Влияние препаратов природного происхождения на урожайность хлопчатника и качество волокна при засолении почв

АННОТАЦИЯ

Изучалось влияние препарата природного происхождения ДАГ-1 на активность ферментов целлюлазы и супероксиддисмутазы, участвующих в формировании хлопкового волокна, а также на количество целлюлозы. Проведен гистохимический анализ содержания АФК в волокне и подтвержден положительный эффект обработки ДАГ-1 на качество волокна.

ABSTRACT

This study investigated the effect of the preparation based on natural compounds DAG-1 on the activity of cellulase and superoxide dismutase enzymes involved in the formation of cotton fiber, as well as on the amount of cellulose. The histochemical analysis was performed to determine the amount of ROS in the fiber, and the positive effect of DAG-1 treatment on fiber quality was confirmed.

Ключевые слова: хлопок, солевой стресс, препараты природного происхождения, хлопковое волокно, интегумент, целлюлаза.

Keywords: cotton, salt stress, the preparation based on natural compounds, cotton fiber, integument, cellulаse.

Засоление почв является одной из основных глобальных проблем в сельском хозяйстве. В последнее время засоление почв стало более распространенным из-за ускорения землепользования в глобальном масштабе. Хлопчатник выращивается во всем мире как прибыльная культура. Хотя он классифицируется как одна из ведущих культур, способных расти на тяжелых, засоленных почвах с мелиорированными условиями, количество засоления почвы отрицательно сказывается на ее росте, урожайности и качестве волокна.

Для преодоления таких проблем в последнее время проводятся многочисленные молекулярно-генетические, физиологические и селекционные исследования [1]. Ряд исследований, проведенных нами показали, что стимулятор ДАГ-1 (супрамолекулярный комплекс глицирризиновой и салициловой кислот), разработанный в Институте биоорганической химии АН РУз стимулирует развитие устойчивости к стрессу и рост хлопчатника [7].

Хлопковые волокна и волоски образуются из активных клеток внешнего эпидермиса семенной оболочки. Общее количество клетчатки в семенах составляет 10-15 тысяч в зависимости от сорта, условий ухода за хлопчатником. В процессе развития хлопковое волокно меняет свою структуру со дня раскрытия цветка до момента его обрезки. В этом процессе активные формы кислорода (АФК) участвуют в биосинтезе клеточной стенки. Супероксид-анион-радикал и H₂O₂ играют важную роль в формировании ковалентных связей между белковым и углеводным компонентами клеточной стенки, увеличивая прочность клеточной стенки волокна [2]. Клеточная стенка волокна (оболочка) состоит из слоев целлюлозы и покрыта снаружи слоем кутикулы.

Если выход хлопкового волокна в Узбекистане увеличится на один процент, можно будет получить дополнительно 11-12 тысяч тонн волокна. Увеличив выход волокна на один процент при сохранении объемов производства хлопка в стране можно уменьшить площадь высева хлопчатника порядка 15-16 тысяч гектаров. Следовательно наши исследования были направлены на изучение влияния стимулятора ДАГ-1 на увеличение содержания целлюлозы и на сроки формирование хлопкового волокна. С этой целью исследовали изменения в активности ферментов целлюлазы и супероксиддисмутазы (СОД), участвующих в образовании хлопкового волокна, накопление целлюлозы, а также качественное определение содержания АФК в волокне, как показатель степени зрелости волокна.

Методы исследования

В данном исследовании семена сорта Султан перед посевом выдерживали в растворе ДАГ-1 в концентрации 10^-7 М в течение 12 ч. Обработанные семена были высеяны на засоленную почву Сырдарьинской области. Вторая обработка стимулятора ДАГ-1 методом распыления проводилась на стадии бутонизации хлопчатника. Период роста хлопкового волокна длится 30-35 дней после цветения. В связи с этим мы проводили полевые опыты в динамике времени - на 20, 30, 40 день после раскрытия первого цветка.

Количество целлюлозы в оболочках определяли методом Updegraff [5]. Активность целлюлазы была основана на процессе гидролиза целлюлозы в щелочной среде с использованием натрий-карбоксиметилцеллюлозного субстрата (Na-КМЦ), количество образующихся редуцирующих сахаров определяли по методу Шомади-Нельсона [8]. Концентрацию белка определяли по методу Лоури [3]. Общую активность фермента СОД определяли по ингибированию фотохимического восстановления нитросинего тетразола (НCT) в щелочной среде [6]. Для определения количества АФК в волокне был использован раствор НСТ.

Результаты обработаны в Microsoft Excel. Определены средний индекс отклонения (±M) и индекс статистической надежности (P). Результаты исследований менее P <0,05 считались статистически достоверными.

Результаты и их обсуждение

Хлопчатник сорта Султан был обработан стимулятором ДАГ-1 методом опрыскивания на стадии бутонизации. Для выявления эффекта препарата на накопление целлюлозы и созревание волокна нами были проведены биохимические и гистохимические исследования в динамике развития коробочек хлопчатника, собранных после обработки стимулятором (после 20, 30, 40 дней).

Согласно полученным результатам, активность фермента целлюлазы в 20-, 30- и 40-дневных интегументах семян в развивающихся коробочках в образцах обработанных ДАГ-1 снизилась на 24,4%, 25,4% и 35,9% соответственно, в то время как содержание целлюлозы повышалось на 129,6%, 22,7% и 83,4% соответственно (рис. 1).

Из литературы известно, что для процесса синтеза вторичной клеточной стенки требуется большое количество целлюлозы, и в этих процессах предполагается участие H₂O₂ в индукции синтеза целлюлозы клеточной стенки [4]. В настоящее время известно, что основным источником H₂O₂ в клетке является реакция дисмутации супероксид анион-радикала, с участием фермента СОД. Следовательно, контролируя активность этого фермента, можно будет увеличить длину волокна.

Рисунок 1. Активность целлюлазы и супероксиддисмутазы в интегументе развивающихся семян хлопчатника Султон в динамике (20, 30, 40 дн) накопления целлюлозы при обработке препаратом ДАГ-1 на стадии бутонизации

 Количество целлюлозы в контрольных образцах

 Количество целлюлозы в экспериментальных образцах, обработанных препаратом ДАГ-1

 Активность фермента целлюлазы в контрольных образцах

 Активность фермента целлюлазы в экспериментальных образцах, обработанных ДАГ-1

Исследования активности СОД в динамике - 20, 30, 40 дней показали, что значение активности фермента было выше в 20-дневных интегументах семян коробочек, обработанные стимулятором ДАГ-1 и в 30-дневных интегументах контроля (Таблица 1).

Таблица 1.

Влияние препарата природного происхождения ДАГ-1 на активность супероксиддисмутазы в 20, 30, 40-дневных интегументах семян в развивающихся коробочках хлопчатника сорта Султан

По результатам приведенных в таблице 1 активность СОД в 30 дневных коробочках обработанных ДАГ-1 была самой высокой, по сравнению с контролем. В 40 дневных коробочках хлопчатника активность фермента была низкой, по сравнению с контролем, свидетельстующие о созревании волокна и окончании формирования вторичной клеточной стенки, которое запаздывало в контрольных растениях. Эти данные были подтверждены гистохимическими исследованиями на основе детекции супероксид радикалов окрашиванием НСT в развивающихся волокнах свежесобранных коробочках хлопчатника (рис.2).      

Рисунок 2. Детекция супероксид радикалов окрашиванием НСT в развивающихся волокнах свежесобранных коробочках хлопчатника сорта Султан:

а- волокна 20 дн. коробочек; б- волокна 30 дн. коробочек; с- волокна 40 дн. коробочек

В соответствии c рисунком 2, гистохимическое окрашивание волокон нитросиним тетразолием позволил выявит степень присутствия супероксида, который образовал комплекс с формазаном – чем интенсивность окраски, тем больше содержится АФК. Гистохимический анализ волокна выявил образование вторичной клеточной стенки под действием препарата ДАГ-1 и уменьшение количества супероксид-аниона, свидетельствующее утолщение клеточной стенки волокна.

На основании оптических наблюдений и гистохимического анализа было установлено, что под воздействием препарата ДАГ-1 созревание хлопкового волокна наступает на 10 дней раньше, чем у контроля. Урожайность хлопка на засоленных площадях Сырдарьинской области увеличилась в среднем на 5 центнеров по сравнению с контролем.

Чтобы определить влияние ДАГ-1 на показатели качества волокна (длину волокна, прочность и удлинение), как одну из основных характеристик хлопка-сырца, провели тестирование с помощью HVI (High Volume Instrumentation) (Таблица 2). Согласно данным, образцы, обработанные ДАГ-1, имели длину волокна 1,11 дюйма, твердость 32,2 тсила/ текс и относительное удлинение 6,2%. В контрольных образцах эти значения составили 1,06 дюйма длины волокна, 30,0 ткуч / текс и удлинение 6,1%.

Таблица 2.

Влияние обработки ДАГ-1 на показатели качества волокна

Выводы: Исследования показали, что природный стимулятор ДАГ-1 не только вызывает устойчивость хлопчатника к стрессовым факторам и стимулирует рост, но также положительно влияет на созревание хлопкового волокна.

Было подтверждено, что высокое качество волокна можно получить за счет потенциала биохимической устойчивости хлопчатника с помощью препарата природного происхождения ДАГ-1.

Список литературы:

1. Deilein U., Stephan A., B., Horie T., Luo W., Xu G. Schroeder J. I. Plant salt-tolerance mechanisms // Trend. In Plant Sci. – 2014. – Vol 19. – P. 371 -377.
2. Hee Jin, Kim Naohiro, Kato Sunran Kim. “Cu/Zn superoxide dismutases in developing cotton Wbers: evidence for an extracellular form” Planta (2008) 228:281–292.
3. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A .L., Randall R .J. Protein measurement with Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. – 1951. – №1 (265-275).
4. Kim H.J., Kato N., Kim S., Triplett B. Cu/Zn superoxide dismutases in developing cotton  W bers: evidence for an extracellular form // Planta 2008.- 228. – P.281–292
5. Updegraff M.M. Semimicro determination of cellulose in biological materials//Analyt. Biochem. 1969. V.32, #3, p. 420
6. Борисова Г.Г. и др. Методы оценки антиоксидантного статуса растений: учеб.-метод. пособие / под ред. Н.В. Чукина. – Екатеринбург: Урал ун-та, 2012. – (72 с). ISBN 978-5-7996-0738-8.
7. Хашимова Н.Р., Мамасолиева М.А., Гафуров М.Б., Ахунов А.А. “Супрамолекулярный комплекс глицирризиновой кислоты с салициловой кислотой - экологически безопасный индуктор устойчивости хлопчатника” Узбекский химический журнал. -2016. -№ 4.- С.92-96.
8. Итоги науки и техники, серия биотехнология. Том 25, М. 1990. Методы изучения и свойства целлюлозолитических ферментов, под редакцией С.Д. Варфоломеева .