых и щелочных протеаз в зерне, но наблюдалось ослабление клейковины на 5-10 единиц ИДК и повышение в зерновках активности -амилаз, что в определённой степени ухудшало хлебопекарные свойства зерна.
2. Повышение белковости зерна под влиянием высокой дозы азота ( кг/га) сопровождалось увеличением в составе белкового комплекса зерна доли глиадинов на 1,4-2,7%, глютенинов – на 6,3-6,6% и уменьшением концентрации водорастворимых белков на 3-3,1%, глобулинов – на 1,1-2,2%, неэкстрагируемых белков – на 3,6-4%, в результате чего доля клейковинных белков в общем белковом комплексе зерна (глиадинов и глютенинов) возрастала до 68-69%, а относительная концентрация легкорастворимых белков (альбуминов и глобулинов) уменьшалась до 21-22%. При этом в составе легкорастворимых белков зерна возрастала доля глобулинов, в составе клейковинных белков – глютенинов.
3. Некорневая азотная подкормка растений пшеницы мочевиной в фазе начала формирования зерна повышала содержание в зерне белков на 1,1-1,4%, сырой клейковины – на 2,6-3,5% и существенно снижала активность -амилаз, что улучшало хлебопекарные свойства зерна. Под влиянием азотной подкормки доля клейковинных белков в общем белковом комплексе зерна возрастала на 2,7-3,3%, а концентрация легкорастворимых белков уменьшалась на 2,2-2,4%.
4. На фоне внесения высокой дозы азота (150 кг/га) выявлено влияние на качество зерна фиторегуляторов эпин-экстра и альбита. При обработке растений пшеницы в фазе их колошения фиторегулятором эпин-экстра происходило увеличение натуры зерна и повышение упругости клейковины, но возрастала активность кислых протеаз в зерне, что ухудшало его хлебопекарные свойства. При обработке пшеницы в той же фазе альбитом понижалась активность -амилаз и кислых протеаз в зерне, что свидетельствует о возможном применении этого фиторегулятора для улучшения хлебопекарных свойств зерна пшеницы на фоне внесения высоких доз азота.
5. При более благоприятном гидротермическом режиме повышение продуктивности растений пшеницы сопровождалось ослаблением синтеза клейковинных белков, понижением упругости клейковины (увеличение показателя ИДК), повышением активности -амилаз и кислых протеаз в зерне, в результате чего ухудшались его хлебопекарные свойства.
6. В ходе исследований установлена тесная корреляция между концентрацией аминокислот в соке листьев пшеницы в фазе образования первого стеблевого узла и дозами вносимого азота, продуктивностью растений, а также показателями качества зерна. В связи с этим по концентрации аминокислот в соке листьев в указанной фазе роста и развития растений возможно прогнозирование величины и качества урожая яровой мягкой пшеницы. а также обоснование применения поздних азотных подкормок.
7. В опытах с проростками яровой мягкой пшеницы выяснено, что при её выращивании на высоком фоне азотного питания (дозы азота 120-150 кг/га) формируется зерно, в котором в процессе прорастания понижена активность кислых и щелочных протеаз, что ухудшает его семенные свойства. Поздняя некорневая азотная подкормка пшеницы мочевиной также ухудшала семенные качества зерна, так как снижала в нём активность -амилаз. Полученные результаты свидетельствуют о том, что высококачественное семенное зерно формируется при умеренном режиме азотного питания (доза азота 90 кг/га) без применения поздней некорневой азотной подкормки.
8. Изучение последействия фиторегуляторов на активность гидролитических ферментов показало, что обработка растений пшеницы в фазе колошения фиторегуляторами эпин-экстра и рибав-экстра повышала активность протеолитических ферментов, но снижала активность амилаз в прорастающем зерне, в результате чего не происходило улучшения семенных качеств зерна. Поэтому изучаемые фиторегуляторы по-видимому не могут применяться при производстве зерна пшеницы, предназначенного для использования в качестве семенного материала.
Практические рекомендации При выращивании яровой мягкой пшеницы на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве в условиях Центрального района Нечернозёмной зоны для снижения активности -амилаз и повышения содержания белков в зерне на фоне внесения повышенных доз азота (120-150 кг/га) рекомендуется применение некорневой азотной подкормки раствором мочевины в фазе начала формирования зерна (через 5-7 дней после цветения пшеницы) с дозой азота кг/га. Для прогнозирования некорневой азотной подкормки яровой мягкой пшеницы рекомендуется определять концентрацию аминокислот в соке листьев в фазе образования первого стеблевого узла с включением в анализируемую пробу от каждого диагностируемого растения второго верхнего листа, в котором уже стабилизировались физиолого-биохимические процессы.
Список опубликованных работ 1. Новиков Н.Н., Жарихина А.А. Качество зерна яровой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения фиторегуляторов // Плодородие, 2012.- Вып. 1.- С. 8-10.
2. Новиков Н.Н., Жарихина А.А. Состав белков и качество зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения фиторегуляторов при выращивании на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве // Плодородие, 2012.- Вып. 5.- С. 7-10.
3. Новиков Н.Н., Жарихина А.А. Состав белков и качество зерна яровой мягкой пшеницы (T. AESTIVUM) в зависимости от уровня азотного питания и применения фиторегуляторов при выращивании на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве // Известия ТСХА, 2012.- Вып. 5.- С. 73-82.
4. Жарихина А.А. Роль фиторегуляторов в интенсивных технологиях возделывания зерновых культур // Международная научная конференция молодых ученых и специалистов, посвященная 145-летию академии К.А.
Тимирязева: сборник статей.- Том I. М.: Издательство РГАУ-МСХА, 2010 г.- С.
186-190.
5. Жарихина А.А. Формирование качества зерна яровой мягкой пшеницы в зависимости от уровня азотного питания и применения фиторегуляторов./ Агропромышленный комплекс: состояние, проблемы, перспективы: сборник статей VII Международной научно-практической конференции / МНИЦ ПГСХА.- Пенза: РИО ПГСХА, 2011. – С. 41.
6. Жарихина А.А. Влияние уровня азотного питания и применения фиторегуляторов на технологические свойства зерна яровой мягкой пшеницы // Международная научная конференция молодых ученых и специалистов:
сборник статей.- Том I. М.: Издательство РГАУ-МСХА, 2012 г.- С. 109-112.
7. Жарихина А.А. Влияние уровня азотного питания и применения фиторегуляторов на амилазную активность зерна яровой мягкой пшеницы.
/Эффективность применения средств химизации в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур: сборник статей 46 Международной научной конференции молодых ученых / ВНИИА.- Москва, 2012. – с. 60-63.