НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

Якуба

Ірина Петрівна

УДК 581.1:631.811:631.445.4

Фізіолого-біохімічне обґрунтування

оптимізації марганцевого живлення сільськогосподарських культур

03.00.12 фізіологія рослин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі ботаніки Одеського національного університету

імені І.І. Мечникова

Науковий керівник: кандидат біологічних наук, доцент

Паузер Олена Борисівна

Одеський національний університет

імені І.І. Мечникова,

доцент кафедри ботаніки

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук

Швартау Віктор Валентинович

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України

завідувач відділу фізіології живлення рослин

кандидат біологічних наук

Ситар Оксана Володимирівна

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

молодший науковий співробітник кафедри фізіології та екології рослин

Захист дисертації відбудеться „15” листопада 2007 р. о 1000 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.

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

Автореферат розіслано: „__” жовтня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, д.б.н. Є.Ю. Мордерер

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дисертації. Покращання марганцевого живлення рослин для запобігання негативних наслідків дефіциту мікроелементу та підвищення його вмісту у сільгосппродукції є важливим завданням, шляхи виконання якого необхідно розробляти індивідуально для кожного регіону (Van Campen, 1999; Rengel, 1999). Достатня забезпеченість марганцем є необхідною передумовою нормального перебігу фізіолого-біохімічних процесів у рослинах (Битюцкий, 1999; Власюк, 1980; Моргун, 2002; Тома, 1985). Мікроелемент входить до складу фотосистеми ІІ, є кофактором ферментів: малатдегідрогенази, ізоцитратдегідрогенази, супероксиддисмутази, РНК-полімерази ІІ, ауксиноксидази, аргінази, глутамінсинтази, тощо. Марганець входить до складу клітинних стінок та приймає участь у стабілізації структури нуклеїнових кислот (Merchant and Sawaya, 2005).

Проблему марганцевого живлення в Україні і на південних чорноземах зокрема досліджували академік П.А. Власюк із учнями та О.К. Добролюбський. Вагому частину проведених досліджень складали визначення забезпеченості ґрунтів марганцем та розробка марганцевих добрив. Проте більш чверті століття даній проблемі не приділяли належної уваги. На південному чорноземі та на інших карбонатних і лужних ґрунтах, де за високої валової кількості елемент має низьку рухомість (Черноземы СССР, 1981), важливе значення має фізіологічне обґрунтування шляхів оптимізації марганцевого живлення.

Незважаючи на те, що відомо, до складу яких структур входить марганець, дотепер більшою мірою не з’ясовано реакцію різних ланок метаболізму на рівень марганцевого живлення. Теоретичне та практичне значення має розкриття нових аспектів впливу мікроелементу на рослинний метаболізм, як для визначення систем кругообігу елементу, так і для фізіолого-біохімічного обґрунтування діагностики марганцевого дефіциту, розробки високоефективних добрив.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана як складова тем науково-дослідної роботи кафедри ботаніки ОНУ імені І. І. Мечникова № 194 „Еколого-біологічне вивчення наземної та водної флори Північно-Західного Причорномор’я з метою охорони, раціонального використання та управління продукційним процесом”, № держреєстрації 0100U005407; № 286 „Екологія та біологія флори і рослинності Північно-Західного Причорномор’я, охорона та раціональне використання”, № держреєстрації 0104U005432.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягала у дослідженні фізіолого-біохімічних аспектів марганцевого живлення рослин на південному чорноземі для визначення шляхів оптимізації живлення сільськогосподарських культур мікроелементом.

Для досягнення вказаної мети було поставлено наступні задачі:

1. Визначити ступінь забезпеченості рослин марганцем;

2. Вивчити вплив позакореневого підживлення рослин марганцем на: морфометричні показники рослин, показники стану пігментної системи листків, активність окисно-відновних ферментів, біохімічні показники якості плодів, динаміку плодоносіння, продуктивність рослин;

3. Дослідити особливості змін активності та ізоферментного спектру марганець-залежних ферментів малатдегідрогеназної системи в листках рослин овочевих та зернових культур в умовах дефіциту марганцю та оптимізації марганцевого живлення;

4. З’ясувати ефективність позакореневого підживлення марганцем сільськогосподарських культур в умовах теплиці та відкритого ґрунту;

5. Дослідити вплив факторів сорту та добрив на марганцеве живлення зернових культур.

Об’єкт дослідження – фізіологічна роль марганцю у метаболізмі рослин.

Предмет дослідження – фізіолого-біохімічні показники рослин за різних шляхів оптимізації марганцевого живлення.

Методи дослідження – регіональний агроекологічний підхід у визначенні забезпеченості рослин марганцем на південному чорноземі; польові, вегетаційні та лабораторні методи; атомно-абсорбційна та спектрофотометрія, потенціометрія, титрометрія, електрофорез, а також методи математичної обробки даних.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше показано низький вміст марганцю в основних сільськогосподарських культурах, які вирощують на півдні України. Вперше за різних умов вирощування на південному чорноземі Одещини довели ефективність передпосівної обробки насіння овочевих культур марганцем. За впливу марганцю на початку онтогенезу зростання вмісту хлорофілу відбувається за рахунок хлорофілу b, наприкінці – хлорофілу а. Вперше встановлено збільшення тривалості фази плодоносіння рослин за марганцевого підживлення. Дія марганцю суттєвіше проявляється за несприятливих умов середовища. Вперше показано, що активність малатдегідрогеназ в листках рослин знижується за дефіциту мікроелементу та зростає за некореневого підживлення. В умовах дефіциту марганцю змінюється ізоферментний спектр НАДФ-малік-ензиму, що надає можливість розглядати зміни стану малатдегідрогеназної системи як один із специфічних механізмів реакції рослин на забезпеченість мікроелементом.

Вперше на південному чорноземі досліджено вплив органічних та мінеральних (NPK) добрив на надходження марганцю в культурні рослини. Досліджено видові та сортові розбіжності у накопиченні марганцю озимою пшеницею, що дозволило вперше виділити ряд ефективних щодо марганцевого живлення сортів для добору у виведенні районованих пшениць, пристосованих до локальних ґрунтових умов. Доведено позитивний кореляційний зв’язок між вмістом марганцю в зерні та врожайністю сорту на південному чорноземі Одеської області. Вперше запропоновано використовувати визначення вмісту мікроелементу в листках під час цвітіння для діагностування його кількості у зерні пшениці.

Практичне значення отриманих результатів. Встановлено необхідність оптимізації марганцевого живлення сільгоспкультур на південному чорноземі. Рекомендовано передпосівне та позакореневе підживлення овочевих культур марганцем у польових та тепличних умовах на південному чорноземі Одещини як засіб підвищення врожаю та його якості. Для оцінки забезпеченості рослин марганцем та впливу підживлення мікроелементом запропоновано використовувати кількісні та якісні зміни стану малатдегідрогеназної системи та показники стану пігментної системи листків. Виділено ряд ефективних щодо марганцевого живлення сортів озимої пшениці, які запропоновано для селекційної роботи.

Розроблені рекомендації впроваджені в Одеському інституті агропромислового виробництва УААН та Одеському Селекційно-генетичному інституті – національному центрі насіннєзнавства та сортовивчення УААН. Матеріали дисертації використовуються при викладанні загального курсу „Фізіологія рослин” та спецкурсу „Агрохімія” на біологічному факультеті ОНУ імені І.І.Мечникова, а також під час виконання курсових та кваліфікаційних робіт студентів.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто було здійснено інформаційний пошук та аналіз літературних джерел, сплановано досліди та складено програму роботи, виконано лабораторні, вегетаційні та польові дослідження, проведено математичну обробку та інтерпретацію отриманих результатів. Узагальнення отриманих результатів та підготовка до друку наукових праць за темою дисертації здійснено самостійно або за участю наукового керівника та співавторів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали, викладені у дисертаційній роботі, були представлені на VII Міжнародній конференції молодих вчених "Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття" (Київ, 2000); на 56-й, 57-й та 58-й Наукових конференціях професорсько-викладацького складу та наукових працівників ОНУ (Одеса, 2001, 2002 та 2003); на 6-й та 8-й Пущинських школах-конференціях молодих вчених "Биология - наука XXI века" (Пущино, 2002 та 2004); VIIІ Конференції молодих вчених "Сучасні напрямки у фізіології та генетиці рослин" (Київ, 2002); Всеукраїнській конференції молодих вчених "Засади сталого розвитку аграрної галузі" (Київ, 2002); Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій пам'яті професора Сергія Івановича Лєбєдєва "Приёмы повышения урожайности растений: от продуктивности фотосинтеза к современным биотехнологиям" (Київ, 2003); ІІІ з'їзді Українського товариства фізіологів рослин (Тернопіль, 2002); Міжнародній наукові конференції "Біологічні науки і проблеми рослинництва" (Умань, 2003); Загальнопольській науковій конференції "Chemiczne zanieczyszczenia srodowiska: szakowanie ryzyka", (Пултуск, 2003); на VІІІ Молодіжній конференції ботаніків (Санкт-Петербург, 2004); на ІІ Міжнародній конференції „Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти” (Львів, 2004); на І, ІІ та ІІІ Міжнародних наукових конференціях студентів, аспірантів та молодих вчених "Биоразнообризие. Екология. Еволюция. Адаптация" (Одеса, 2003, 2005 та 2007); на XI та ХІІ з’їздах Українського ботанічного товариства (Харків, 2001; Одеса, 2006).

Публікації. Основні положення дисертації висвітлені у 10 публікаціях, з яких 6 у провідних фахових виданнях.

Об’єм і структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 182 сторінках машинописного тексту (з яких 31 сторінку займає список літератури та 14 - додатки). Робота складається із вступу, огляду літератури, 4 розділів експериментальної частини, висновків, списку використаної літератури (налічує 359 найменувань) та додатків. Робота містить 13 рисунків та 35 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В аналітичному огляді літератури узагальнені дані стосовно вмісту та досяжності марганцю у чорноземних ґрунтах, поглинання мікроелементу рослинами, вмісту марганцю в сільгоспкультурах, відображено сучасні уявлення про роль марганцю в рослинному метаболізмі. Особливу увагу приділено ефективності позакореневого підживлення сільгоспкультур марганцем на чорноземних ґрунтах, проаналізовано існуючі відомості про фізіологічні механізми впливу марганцевого підживлення на ріст та продуктивність сільськогосподарських рослин.

Матеріали та методи дослідження. Дослідження проводили на території Біляївського району Одеської області. Ґрунт – чорнозем південний важкосуглинковий малогумусний на лесі. Оцінку забезпеченості рослин марганцем проводили на озимій пшениці (Triticum aestivum L., Triticum durum Desf.), кукурудзі (Zea mays L.), горосі (Pisum sativum L.), соняшнику (Helianthus annuus L.), гречці (Fagopyrum esculentum Moench.), вівсі (Avena sativa L.), ячмені (Hordeum vulgare L.), огірках (Cucumis sativus L.), томатах (Lycopersicon esculentum Mill.), баклажані (Solanum melongena L.), салаті (Lactuca sativa L.), редисі (Raphanus sativus L.), перці (Capsicum annuum L.). У відібраних згідно загальноприйнятому порядку зразках рослинного матеріалу та ґрунту визначали валовий вміст марганцю методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії. Рухомий марганець в ґрунті визначали у сірчанокислій витяжці (Добрицкая, 1965) та в ацетатно-амонійному буфері рН 4,8 (ОСТ 10-148-88), обмінний – за Шахтабелєм (Добрицкая, 1965). Дослідження фізіологічних показників впливу марганцевого підживлення рослин проводили на рослинах огірка сорту Ювіляр у польових дослідах 2003-2006 рр. Для порівняння ефективності позакореневого та листкового підживлення рослин марганцем використовували овочеві та зернові культури – огірки, томати, баклажан, перець, редис, салат, кукурудзу, горох. Дослідження стану малатдегідрогеназної системи за дефіциту марганцю та оптимізації марганцевого живлення здійснювали у вегетаційному досліді на овочевих та зернових культурах. Застосовували передпосівне намочування насіння та листкову обробку рослин розчином сульфату марганцю у концентрації 0,05% та 0,1%. Вивчення застосування різних систем добрив як засобу оптимізації марганцевого живлення рослин проводили на озимій пшениці, кукурудзі, горосі в умовах польових дослідів на базі тридцятирічного стаціонару Одеського інституту агропромислового виробництва УААН. Дослідження впливу фактору сорту на марганцеве живлення рослин проводили на 21 сорті мякої та твердої озимої пшениці на полях Одеського селекційно-генетичного інституту.

В листках рослин дослідних культур протягом онтогенезу визначали вміст фотосинтетичних пігментів, міцність зв’язку хлорофілу з білками (Мусієнко, 2000), та активність хлорофілази (Коваль, 1989). Вміст цукрів у зеленій масі та плодах визначали за Бертраном, вітаміну С – за Прокошевим, кислотність – титриметрично, вміст білку визначали за Лоурі, вміст сухої речовини – рефрактометрично у плодах та термостатно-ваговим методом у вегетативній масі та зерні (Ермаков, 1987), вміст нітратів – фотометрично дисульфофеноловим методом (Мельничук та ін., 2004). У зерні пшениці та гороху та у зеленій масі кукурудзи визначали “сирий” протеїн за К’єльдалем, “сирий” білок за Барнштейном, золу – сухим озоленням, ліпіди за методом Рушковського, крохмаль за Починком. Активність ферментів малатдегідрогеназної системи визначали у гомогенатах листків за Магомедовим і Тищенко [1978] та вивчали їх ізоферментний спектр методом електрофорезу (Генетика изоферментов, 1978). Штучний дефіцит марганцю у вегетаційному досліді рослини створювали у піщаній культурі на Лонг-Аштонському розчині з мікроелементами (Хьюитт, 1960).

Оцінка забезпеченості рослин марганцем

Вміст валового марганцю в ґрунті району досліджень за даними атомно-абсорбційної спектрофотометрії достатньо високий. Максимальна кількість елементу знаходиться в гумусовому горизонті – в середньому 775 мг/кг в орному шарі та 798 мг/кг у підорному – та зменшується з глибиною, досягаючи 567 мг/кг у материнській породі. По екстракції елементу у сірчанокислій витяжці судять про вміст рухомого марганцю, який є потенційно доступним для рослин. Його кількість у дослідженому ґрунті знаходиться на високому рівні, досягаючи 230-330 мг/кг. Витяжка ацетатно-амонійним буфером рН 4,8 дозволяє екстрагувати елемент за кислотних умов, які існують у зоні кореневих виділень. Вміст рухомого марганцю за екстракції такою витяжкою дорівнює приблизно 40, що є середнім або високим за градацією Важеніна (2001). Вміст обмінного марганцю, який може бути доступним для рослин, дуже низький (10–15 мг/кг) та визначається тільки у гумусовому горизонті.

Незважаючи на велику кількість підходів визначення доступного марганцю в ґрунті, лише безпосередній вміст у рослині може свідчити про забезпеченість її мікроелементом. Для оцінки досяжності мікроелементу та доцільності його додаткового внесення визначили вміст марганцю у вегетативних органах рослин та у сільгосппродукції основних сільгоспкультур півдня Одещини. Якщо у вегетативній масі вміст елементу низький та середній: 44 – 133 мг/кг, то у продукції він низький та критично низький: 13 – 45 мг/кг; не знайдено жодного виду з високим вмістом елемента (вище 200 мг/кг). Коефіцієнт біологічного накопичення марганцю в рослинах коливається у межах 0,02 – 0,2 та є низьким, що вказує на нездатність поглинати достатню кількість елементу.

Таким чином, незважаючи на високий вміст валового та рухомого марганцю в ґрунті, низький вміст обмінної форми елемента та мала кількість його в рослинах вказують на необхідність дослідження шляхів оптимізації марганцевого живлення сільськогосподарських культур на південному чорноземі Одещини.

Вплив позакореневого підживлення марганцем на фізіолого-біохімічні показники рослин за різних умов вирощування

Вплив позакореневого підживлення марганцем на фізіологічні показники та продуктивність огірка в польових умовах. Досліджено вплив позакореневого підживлення мікроелементом на параметри метаболізму, росту і продуктивності огірка в польових умовах протягом 2003-2006 рр. Позакореневе підживлення марганцем покращувало морфометричні показники рослин огірка, особливо у другій половині онтогенезу (табл. 1). Додаткове обприскування підсилювало стимулюючий ефект, хоча і не в усі роки вирощування.

В оброблених рослинах відмічено зростання вмісту хлорофілу в листках (табл. 2). Обробка давала позитивний ефект за несприятливих умов вегетації: на початку плодоносіння у 2003 році підчас посухи, а також у кінці плодоносіння в 2003-2006 роки - від високих температур та тривалого механічного пошкодження, у 2005 році протягом всієї вегетації на фоні посухи та відсутності поливу.

На початку вегетації збільшення сумарної кількості хлорофілу здійснювалось за рахунок зростання вмісту хлорофілу b, та одночасно мало місце зниження співвідношення хлорофілів а/b. Наприкінці плодоносіння марганцеве підживлення спричиняло підвищення вмісту пігментів в першу чергу за рахунок хлорофілу а, супроводжуючись зростанням їх співвідношення.

Тому вплив мікроелементу на кількість та співвідношення хлорофілів залежить від віку рослини та умов вирощування: на початку онтогенезу підживлення марган-цем зменшує співвідношення а/b, що свідчить про формування великої кількості світлозбира-ючих комплексів, а на кінці онтогенезу за несприятливих умов вирощування – підви-щує співвідношення, що показує подовження біосинтезу хлорофілу.

За впливу марганцю отримано збільшення врожаю огірка: на 23 та 66 % - у 2003, 62 та 44 % - у 2004, 33 та 51 % - у 2005, 38 та 29 % - у 2006 р. за передпосівного та комбінованого підживлення, відповідно (рис. 1), при цьому збільшувались як кількість плодів з однієї рослини, так і вага окремого плоду.

Обробка марганцем змінювала біохімічний склад плодів огірка, в середньому за чотири роки досліджень найпомітніші зміни за вмістом вітаміну С: на 46 та 65 % (табл. 3). Вищий за контроль вміст цукрів при відсутності різниці за вмістом сухої речовини свідчить про кращий фізіологічний стан рослин та перерозподіл асимілятів у плоди. Зниження вмісту нітратів у плодах може бути зумовлене роллю

марганцю у функціонуванні нітратредуктазної системи.

У всі роки за обох видів обробки спостерігали типову картину (рис. 2): марганець сприяє більш рівномірному плодоносінню протягом сезону та дає два-три додаткових збори щороку подовжуючи плодоносіння на 7-20 днів.

Таким чином, досліджені у польових умовах параметри метаболізму та про-дуктивності свідчать про покращання фізіологічного стану рослин огірка за позакореневого під-живлення марганцем. Дані, отримані за вмістом пігментів, кількістю та дина-мікою утворення врожаю огірків, показали, що марганець у польових умовах проявляє найбільш суттєву стимулюючу дію під впливом несприятливих факторів середовища.

Тобто у польових умовах марганець активує фізіологічні механізми, які підтримують життєдіяльність рослинного організму у стресових умовах. До таких механізмів відноситься функціонування ряду ферментних систем, у тому числі малатдегідрогеназної (МДГ) системи, ферменти якої здійснюють перетворення ключового метаболіту клітини – малату та приймають участь у регуляції балансу відновних еквівалентів. В листках рослин огірка, на яких застосовували передпосівну та листкову обробку марганцем визначали активність одного з ферментів МДГ-системи - НАДФ-малік-ензиму (МЕ), протягом онтогенезу (рис. 3). Було відмічено зростання активності ферменту у листках підживлених марганцем рослин у ті ж фази, коли відмічено підвищення вмісту хлорофілу, особливо під час закінчення плодоносіння.

Таким чином, вплив марганцю на малатдегідрогеназну активність листків може бути одним з складових механізму дії мікроелементу. Тому було проведене більш детальне вивчення стану малатдегідрогеназної системи за різної забезпеченості рослин марганцем.

Малатдегідрогеназна система листків рослин за нестачі марганцю та позакореневого підживлення мікроелементом. Метаболізм малату в рослині зумовлений функціонуванням двох оксидоредуктаз: НАД-залежної малатдегідрогенази (НАД-МДГ, КФ 1.1.1.37) та НАДФ-залежної малатдегідрогенази (НАДФ-МДГ, КФ 1.1.1.82), а також двох декарбоксилаз: НАД-малік-ензиму (НАД-МЕ, КФ 1.1.1.39) та НАДФ-малік-ензиму (НАДФ-МЕ, КФ 1.1.1.40). Дотепер не досліджували питання про реакцію різних малатдегідрогеназ на рівень мінерального живлення рослин, зокрема на ступінь забезпеченості марганцем. Враховуючи, що іони двовалентних металів, у тому числі марганцю, є кофакторами малік-ензимів, метою даного дослідження стало вивчення змін активності малатдегідрогеназ та малік-ензимів зелених листків сільгоспкультур та ізоферментного спектру малік-ензимів за різних умов марганцевого живлення.

В листках отриманих у вегетаційному досліді хлорозних марганець-дефіцитних та підживлених марганцем рослин томатів, огірка, гороху, озимої пшениці та кукурудзи визначали вміст марганцю, хлорофілу, білку та цукру та активність малатдегідрогеназ. Біохімічний аналіз листків показав, що за дослідних умов у варіанті із дефіцитом марганцю кількість даного елементу зменшувалась у 5-10 разів порівняно з контролем, а у варіантах з некореневим підживленням – збільшувалась у 1,5-2 рази. Відповідно зменшувались за дефіциту та зростали за підживлення кількість цукрів, цукрози, білку та хлорофілу. На накопичання біомаси рослин умови забезпеченості марганцем вплинули сильніше в овочевих культур, найменше – у злаків.

Основні біохімічні показники зелених листків огірка свідчать про вплив рівня марганцевого живлення на стан ферментних систем рослин, у тому числі малатдегідрогеназної системи. У зелених листках огірка визначено активність чотирьох малатдегідрогеназ із різною коферментною специфічністю (табл. 4).

НАД-залежна малатдегідрогеназа визначається у хлоропластах, мітохондріях, цитозолі та мікротільцях, не потребує іонів металів та виконує різноманітні функції у клітинах. За умов дефіциту марганцю у зелених листках дослідних рослин активність ферменту у 2-4 рази нижче, ніж в контролі. За підживлення марганцем активність ферменту вище на 6-31%. Сильніше відреагували на зміни марганцевого живлення овочеві, різниці між злаками немає, не зважаючи на різні типи метаболізму. Це вказує на залежність активності ферменту від рівня марганцевого живлення, пов’язану із змінами інтенсивності фотосинтезу та рівня вуглеводного обміну.

НАДФ-МДГ - фермент локалізований у хлоропластах, не потребує іонів металів та відповідає за роботу “малатного клапану” і транспорт відновних еквівалентів. В умовах дефіциту марганцю загальна активність ферменту знижувалась у в середньому на 7-10 %. Спостережені зміни можуть бути зумовлені впливом марганцю на процеси фотосинтезу.

НАД-малік-ензим виконує анаплеротичну функцію у мітохондріях (поповнює запас проміжних продуктів ЦТК), облігатно залежить від присутності іонів магнію чи марганцю, у С3 – рослин в основному поповнює чи утилізує пул малату і цитрату, у С4-рослин - потребує тільки марганцю, та забезпечує двоокисом вуглецю цикл Кальвіна. Дефіцит марганцю знижував активність ферменту – на 20-67%. За підживлення мікроелементом активність НАД-МЕ зростала на 7-30%. Проведена робота показує високу залежність активності ферменту від рівня забезпеченості рослин марганцем, коефіцієнти кореляції між вмістом елементу та даним показником r=0,93...0,99.

НАДФ-МЕ є абсолютно залежним від присутності іонів марганцю. У С3–рослин фермент має хлоропластну та цитозольну локалізацію, відповідає за відгук організму на стрес та постачає відновні еквіваленти для синтезу амінокислот, жирних кислот, лігніну та флавоноїдів. У С4 – це ключовий фермент циклу Хетча-Слека. У стресових умовах дефіциту марганцю, на відміну від стресів, які спричиняють інші фактори і супроводжуються зростанням активності ферменту, спостерігали дуже значне зниження активності НАДФ-МЕ. За нестачі марганцю у С3 – рослин активність малік-ензиму зменшувалась у 5-7 разів, у кукурудзи – у 2 рази за абсолютних значеннях на два порядки вищих, ніж в інших культур. Некореневе підживлення марганцем спричиняло підвищення активності ферменту на 5-20%. Це явище можливо пов’язане із функцією марганцю як кофактора малік-ензиму.

Проведені електрофоретичні дослідження дозволили встановити, що рівень марганцевого живлення суттєво впливає на ізоферментний спектр малік-ензимів (рис. 4). В умовах нестачі марганцю для НАДФ-МЕ відмічено зникнення двох смуг у зимограмі, що відповідають повільним ізоформам, які мають цитозольну локалізацію. Можна припустити, що у листках досліджених рослин в умовах дефіциту марганцю інгібується біосинтез цитозольних ізоформ НАДФ-МЕ.

Показані зміни у стані малатдегідрогеназної системи свідчать, що вплив марганцю на активність її ферментів, особливо малік-ензиму, є специфічною реакцією рослинного організму на забезпеченість марганцем. Можливо, що вплив рівня марганцевого живлення на цитозольні форми НАДФ-малік-ензиму є однією з головних причин зниження стійкості рослин за нестачі мікроелементу та її підвищення – за марганцевого підживлення, що є актуальним для регіонів із дефіцитом досяжного марганцю в ґрунті. Одночасно, така біохімічна реакція проявиться раніше, ніж візуальні ознаки нестачі марганцю та зміна параметрів пігментної системи, та буде працювати у сформованих листках, де наявний марганець іммобілізований у складі мембранних комплексів.

Отримані результати вказують на можливість використання змін активності ферментів малатдегідрогеназної системи, зокрема НАДФ-МЕ, для діагностики забезпеченості рослин марганцем.

Вплив марганцевого підживлення на фізіолого-біохімічні показники рослин в умовах теплиці та відкритого ґрунту. Наведені вище результати свідчать про позитивний відгук рослин на позакореневе підживлення сульфатом марганцю. Для порівняння ефективності передпосівної та листкової обробки, а також з’ясування реакції різних культур на марганцеве підживлення, дослідили вплив передпосівної обробки насіння та листкової обробки рослин на фізіолого-біохімічні показники та врожайність овочевих та зернових культур в умовах теплиці та відкритого ґрунту.

Обробка марганцем стимулювала ріст та накопичення біомаси рослинами як в теплиці, так і у відкритому ґрунті в середньому на 10-40%. Різниця із контролем більша за передпосівної обробки, ніж за листкової. Вона проявляється раніше та триває протягом онтогенезу. Це свідчить, що додаткове надходження елементу найбільш потрібне на початку розвитку. В умовах відкритого ґрунту вплив марганцевого підживлення помітніший, ніж в умовах теплиці.

В листках оброблених рослин підвищувався вміст хлорофілів та каротиноїдів – на 15-113%. Підвищення спостерігали протягом всього онтогенезу від фази 3-5 листків до плодоносіння, більш суттєво – за перед посівної обробки.

Отримані результати дозволяють зробити висновок про перевагу передпосівного замочування насіння у сульфаті марганцю як засобу оптимізації марганцевого живлення сільгоспкультур на південних чорноземах.

Реакція різних сільгоспкультур по досліджених показниках виявляється однотипною і не суттєво відрізняється за інтенсивністю. Така універсальність позитивної реакції на марганець, незважаючи на різну систематичну належність та типи метаболізму досліджених культур, доводить потребу культур у покращенні марганцевого живлення на південному чорноземі.

Зміна показників пігментної системи та ростових показників свідчать про покращення фізіологічного стану рослинного організму та є передумовою формування більш високого та якісного врожаю сільгосппродукції, що отримали по всіх культурах. Проте надбавка до врожаю була суттєво вище в овочевих культур, ніж у зернових (табл. 6). Це дозволяє структурувати їх відносно марганцевого підживлення та зумовлює необхідність різних підходів щодо оптимізації марганцевого живлення на південному чорноземі.

Аналіз шляхів оптимізації марганцевого живлення польових культур на південному чорноземі за допомогою різних систем добрив та сортового добору

В умовах багаторічного стаціонару на базі Одеського інституту агропромислового виробництва, де 30 років вносили різні системи добрив, визначили вміст марганцю в ґрунті та рослинах пшениці, кукурудзи та гороху. Досліджуючи зразки, відібрані з 1972 р., встановили, що за науково обґрунтованої органо-мінеральної системи добрив вміст валового марганцю зростав на 13 %, а рухомого – майже вдвічі.

Було визначено вміст марганцю в листках озимої пшениці Херсонська безоста з ділянок, де на протязі 30-ти років використовували різні системи добрив (фон - гній 15-40 т/га двічі за ротацію + мінеральні N40-30, P30-20, K30-20 у різних комбінаціях). Максимальну кількість елементу в листках – 77-152 мг/кг спостерігали підчас цвітіння. Таке явище зумовлене максимальною досяжністю елементу у ґрунті у даний період року, характерною для південного чорнозему у районі досліджень. Після цвітіння вміст марганцю в листках знижується до 34-75 мг/кг, що вказує на перерозподіл мікроелементу у колос.

Внесення гною не впливає на кількість марганцю в листках пшениці протягом всієї вегетації, органо-мінеральна система добрив з NK та PK добривами – підвищує її відносно контролю (де не вносили ніяких добрив) на 18,5-94 % та 12,3-120,6 %. Протягом вегетації від кущіння до повної стиглості різниця із контролем збільшується. Аналогічну картину відмічено для листків кукурудзи та гороху.

Внесення добрив призвело до підвищення вмісту хлорофілу в листках по досліджених варіантах. Спостерігається позитивна кореляція між вмістом марганцю в листках та вмістом хлорофілу від кущіння до цвітіння: r = 0,775 – 0,845 (кореляція достовірна на рівні значності 95 %).

Вміст у зерні марганцю, як одного з необхідних для людини мікроелементів, є важливим показником якості зерна. Вміст марганцю в листках достовірно корелює із концентрацією марганцю в зерні під час трубкування: r = 0,807, цвітіння: r = 0,802 та молочно-воскової стиглості: r = 0,751.

В зерні озимої пшениці вміст марганцю виявився вищім за контроль у варіанті NK - на 27,1 %. Спостерігається висока позитивна кореляція між вмістом марганцю та вмістом сирого білку: r = 0,767. Аналогічні результати отримані для зерна гороху та зеленої маси кукурудзи. З огляду на те, що марганець є компонентом нітратредуктазної системи, спостережений зв’язок свідчить про можливу роль марганцевого живлення рослини протягом вегетації не тільки для накопичення достатньої кількості мікроелементу у врожаї, а й для забезпечення високої білковості зерна.

Таким чином, із використаних систем добрив NK та PK – підвищували надходження мікроелементу в рослини, а внесення збалансованої органо-мінеральної NPK системи не впливало на марганцеве живлення рослин. Тобто на повноцінному фоні макродобрив потрібно використовувати інші шляхи оптимізації марганцевого живлення рослин, яким такий фон не заважатиме.

Тому метою наступної частини дослідження було вивчення вмісту марганцю в рослинах твердої 6 сортів та м’якої озимої пшениці 15 сортів у зв’язку з фізіологічними показниками для визначання доцільності сортового добору як фактору оптимізації марганцевого живлення. Динаміка середнього вмісту марганцю у листках верхнього ярусу рослин твердої та м’якої озимої пшениці протягом вегетації рослин (рис. 5) аналогічна динаміці вмісту елементу у досліді з різними системами добрив.

У фазу молочно-воскової стиглості середній вміст марганцю в листках рослин м’якої пшениці був на 29,5 % вищим, ніж у листках твердої, а у фазу повної стиглості - на 25,7 % нижчим (рис. 5). Отримані дані свідчать про більш ефективне накопичення і більш істотний перерозподіл марганцю між листям та колосом у м'якої пшениці.

Вміст марганцю у листках пшениці корелює із вмістом хлорофілу у фазах сходів, кущіння та цвітіння (рис. 5). Вміст марганцю у зерні прямо корелює із вмістом його у листках верхнього ярусу у фазі цвітіння та молочно-воскової стиглості. Від’ємна кореляція спостерігається у фазу повної стиглості. Це підтверджує припущення, що листки верхнього ярусу, і особливо флаговий лист, є джерелом марганцю для колоса, який розвивається.

Висока позитивна кореляція між вмістом марганцю в листках підчас цвітіння на фоні його максимального вмісту та вмістом марганцю в зерні спостерігається як у досліді із впливом фактору сорту, так із впливом добрив. Це дозволяє вважати фазу цвітіння діагностичною для визначення кількості марганцю у майбутньому врожаї. Розраховано рівняння лінійної регресії для пшениці: y=0,082x+20,7; де х – вміст марганцю у верхніх листках підчас цвітіння, у – вміст марганцю в зерні.

Практичне значення має вивчення вмісту марганцю у зерні залежно від врожайності та біохімічних показників якості зерна, а також забезпечення оптимального вмісту мікроелементу у насінині для задоволення потреб наступної генерації рослин на початку онтогенезу. Вміст марганцю в зерні кожного з досліджених сортів є середнім та низьким (за Graham, 1985 та Церлінг, 1990). Найнижчий з вибірки вміст марганцю у зерні твердої пшениці Чорномор 21,3 мг/кг, найвищий в зерні м'якої пшениці Сан-Пасторе 42 мг/кг.

Середній вміст марганцю у зерні м’якої пшениці складає 31,1 мг/кг, у твердої лише 26,9 мг/кг і у межах вибірки має достовірну позитивну кореляцію із врожайністю. Коефіцієнти кореляції між вмістом марганцю в зерні та: врожаєм зерна r=0,438, вмістом крохмалю r=-0,515. Зважаючи на більш високу врожайність м’якої пшениці разом з більш високим вмістом марганцю, можна зробити висновок про більшу ефективність м’якої пшениці у поглинанні елементу, ніж у твердої.

З даної вибірки сортів найбільш ефективними за урахуванням вмісту марганцю та врожаю можна визначити наступні: Сан-Пасторе, Крижинка, Харківська 107, Альбатрос, Обрій. На прикладі даних сортів доцільно подальше вивчення механізмів марганцевої ефективності.

Відмічені закономірності показують, що за селекційної роботи під час виведення районованих сортів потрібно ураховувати здатність сорту накопичувати марганець у листках та зерні на південному чорноземі, яка пов’язана із врожайністю та якістю зерна. Сортовий добір може бути шляхом оптимізації марганцевого живлення рослин сільгоспкультур, зокрема пшениці, на південному чорноземі.

ВИСНОВКИ

1. Південні чорноземи Одещини достатньо забезпечені валовим та рухомим марганцем та слабо забезпечені обмінним марганцем. Вміст марганцю в рослинах середній та низький, у сільгосппродукції – низький, що свідчить про недостатню доступність марганцю та необхідність оптимізації марганцевого живлення.

2. Позакореневе підживлення марганцем на південному чорноземі покращує ростові показники рослин та фізіолого-біохімічні показники стану пігментної системи листків протягом онтогенезу, особливо за несприятливих умов вирощування. На початку онтогенезу зростання вмісту хлорофілу відбувається за рахунок хлорофілу b, у кінці – хлорофілу а.

3. Позакореневе підживлення рослин огірка, томатів, баклажанів, перцю, салату та редису марганцем на південному чорноземі покращує їх врожайність, підвищує вміст цукру та вітаміну С у плодах на 10-40 %, знижує кислотність плодів на 15-60 % і вміст у них нітратів на 5-8 %. Обробка марганцем подовжує термін фаз цвітіння та плодоносіння рослин на 7-20 діб, що сприяє підвищенню врожаю.

4. Доведено, що на південному чорноземі передпосівна обробка насіння є більш ефективним засобом оптимізації марганцевого живлення овочевих культур за фізіологічними показниками та врожаєм, ніж позакоренева обробка листків. Овочеві культури проявляють більший відгук на обробку марганцем, ніж зернові.

5. Рівень забезпеченості сільгоспкультур марганцем впливає на активність малатдегідрогеназ в листках рослин, яка знижується за дефіциту мікроелементу та зростає за некореневого підживлення. В умовах дефіциту марганцю змінюється ізоферментний спектр НАДФ-малік-ензиму КФ. 1.1.1.40, що надає можливість розглядати зміни стану малатдегідрогеназної системи як один із специфічних механізмів реакції рослин на забезпеченість мікроелементом.

6. В умовах стаціонару на південному чорноземі, де протягом 30 років застосовували системи добрив, показано збільшення запасів валового та рухомого марганцю в ґрунті. Азотно-калійні та фосфорно-калійні добрива на фоні гною збільшують вміст марганцю в пшениці, кукурудзі та горосі. Збалансована органо-мінеральна система з NPK-добривами не впливає на вміст марганцю в рослинах. За впливу фактору добрив вміст марганцю в зерні пшениці та гороху і в зеленій масі кукурудзи має високі позитивні коефіцієнти кореляції із вмістом у ньому протеїну.

7. Спостерігається позитивна кореляційна залежність між вмістом хлорофілу в листках польових культур та кількістю у них марганцю протягом онтогенезу за впливу добрив та фактору сорту. Вміст марганцю в листках підчас цвітіння та воскової стиглості позитивно корелює із вмістом елементу у зерні. Рівень елементу в листках озимої пшениці у фазу цвітіння (х) можна використовувати для прогнозування вмісту марганцю у врожаї (у): y = 0,082x+20,7.

8. Має місце висока позитивна кореляція між врожаєм зерна та вмістом у ньому марганцю у пшениці різних сортів: r = 0,438. М’яка пшениця є більш ефективною у накопиченні марганцю на південному чорноземі України та у перерозподілі марганцю з листків у колос, ніж тверда. Виділено сорти озимої пшениці з високою марганцевою ефективністю: Сан-Пасторе, Крижинка, Харківська 107, Альбатрос, Обрій, які рекомендовано до використання у селекційній роботі.

Практичні рекомендації

1. Передпосівну обробку насіння овочевих культур 0,1% та 0,05% розчином сульфату марганцю рекомендовано використовувати для покращення фізіологічного стану рослин, підвищення врожаю та його якості на південному чорноземі.

2. Виявлені зміни кількісного та якісного складу малатдегідрогеназної системи листків сільгоспкультур рекомендовано розглядати як специфічний механізм реакції рослин на забезпеченість марганцем та використовувати як показник впливу марганцевого дефіциту та некореневого підживлення марганцем.

3. Ефективні у поглинанні та накопиченні марганцю сорти озимої м’якої пшениці Сан-Пасторе, Крижинка, Перлина Лісостепу, Харківська 107, Альбатрос, Обрій рекомендовано використовувати при створенні селекційно-цінного вихідного матеріалу для отримання високопродуктивних районованих сортів.

4. Результати дослідження рекомендовано використовувати підчас подальшого вивчення фізіологічної ролі марганцю в рослинному метаболізмі та у навчальному процесі, зокрема у загальному курсі „Фізіологія рослин” та спецкурсі „Агрохімія” для студентів біологічних факультетів ВНЗів.

СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Якуба І.П., Паузер О.Б., Бурикіна С.І. Накопичення марганцю листками та зерном озимої пшениці у зв’язку з їх біохімічними показниками за різних систем удобрення // Живлення рослин: теорія і практика. (Зб. наук. пр. присвяч. 100-річчю від дня народж. акад. АН УРСР та ВАСГНІЛ П.А. Власюка) / Голов. ред. В.В. Моргун. – К.: Логос, 2005. – С. 153 – 160.

2. Якуба І.П. Малатдегідрогеназна система зелених листків огірка за умов різної забезпеченості марганцем // Вісник Харківського національного аграрного університету. Сер. Біол. – 2003. – № 5 (3). – С. 16 – 22.

3. Якуба І.П., Швець Г.А., Паузер О.Б. Біохімічний склад овочевих культур за передпосівної обробки насіння марганцем // Вісник Одеського Національного Університету. – 2003. – Т. 8, вип. 1. – С. 50 – 55.

4. Якуба І.П., Швець Г.А., Феоктистов П.О. Накопичення марганцю листками та зерном твердої й м’якої озимої пшениці у зв’язку з їх біохімічними показниками // Вісник Одеського Національного Університету. – 2004. – Т. 9, вип. 1. – С. 88 – 98.

5. Якуба І.П. Міграція марганцю на зрошуваних полях півдня Одещини // Вісник Одеського Національного Університету. – 2002. – Т. 7, вип. 1. – С. 152 – 159.

6. Паузер О.Б., Швець Г.А., Якуба І.П. Вміст і динаміка рухомого марганцю на полях півдня Одещини // Аграрний Вісник Причорномор’я. – Вип. 4. – 2002. – С. 37 – 41.

7. Якуба І.П. Фізіологічні показники ефективності позакореневого підживлення огірка марганцем на півдні Одещини // Вісник Аграрної науки Південного регіону. Сільськогосподарські та біологічні науки. – 2005. – Вип. 6. – С. 199 –209.

8. Паузер А.Б., Швец Г.А., Якуба И.П. Использование микроэлементов в овощеводстве и полеводстве // Вісник аграрної науки Південного регіону. Сільськогосподарські та біологічні науки. – 2002. – Вип. 3. – С.54 – 65.

9. Pauzer O.B., Yakuba I.P. Manganese in the southern blacksoil at irrigation, fertilization and pollution // Roczniki panstwowego zakladu higieny. Zeszyt poswiecony konferencji naukowej „Chemiczne zanieczyszczenia srodowiska: szacowanie ryzyka” (Pultusk, 8-9 maja 2003 r.) – 2003. – T. 54, Supplement. – P. 96 – 97.

10. Якуба І.П., Паузер О.Б., Швець Г.А. Ефективність двох способів некореневого підживлення марганцем овочевих культур на південному чорноземі // Материалы международной научно-практической конференции „Приемы повышения урожайности растений” (Киев, Национальный Аграрный Университет, 22-23 мая. 2003). – Киев,