НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

МАКОВЕЙЧУК ТЕТЯНА ІВАНІВНА

УДК 581.143.58.02:577.175.1

ФІЗІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЗАСТОСУВАННЯ ПРОДУКТІВ ТЕРМОФІЛЬНОГО МЕТАНОВОГО БРОДІННЯ ЯК СТИМУЛЯТОРА РОСТУ ТА РОЗВИТКУ РОСЛИН

03.00.12 – фізіологія рослин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України

Науковий керівник: доктор біологічних наук

Яворська Вікторія Казимирівна,

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України,

завідувач відділу фізіології росту і розвитку рослин

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Терек Ольга Іштванівна,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

завідувач кафедри фізіології та екології рослин

доктор біологічних наук, старший науковий співробітник

Косаківська Ірина Василівна,

Інститут ботаніки ім. М.Г.Холодного НАН України,

старший науковий співробітник відділу фітогормонології

Провідна установа:

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Захист відбудеться „ 16 ” січня 2003р. о _10_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26.212.01 в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська 31/17, тел. 263-51-50.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України: 03022, м. Київ, вул. Васильківська 31/17.

Автореферат розісланий ” 13 ” грудня 2002р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради . Труханов В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним з важливих шляхів підвищення продуктивності сільськогосподарських культур крім застосування агротехнічних прийомів та впровадження досягнень селекції є використання регуляторів росту синтетичного та природного походження. Вважають, що в ХХІ-му столітті в галузі виробництва сільськогосподарської продукції збільшення врожаю буде базуватись на досягненнях генетичної інженерії, селекції нових сортів з більш ефективним фотосинтезом та застосуванні регуляторів росту рослин (Никелл, 1984; Шевелуха, 1992).

Потенційна генетично обумовлена продуктивність виведених на сьогодні сортів досягає для зернових культур близько 100 ц/га, картоплі та цукрових буряків – 500 – 1000 ц/га, кукурудзи на зерно – 150 – 250 ц/га. Щоб реалізувати цю потенційну продуктивність сучасні технології отримання високих врожаїв передбачають створення оптимальних режимів живлення рослин, їх надійного захисту від хвороб, бур’янів та шкідників.

Але такі засоби як добрива, пестициди та інші прийоми агротехніки вже практично вичерпали свої можливості стосовно підвищення врожайності сільськогосподарських культур. Крім того, сучасні традиційні технології є досить енергоємними. Таким чином, саме необхідність інтенсифікації виробництва продуктів харчування при значному скороченні енергетичних витрат робить актуальним пошук нових елементів агротехнічних технологій. Таким шляхом підвищення продуктивності сільськогосподарських культур є впровадження регуляторів росту, зокрема створених на основі фітогормонів, не шкідливих для людини і тварин, тобто екологічно безпечних регуляторів росту (Дульнев, Вилесов та ін., 1999; Шевелуха, 1992). Такими регуляторами росту є препарати, створені на основі морських водоростей, серед яких найбільшого поширення набули „Nitrozyme”, “Maxicrop”, “Sea magic” (Савінський, Яворська, Драговоз, 1995), “Kerry Enhancer” (O’Sullivan, 2001) та інші. Комплексними препаратами з рістрегулюючою активністю є також відходи грибівництва (Перепелиця, Несторова та ін., 2001).

На сьогодні у світі існує проблема накопичення відходів переробної промисловості, зокрема харчової та спиртодріжджової. Відходи у вигляді рідких та концентрованих сумішей накопичуються на звалищах та у відстійниках, поступають у ґрунтові води, отруюють грунт, забруднюючи таким чином навколишнє середовище .

Проблему можна частково вирішити завдяки утилізації цих відходів при створенні безвідходного виробництва. Одним із таких шляхів вирішення цієї проблеми є застосування термофільного метанового зброджування цих відходів. Термофільно зброджені відходи (зокрема при виробництві спирту та кави) є джерелом фізіологічно активних речовин різної хімічної будови (Михлин та ін., 1971; Яворська та ін 1997; Мархайм та ін., 1997).

Роботами Мархайма, Костенберга та ін. було показано, що під впливом метаногенних бактерій, що культивувались на відходах при виробництві кави, утворюється цілий спектр фізіологічно активних речовин включно з ауксинами, фенольними сполуками та іншими речовинами (Мархайм, Костенберг та ін ., 1997).

Багатими на такі речовини виявились і продукти термофільного метанового бродіння (ПТМБ), отримані внаслідок мікробної десорбції післяспиртової та мелясної барди. Вони містять незамінні амінокислоти, вітаміни групи В (тіамін, рибофлавін, піридоксин та вітамін В12), оротову кислоту, глікопептиди, нуклеозиди та фітогормони ІОК та зеатинрибозид – останні в концентрації 2 та 2,3 мкг/г продукту. Концентрат цих продуктів використовується як вітамінна добавка до годування молодняку. Він має стандартний склад (ТУ ДСТ України 1203-92). Враховуючи широкий набір фізіологічно активних речовин, закономірно було висловити припущення про можливе їх використання для регуляції росту та розвитку рослин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі фізіології росту та розвитку рослин Інституту фізіології рослин і генетики НАН України і є частиною п’ятирічної тематики відділу “Створення регуляторів росту та дослідження фізіологічних основ їх застосування для підвищення продуктивності рослин” (реєстраційний № 0199U000386).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було експериментально встановити та теоретично обґрунтувати можливість використання продуктів термофільного метанового бродіння відходів спиртодріжджової промисловості для регуляції росту та розвитку рослин і практичного застосування їх в рослинництві. Досягнення поставленої мети передбачало вирішення таких завдань:

1. Визначити біологічну активність ПТМБ за допомогою специфічних біотестів.

2. Дослідити вплив ПТМБ на проліферативну активність кореневих меристем зернових культур, ріст надземної та кореневої маси.

3. Дослідити можливість використання ПТМБ в біотехнологічних дослідженнях в якості замінника вітамінів та фітогормонів при вирощуванні рослинних тканин в культурі in vitro.

4. Вивчити вплив ПТМБ на індукцію ризогенезу у живців квасолі; дослідити фітогормональний статус та активність різних форм пероксидази в ризогенній зоні живців квасолі при їх укоріненні.

5. Дослідити вплив ПТМБ на морфо-фізіологічні параметри та насіннєву продуктивність рослин люцерни.

Об’єкт дослідження – процеси проростання насіння, росту і розвитку рослин, проліферації кореневих меристем, процеси ризогенезу.

Предмет дослідження – насіння (зернівки) пшениці (сорти Миронівська 61, Київська остиста, Одеська 117), кукурудзи (гібрид Закарпатська жовта зубоподібна), огірків (сорт Бригадний), жита (сорт Богуславка); рослини квасолі (сорт Лопата), люцерни (сорт Ярославна).

Для досягнення поставленої в роботі мети використано такі методи дослідження: застосування біотестів, біометричні та аналітичні методи, методи тонкошарової спектроденситометрії для виявлення кількісного і якісного складу фітогормонів та методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів. За допомогою специфічних біотестів на цитокініни, ауксини та гібереліни виявлено у складі ПТМБ фітогормони індольної, цитокінінової та гіберелінової природи, що узгоджується з даними, отриманим раніше фізико-хімічними методами.

Встановлено оптимальні концентрації ПТМБ, які стимулювали проростання насіння різних видів рослин. Під впливом ПТМБ прискорювався вступ клітин зародкових меристем в 1-й клітинний цикл при проростанні насіння, стимулювались процеси ризогенезу у живців квасолі при живцюванні.

Індукція процесів ризогенезу у живців квасолі під впливом ПТМБ супроводжувалась підвищенням вмісту ендогенної ІОК з подальшим зниженням цього показника в період масового коренеутворення.

Виявлено, що індукція ризогенезу під впливом різних чинників, включно негормональних, пов’язана зі зміною фітогормонального статусу.

Застосування ПТМБ для обробки рослин люцерни по вегетації в чутливі фази її розвитку викликало зміни в балансі фітогормонів у зеленій масі цієї культури, які супроводжувались накопиченням цитокінінів при практично незмінному рівні ІОК, що сприяло підвищенню насіннєвої продуктивності та збільшенню кормової цінності вегетативної маси люцерни.

Практичне значення одержаних результатів. Показана можливість використання відходів спиртової промисловості після їх термофільного метанового зброджування для регуляції росту і розвитку рослин шляхом обробки насіння чи вегетуючих рослин з метою підвищення їх продуктивності. Результати досліджень розширюють уявлення про можливість створення комплексних регуляторів росту на основі органічних відходів харчової промисловості та розробку наукових підходів до безвідходного виробництва продуктів харчування, які дозволять одночасно вирішувати екологічні проблеми, пов’язані з утилізацією цих відходів.

Результати досліджень обґрунтовують можливість використання ПТМБ за новим призначенням – як екологічно чистого комплексного регулятора росту сільськогосподарських культур з метою підвищення їх продуктивності.

Особистий внесок здобувача. Дисертант особисто опрацювала відповідну літературу та оволоділа необхідними методиками досліджень, планувала та проводила дослідження, брала участь у підготовці матеріалів до друку в наукових виданнях. Експериментальні дані, висновки, які наведені у дисертаційній роботі, отримані здобувачем особисто.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на наукових семінарах відділу фізіології росту та розвитку рослин Інституту фізіології рослин і генетики НАН України; Міжнародній конференції “Онтогенез рослин в природному та трансформованому середовищі”(Львів, 1998); 5-й Міжнародній конференції “Регуляторы роста и развития растений” (Москва, 1999); на VII конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 2000); Міжнародній науковій конференції “Онтогенез рослин, біологічна фіксація молекулярного азоту та метаболізм азоту” (Тернопіль, 2001).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано 7 наукових праць, з них 3 статті у провідних фахових виданнях та 4 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з переліку умовних скорочень, вступу, огляду літератури, опису матеріалів та методів дослідження, чотирьох розділів експериментальної частини, узагальнення результатів досліджень, висновків, списку використаних джерел літератури з 270 найменувань. Робота викладена на 121 сторінці машинописного тексту і включає 15 ілюстрацій та 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали та методи досліджень. В дослідах використовували комерційний концентрат ПТМБ, отриманий на Андрушівському заводі (КМБ12,ТУ ДСТ України 1203-92) Житомирської області, який складається з висушених метанових бактерій та культуральної рідини, яка являє собою продукти їх життєдіяльності

Для біотестування ПТМБ на фізіологічно активні речовини застосовували відрізки колеоптилів пшениці (сорт Київська остиста) – тест на ауксини, ізольовані сім’ядолі огірка (сорт Бригадний) – тест на цитокініни, відрізки гіпокотилів кукурудзи (гібрид Закарпатська жовта зубоподібна) – тест на гібереліни.

Для дослідження впливу ПТМБ на процеси проростання та проліферативну активність кореневих зародкових меристем застосовували проростаюче насіння жита та пшениці. З цією метою використовували рулонний метод. У ході виконання визначали морфометричні показники, які знімали на 3-7 добу після початку пророщування насіння пшениці та кукурудзи.

Активність пероксидази визначали за методом Бояркіна (Бояркин, 1951; Плешков, 1976). ЇЇ ізоферментний склад - за методом Сафонова та Сафонової (Сафонов, Сафонова, 1971).

Вміст білка вcтановлювали методом К’єльдаля в модифікації Починка (Починок, 1976).

Визначення фітогормонів проводили методом спектроденситометрії в тонких шарах силікогелю „Merck”, № 5554, відповідно до методичних рекомендацій Савінського та співавторів (Савинский та ін., 1989).

Статистичне опрацювання результатів експериментів. Дослідження проводили у 3-5 повторностях для кожного кількісного показника. Отримані результати оброблені статистично за загальноприйнятою методикою (Доспехов, 1985). Похибки вимірювань не перевищували 5%.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Біологічна активність концентрату ПТМБ із застосуванням біотестів, специфічних до окремих фітогормонів. За допомогою специфічних біотестів на ауксини, цитокініни та гібереліни було встановлено, що даний концентрат при певних розведеннях проявляв цитокінінову активність. Ауксинова і гіберелінова активність були виражені значно слабше. При цьому цитокінінова активність проявляла чітку концентраційну залежність, особливо при обробці сім’ядолей ПТМБ у концентраціях 0,25-1,0 г/л; (рис. 1). В тесті на ауксини такої чіткої залежності не спостерігалось, що очевидно обумовлюється наявністю сполук фенольної природи, які нівелюють дію ауксину (рис. 2.А). Аналогічні дані отримано в роботах Мархайма та співавторів, які свідчать, що фізіологічна дія ауксинів у продуктах метанового бродіння відходів від виробництва кави проявляється тільки після видалення фенольних сполук (Мархайм та ін., 1997).

Вплив ПТМБ на мітотичну активність меристем та ростові параметри різних сортів пшениці та жита. Позитивний рістрегулюючий вплив ПТМБ виявлено і на проростаючому насінні пшениці та жита.

Встановлено, що ПТМБ (0,15-0,25 г/л) стимулював проростання насіння, ріст надземної та кореневої маси проростків жита та різних сортів пшениці. Надземна маса проростків при цьому збільшувалась на 25-70%, а коренева – на 20-50% порівняно з контролем. (рис. 3).

Відмічено певну сортову специфічність щодо дії концентрату: найчутливішими виявились сорт пшениці Одеська 117 та жито сорту Богуславка.

Відомо, що стимуляція проростання насіння під впливом фітогормонів значною мірою обумовлена збільшенням проліферативної активності меристем і прискоренням їх вступу в перший мітоз (Безвенюк, 1985; Троян 1998). Від тривалості мітотичного циклу, як і від його складової, пререплікативного періоду, залежить енергія проростання та схожість насіння. Нами було досліджено дію концентрату ПТМБ на швидкість вступу клітин у 1-й мітотичний цикл при проростанні насіння жита. Показано, що в дослідних варіантах поява перших мітозів у кореневих зародкових меристемах спостерігалась вже на 14-15-у годину від початку пророщування насіння, тоді як у контрольному варіанті мітози з’являлись тільки на 19-й годині від початку пророщування. (рис. 4).

Отже вихід клітин зародкових меристем зі стану спокою і проходження їх по клітинному циклу прискорювалось на 4-5 годин. Очевидно саме це прискорення призводило до підвищення схожості насіння під дією ПТМБ, як це спостерігається під впливом регуляторів ауксинової та цитокінінової дії (Гудков, 1985; Безвенюк 1985; Троян, 1988;).

Вплив ПТМБ на ріст клітин сої в культурі клітин in vitro. Оскільки у складі ПТМБ містяться вітаміни і фітогормони, було висловлене припущення про можливість використання цього концентрату в якості замінника дорогих синтетичних вітамінів чи фітогормонів у біотехнологічних дослідженнях, які потребують виготовлення культуральних середовищ у великому обсязі .Для цього застосовували культуру сої сорту Київська 27, що культивувалась в умовах in vitro на поживному середовищі Мурасіге - Скуга з добавкою комплексу вітамінів та фітогормонів – ІОК та кінетину. Отримані нами дані свідчать, що вирощування культури сої при наявності фітогормонів та вітамінів забезпечує їх повноцінний ріст, їх клітини інтенсивно діляться, про що свідчить збільшення кількісті клітин з розрахунку на одиницю сирої маси (рис. 5, табл. 1).

Таблиця 1

Вплив ПТМБ на ріст калюсної культури сої в умовах in vitro

Варіант | Середня вага калюсу | Кількість клітин

Абсолютні значення, г | % до контролю | Абсолютні значення

(кількість клітин на
1 г сирої маси) x 106 | % до контролю

Контроль

Культуральне середовище

(+ гормони + вітаміни) | 1,024 ± 0,05 | 100,0 | 19,7 ± 1,18 | 100,0

Культуральне середовище (без гормонів і вітамінів) | 0,41 ± 0,02 | 40,0 | 11,9 ± 0,71 | 60,4

Культуральне середовище без гормонів і вітамінів

+ ПТМБ (0,025 г/л) | 0,37 ± 0,02 | 36,1 | 12,0 ± 0,72 | 60,9

Культуральне середовище без гормонів і вітамінів

+ ПТМБ (0,012 г/л) | 0,41 ± 0,02 | 40,0 | 13,2 ± 0,67 | 67,0

Культуральне середовище + гормони + ПТМБ (0,025 г/л) | 0,97 ± 0,05 | 95,0 | 20,2 ± 1,21 | 102,5

Культуральне середовище + гормони + ПТМБ (0,012 г/л) | 1,063 ± 0,05 | 103,8 | 19,9 ± 1,21 | 101,0

Виключення фітогормонів із поживного середовища значно знижувало інтенсивність росту тканини, а культивування її без гормонів і вітамінів призводило до повної зупинки росту і поступового відмирання тканини (див. табл. 1). ПТМБ (0,025-0,012 г/л ) не можуть замінити обидва необхідні елементи в поживному середовищі, але при наявності фітогормонів можуть повністю компенсувати відсутність вітамінів: при цьому досягався контрольний рівень цих показників.

Таким чином, враховуючи, що комплекс вітамінів і фітогормонів у складі ПТМБ стимулює процеси клітинного поділу і росту рослин, він може з успіхом бути використаний у дослідах із культурою тканин in vitro.

Вплив ПТМБ на процеси коренеутворення у живців квасолі. Відомо, що під впливом фітогормонів ІОК, ІМК або їх аналогів стимулюються процеси ризогенезу у живців квасолі та інших культур, збільшується ризогенна зона живців за рахунок додаткового формування кореневих зачатків на поверхні живця. Ми висловили припущення, що такі ж процеси можуть відбуватися і під впливом ПТМБ.

Отримані нами дані свідчать, що ПТМБ в концентраціях 0,1-0,5 г/л стимулював коренеутворення у живців квасолі. Максимальний стимулюючий ефект досягався при проведенні дослідів у квітні-травні при застосуванні ПТМБ у концентраціях 0,1-0,25 г/л, а у липні - 0,5 г/л (рис. 6), тобто чутливість живців до комплексу діючих речовин ПТМБ проявляла чітко виражений сезонний характер, що обумовлено функціонуванням біохімічних механізмів, направлених на процеси регенерації та індукцію коренеутворення, властиву рослинному організмові саме на весні.

Поява на стеблах живців кореневих зачатків пов’язана зі зміною фізіологічного стану клітин задовго до появи морфологічних змін.

Фітогормональний статус та активність ферментів метаболізму ІОК на ранніх етапах коренеутворення. Дія ауксинів та інших фізіологічно активних речовин на ризогенез обумовлюється зміною балансу фітогормонів, синтезом і руйнуванням ауксинів. Літературні дані свідчать, що на ранніх етапах коренеутворення відбувається зниження рівня ауксинів, які окислюються ауксиноксидазами, переважна більшість яких є пероксидазами, що виконують функції ауксиноксидази (Гамбург та ін., 1977; Савич, 1989). Саме завдяки їх активності підтримується вміст ауксинів на рівні , необхідному для індукції клітинного поділу та диференціації новоутворених клітин в ризогенній зоні.

Обробка живців квасолі розчином ПТМБ сприяла підвищенню вмісту ендогенної ІОК через 48 год. Через 96 год. після початку досліду цей показник дещо знижувався (рис. 7). Під впливом самої ІОК ендогенний рівень фітогормонів практично не змінювався (через 48 год.), або дещо знижувався (через 96 год.) відносно контролю.

Таким чином, індукція ризогенезу пов’язана зі зменшенням ендогенного вмісту ІОК у період, що передує масовому коренеутворенню. Інтенсивність цього процесу залежала від швидкості синтезу та руйнування ауксинів, що окислюються розчинною та іонозв’язаною формою пероксидази. Вважають, що саме іонозв’язана форма, що складає 50 % всієї активності, виконує функції ауксиноксидази (Гуськов та ін., 1988). Одним із факторів, що регулюють активність ауксиноксидази є вторинні метаболіти, зокрема кофейна, оксикорична та хлорогенова кислоти (Кефели,1981). Вони здатні інгібувати ферментативне окислення ІОК і тим самим сприяти стимуляції ростових процесів. Тому причиною індукції коренеутворення у ізольованих живців квасолі може бути адитивний ефект комплексу діючих речовин – сполук індольної та фенольної природи, наявність яких, зокрема у складі продуктів метанового бродіння, переконливо продемонстрував Мархайм зі співавторами (Мархайм та ін., 1997).

Отримані нами дані свідчать, що обидві форми ферменту були значно активнішими у живців, оброблених ІОК через 48 год., а також через 96 год. після початку досліду, але під впливом ПТМБ активність іонозв’язаної форми ферменту практично не змінювалась, а розчинної була навіть меншою, ніж в контрольному варіанті (рис. 8). Це якраз і свідчить про складну природу рістстимулюючого впливу ПТМБ, суттєвим елементом якого є взаємодія ауксинів, фенольних сполук та вітамінів групи В.

Гель-електрофорез білків іонозв’язаної фракції в 10 %-му поліакриламідному гелі (ПААГ) та візуалізація пероксидаз за допомогою бензидину дозволила виявити в контролі три чітко виражені молекулярні форми цього ферменту (з Rf 0,07, 0,16, 0,76 та значно менш виражену форму з Rf 0,57) (рис 9). При цьому не було виявлено різниці у складі ізоформ малорухливої зони. Те ж саме стосується і молекулярної форми з Rf 0,76, яка відрізнялась в контрольному і дослідних варіантах лише інтенсивністю забарвлення: найбільш інтенсивною виявилась смуга у варіанті з ІОК. Цей же варіант відрізняється появою смуги з Rf 0,83, слабо забарвленої в контролі і практично відсутньої у варіантах, оброблених ПТМБ. Як ІОК, так і ПТМБ активно впливали на процес коренеутворення. Але лише у дослідах з ІОК спостерігалась активація пероксидази та її окремих ізоформ. Очевидно, це обумовлено надлишком екзогенної ІОК в провідних системах живців. Пероксидаза, асоційована з клітинною стінкою (зокрема її іонозв’язана форма) є основним бар’єром, який заважає проникненню її в клітину. Саме цим можна пояснити різний рівень активації пероксидази та її окремих ізоформ при індукції ризогенезу ІОК та ПТМБ.

Таким чином, індукція ризогенезу пов’язана зі зміною фітогормонального статусу під впливом різних чинників, включно негормональних. Стимулюючий ефект ПТМБ обумовлений комплексом діючих речовин, важливою складовою частиною яких є вітаміни групи В. Одним із можливих механізмів дії вітамінів цієї групи є зміна співвідношення між ними та фітогормонами у зв’язку з наявністю спільних шляхів у їх метаболізмі (Кефели,1981). Тому зниження ендогенного вмісту ІОК перед початком інтенсивного коренеутворення за рахунок активації окремих ізоформ пероксидази стосується, очевидно, лише варіантів, оброблених безпосередньо цим фітогормоном.

Отже нами встановлено, що ПТМБ стимулює проліферативну активність меристем, яка призводить до активації процесів ризогенезу, а також сприяє наростанню надземної та кореневої маси рослин.

Вплив ПТМБ на кормову цінність та насіннєву продуктивність люцерни. Люцерна являється цінною високобілковою кормовою культурою, що забезпечує високі та якісні врожаї зеленої маси. Але її низька насіннєва продуктивність обмежує розширення посівних площ. Ця проблема може бути вирішена шляхом впровадження високопродуктивних сортів і застосування регуляторів росту. Саме останні значною мірою сприяють реалізації потенційної продуктивності сільськогосподарських культур.

Обробка рослин люцерни оптимальною для цієї культури концентрацією ПТМБ (1,0 г/л) у фазі стеблування стимулювала збільшення надземної маси рослин, особливо на низькому фоні мінерального азотного живлення (0,25 норми азоту). Також підвищувався вміст білка, більш значний у рослин, які росли на високому фоні мінерального азотного живлення (0,5 норми). (табл. 2)

Регуляція ростових процесів та утворення репродуктивних органів рослин пов’язані зі змінами у балансі фітогормонів. Взаємодія між ауксинами та цитокінінами впливає на клітинний поділ і диференціацію бруньок, утворення коренів і формування насіння (Александрова, Плотникова, 1989; Davies, 1985). Зокрема високий рівень цитокінінів і порівняно низький ауксинів пов’язують з індукцією морфогенетичних процесів (Елагина,1999; Заплатин, Хрянин,1999).

Рослини, оброблені ПТМБ, відрізнялись підвищеним вмістом цитокінінів – зеатину та зеатинрибозиду і відносно низьким вмістом ІОК на обох фонах мінерального азотного живлення (рис. 10). Рівень АБК практично не змінювався.

Таблиця 2

Вплив ПТМБ на приріст зеленої маси люцерни і вміст білка на різних фонах азотного живлення

Варіанти дослідуНорма азоту* | Фаза стеблування | Фаза бутонізації

Маса однієї раслиниВміст білка на1 г сухої маси | Маса однієї рослиниВміст білка на1 г сухої маси

г | % до контролю | абсолютні значення, % | % до контролю | г | % до контролю | абсолютні значення,% | % до контролю

Контроль | 0,25 | 1,59 0,04 | 100 | 13,56 0,13 | 100 | 3,6 0,03 | 100 | 13,0 0,1 | 100

ПТМБ, 1,0г/л | 2,09 0,06а | 131 | 15,75 0,08а | 116 | 4,16 0,04а | 115 | 14,6 0,1а | 112

НСР0,5 | 0,20 | 0,40 | 0,46 | 0,48

Контроль | 0,50 | 2,16 0,02 | 100 | 16,62 0,01 | 100 | 4,19 0,02 | 100 | 10,3 0,1 | 100

ПТМБ, 1,0г/л | 2,23 0,04 | 103 | 17,87 0,17а | 107 | 4,60 0,04 | 109 | 16,9 0,1а | 164

НСР0,5 | 0,38 | 0,56 | 0,71 | 0,77

Примітка. В кожному варіанті досліджували по 10 рослин, розраховували середнє значення кожного з параметрів.

*В поживному середовищі за Гельрігелем

а – достовірна різниця з контролем

Накопичення ендогенних цитокінінів, очевидно, стимулювало закладання додаткових суцвіть і відповідно повноцінних насінин у бобах. Про це свідчить підвищення врожаю насіння у розрахунку на одну рослину на 18-20 % при практично незмінному показнику їх маси (табл. 3).

Отже, обробка рослин люцерни концентратом ПТМБ підвищувала інтенсивність росту та утворення насіння зазначеної культури. Одним із можливих механізмів дії ПТМБ може бути зміна балансу фітогормонів у бік накопичення цитокінінів, обумовлена взаємодією фітогормонів та вітамінів у складі ПТМБ, очевидно завдяки наявності спільних ланок у їх метаболізмі. Підвищення рівня цитокінінів стимулювало цвітіння і плодоутворення.

Таким чином, використання концентрату ПТМБ для обприскування рослин люцерни у фазах, чутливих до дії регуляторів, сприяло збільшенню їх зеленої маси, стимулювало формування квіткових бруньок та утворення насіння. Результатом цього є підвищення насіннєвої продуктивності цієї культури. Отримані дані свідчать про можливість вирішення важливої проблеми – підвищення врожайності люцерни шляхом застосування ПТМБ, який є комплексним регулятором росту.

В умовах польового досліду при обприскуванні посівів пшениці на IV і, повторно, на V етапах органогенезу отримано дані, що свідчать про підвищення врожаю цієї культури, яке досягалось за рахунок збільшення кількості зерен у колосі, а не маси насіння. Величина приросту врожаю залежала від агротехнічного фону та умов вирощування, необхідних для проходження окремих етапів органогенезу, зокрема IV та V етапів, на яких відбувається формування генеративних органів та активне проходження диференціації конуса.

Таблиця 3

Вплив ПТМБ на насіннєву продуктивність люцерни при дворазовому обприскуванні рослин на різних фонах азотного живлення

Варіанти досліду | Норма азоту* | Маса 1000 насінин | Маса насіння на одну рослину

Абсолютні значення, г | Відносно контролю, % | Абсолютні значення, г | Відносно контролю, %

Контроль | 0,25 | 1,92 ± 0,1 | --- | 0,26 ± 0,13 | ---

ПТМБ, 1 г/л | 1,96 ± 0,2 | 2,1 | 0.31 ± 0.12а | 18,2

НСР0,5 | 0,45 | 0,03

Контроль | 0,50 | 1,72 ± 0,11 | --- | 0.24 ± 0.09 | ---

ПТМБ, 1 г/л | 1,80 ± 0,08 | 4,6 | 0.29 ± 0.12а | 20,7

НСР0,5 | 0,29 | 0,04

Примітка. В кожному варіанті досліджували по 10 рослин, розраховували середнє значення кожного з параметрів.

*В поживному середовищі за Гельрігелем

а – достовірна різниця з контролем

Висновки

1. При дослідженні біологічної активності ПТМБ за допомогою специфічних біотестів виявлено цитокінінову та ауксинову активність, що корелює з наявністю у його складі ІОК та цитокінінів, виявлених раніше фізико-хімічними методами.

2. Встановлена стимулююча дія ПТМБ на ріст надземної та кореневої маси різних культур. На прикладі різних сортів пшениці доведена сортова специфічність дії ПТМБ.

3. Під впливом ПТМБ стимулювалась проліферативна активність зародкових меристем проростаючого насіння зернових культур (пшениці та жита), спостерігалось скорочення тривалості клітинного циклу у жита, обумовлене зменшенням пререплікативного періоду і, як наслідок, прискорювалось проростання насіння.

4. Включення ПТМБ до складу поживного середовища сприяло інтенсивному росту калюсної культури сої, що свідчить про можливість його використання в умовах біотехнологічних досліджень в якості замінника дорогих синтетичних вітамінів при вирощуванні великої маси рослинного матеріалу.

5. ПТМБ, як і ІОК, стимулював процеси ризогенезу у ізольованих живців квасолі, інтенсивність яких мала чітко виражений сезонний характер.

6. Індукція процесів ризогенезу під впливом ПТМБ супроводжувалась підвищенням ендогенного рівня ІОК в клітинах ризогенної зони живців квасолі на початкових етапах ризогенезу та зменшенням цього показника в період, що передував масовому коренеутворенню.

7. Обробка рослин люцерни розчинами ПТМБ сприяла збільшенню їх зеленої маси та підвищенню насіннєвої продуктивності, обумовленої збільшенням кількості квіткових бруньок під впливом цитокінінів, ендогенний рівень яких в надземній масі дослідних рослин був значно вищий, ніж в контрольних.

8. Обприскування посівів озимої пшениці на IV – V етапах органогенезу сприяло підвищенню врожайності цієї культури, очевидно, за рахунок збільшення кількості зернин у колосі.

Список робіт, опублікованих за темою дисертації

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

АНОТАЦІЯ

Маковейчук Т.І. Фізіологічні основи застосування продуктів термофільного метанового бродіння як стимулятора росту і розвитку рослин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. – Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, 2002.

Дисертацію присвячено теоретичному обґрунтуванню та отриманню експериментальних доказів можливості практичного використання продуктів термофільного метанового бродіння (ПТМБ) відходів спиртодріжджової промисловості для регуляції росту та розвитку рослин.

Вперше за допомогою специфічних біотестів виявлено у складі продуктів термофільного метанового бродіння фітогормони цитокінінової, індольної та гіберелінової природи, що узгоджується з даними, отриманими раніше фізико-хімічними методами.

Встановлено оптимальні концентрації ПТМБ, які стимулювали проростання насіння різних видів рослин. Прискорювався вступ клітин зародкових меристем в 1–й клітинний цикл при проростанні насіння жита, стимулювались процеси ризогенезу у живців квасолі при живцюванні. Індукція процесів ризогенезу у живців квасолі під впливом ПТМБ супроводжувалась підвищенням вмісту ендогенної ІОК з подальшим зниженням її рівня в період масового коренеутворення. Виявлено, що індукція ризогенезу під впливом різних чинників, включно з негормональними, пов’язана зі зміною фітогормонального статусу.

Вперше показано, що застосування ПТМБ для обробки рослин люцерни по вегетації в чутливі фази її розвитку супроводжувалось накопиченням цитокінінів при практично незмінному рівні ІОК, що очевидно сприяло збільшенню кормової цінності вегетативної маси люцерни та підвищенню її насіннєвої продуктивності за рахунок зростання кількості насіння з розрахунку на одну рослину.

Результати проведених досліджень можуть розглядатися як теоретичне обґрунтування можливості використання продуктів термофільного метанового бродіння, як комплексного регулятора росту сільськогосподарських культур та джерела екологічно безпечних регуляторів росту, фітогормонів та вітамінів групи В.

Ключові слова: продукти термофільного метанового бродіння (ПТМБ), фітогормони, проростання насіння, квасоля, ризогенез, регулятори росту, люцерна, продуктивність, вітаміни групи В.

АННОТАЦИЯ

Маковейчук Т.И. Физиологические основы применения продуктов термофильного метанового брожения в качестве стимулятора роста и развития растений. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.12 – физиология растений. – Институт физиологии растений и генетики НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и получению экспериментальных доказательств возможности практического применения продуктов термофильного метанового брожения (ПТМБ) отходов спиртодрожжевой промышленности в качестве регулятора роста и развития растений.

Впервые с помощью специфических биотестов в составе ПТМБ обнаружены фитогормоны цитокининовой, индольной и гиббереллиновой природы, что согласуется с данными, полученными ранее физико-химическими методами. Цитокининовая активность ПТМБ имела четко выраженную концентрационную зависимость, особенно при обработке семядолей огурца в диапазоне 0,25 и 1,0 г/л ПТМБ. В тесте на ауксины и гиббереллины такой четкой зависимости не обнаружено.

Исследовано влияние и установлены оптимальные стимулирующие концентрации препарата ПТМБ на рост и развитие сельскохозяйственных культур. Показано, что при концентрациях 0,15 – 0,25 г/л стимулировались процессы прорастания семян, рост надземной и корневой массы проростков озимой ржи и разных сортов пшеницы. Отмечена сортовая специфичность в действии препарата: более чувствительными оказались пшеница сорта Одесская 117 и рожь сорта Богуславка.

Исследовано действие концентрата ПТМБ на скорость вступления клеток в 1-й митотический цикл при прорастании семян ржи. Установлено, что появление первых митозов в клетках корневых зародышевых меристем наблюдалось на несколько часов раньше, чем в контроле.

Показана возможность применения этого препарата в биотехнологических исследованиях в качестве заменителя дорогих синтетических витаминов.

Показано, что ПТМБ в определенных концентрациях стимулировал процессы ризогенеза у черенков фасоли. Индукция процессов корнеобразования сопровождалась увеличением содержания эндогенной ИУК и дальнейшим снижением ее уровня в период массового образования корней.

Впервые показано, что обработка растений люцерны по вегетации в чувствительные фазы её развития, сопровождалось изменениями в содержании фитогормонов вследствие переключения метаболизма в сторону синтеза цитокининов в зеленой массе этой культуры. При этом наблюдалось накопление цитокининов, уровень ауксинов практически не изменялся, что, по-видимому, способствовало повышению кормовой ценности вегетативной массы люцерны и увеличению семенной продуктивности этой культуры за счет увеличения количества семян в расчете на одно растение.

Полученные результаты могут рассматриваться как теоретическое обоснование возможности практического применения продуктов термофильного метанового брожения в качестве комплексного регулятора роста сельскохозяйственных культур и источника экологически безопасных регуляторов роста – фитогормонов и витаминов группы В.

Ключевые слова: продукты термофильного метанового брожения (ПТМБ), фитогормоны, прорастание семян, фасоль, ризогенез, регуляторы роста, люцерна, продуктивность, витамины группы В.

ANNOTATION

Makoveychuk T.I. Physiological basis of thermophilic metane fermentation products using as a plant growth regulator. – Manuscript.

Thesis for the Ph.D. degree obtaining speciality 03.00.12 – Plant Physiology. – Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciens of Ukraine, Kyiv, 2002.

The Dissertation deals with theoretical substantiation and obtaining of experimental evidences of possibility for practical using of thermophilic methane fermentation products (TMFP) of ethanol industry waste for regulator of growth and development of plants.

For the first time with the aid of specific biotests for cytokinins, auxins and gibberellins there were revealed phytogormons of cytokinin, indol and gibberellin nature in the composition of TMFP, that is in conformity with the data obtained with physic-chemical methods.

It has been established the optimal concentrations of TMFP, which stimulated the germination of seed of different plant species. Under the influence of concentrate of TMFP the embryo meristem cell entering into the 1st cellular cycle was accelerated during the rye seed germination, the processes of rhisogeny of bean grafts were stimulated.

It has been established, that induction of the processes of rhizogeny of bean grafts under the TMFP influence was accompanied by the increasing of endogenic IAA and further decreasing its level during the root formation, period.

The induction of rhizogeny under the influence of different factors including nonhormonal, connected with changes of phytohormonal status was revealed.

It is the first showing, that application of TMFP for the treatment of alfalfa plants at the sensitive stage of its development leads to changes in phytohormone balance in the green mass of this crop, that was accompanied by accumulation of cytokinin under practically invariable level of IAA, and favor the rise of fodder value of vegetative mass of alfalfa and of seed productivity by increasing of amount of seed of this crop.

Results of the investigation can be considered as theoretical substantiation of TMFP with new purpose: as complex growth regulator of agricultural crops and source of environmental friendly growth regulates – phytohormones and B vitamins.

Key words: thermophilic methane fermentation products (TMFP), phytohormones, seed germination, bean, rhizogenesis, growth regulators, alfalfa, productivity, vitamins B.