Содержание аминокислот в растениях томата при применении препаратов «Глутамат натрия» и «Аминозол» в условиях солевого стресса
Аминокислоты играют несколько важных ролей в жизни растений. Они участвуют в регуляции множественных метаболических и биохимических путей, тем самым влияя на многочисленные физиологические процессы в растениях.
Помимо того что свободные аминокислоты — строительные блоки для вновь синтезируемых белков, многие аминокислоты, в том числе не участвующие в синтезе белка, играют важную роль в развитии растений и участвуют в реакции растений на стрессы окружающей среды.
Засоление — один из основных факторов окружающей среды, снижающих рост, развитие и продуктивность растений из-за ионной токсичности, а также осмотического стресса, которые влияют на ряд физиологических процессов и в конечном итоге подавляют фотосинтез.
По данным Международного института окружающей среды и развития и Института мировых ресурсов, около 10% площади суши и половина орошаемых земель в мире подвержены засолению. На территории России на 2020 год площадь сельскохозяйственных угодий, подверженных засолению, составила 235,86 тыс. га.
Мощный защитный механизм, позволяющий поддерживать жизнеспособность клеток в условиях засоления, — аккумуляция низкомолекулярных соединений — аминокислот, которые могут участвовать в осмотической регуляции. Например, установлено, что способность к аккумуляции пролина обеспечивает солетолерантность растений. Аминокислота защищает фотосинтетический аппарат, выступает резервом для органического азота во время восстановления и влияет на рост растений во время стресса. З.Ш. Ибрагимова (2022 г.) предполагает, что причина значительного роста содержания свободного пролина в листьях сои — разрушение белков в результате засоления (в 6,5 раз).
В работе Е.Г. Остроженковой (2021 г.) описано, что при солевом стрессе ряд аминокислот в образцах пшеницы характеризовался тенденцией к снижению концентрации — это позволяет предположить прекращение их синтеза в пользу осморегуляторов. Под действием хлорида натрия с концентрациями 0,1 М и 1 М значения содержания аспарагина и аспартата относительно совпадают, а при концентрации 5 М происходило резкое снижение. Увеличение содержания треонина в растениях наблюдается при низких концентрациях хлорида натрия. Для изолейцина, лейцина и валина изменения в концентрациях несущественны при самой низкой концентрации соли.
Растения имеют способность к самостоятельному синтезу аминокислот, но по мере роста и воздействия на них стрессовых факторов поступление их извне дает возможность растению ускорить метаболические процессы. Так, в работе S. Deivanai (2011 г.), обработка растений 0,1 М пролина способствовала опережению роста у проростков риса. В исследовании Т.А. Рябчинской и Т.В. Зимина (2017 г.) выявлено, что при обработке семян ячменя аминокислотами (пролин, валин, глутамин, изолейцин, глицин, фенилаланин, аргинин) в крайне низких дозировках (от 0,01 до 0,5 мл / 1 т семян) повышаются защитные реакции и активность отдельных ростовых процессов.
Пролин повышает адаптивность при воздействии стрессов, не выходящих за рамки нормы реакции, и не работает при более сильных воздействиях. В более жестких условиях устойчивость обеспечивается механизмами, в которых задействованы другие аминокислоты, такие как глицин и метионин. Сочетание всех трех аминокислот обеспечивает максимальную защиту от стресса. На этом свойстве основана применяемая в полевых условиях защита посевов от стрессов при обработке комплексом аминокислот.
Таким образом, регуляция накопления аминокислот и продуктов их метаболизма может иметь важное значение для развития, роста и стрессоустойчивости растений. В связи с этим изучение влияния препаратов, содержащих аминокислоты, на накопление свободных аминокислот в растениях актуально в оценке их регуляторного и антистрессового действия.
Цель исследования — изучить действие «Глутамата натрия» и препарата «Аминозол» на количество свободных аминокислот в растениях томата в условиях солевого стресса.
Материалы и методы исследования
Лабораторные исследования проводили в 2020 г. на базе ФГАОУ ВО «Казанский (Приволжский) федеральный университет».
Исследуемый образец — томат сорта Бетта (Solanum lycopersicum L.) («Гавриш», Россия). Раннеспелый, детерминированный, низкорослый сорт, удобен для выращивания в лабораторных условиях. Семена томата проращивали в закрытом грунте для рассады в климатической камере (освещение — 60 Вт/м2 в течение 16–18 часов в день; температура: дневная — +22 ˚С, ночная — 16–18 ˚С; влажность — 60–70%). Через 21 день проростки пересаживали в опытные контейнеры (объем 0,9 кг) в искусственно засоленную почву и проводили листовую подкормку «Глутаматом натрия» и препаратом «Аминозол». В качестве субстрата использовали серую лесную среднесуглинистую почву (отобрана в Пестречинском районе Республики Татарстан летом 2020 г.).
Схема опыта
А) контрольная почва (без засоления):
1) без подкормки;
2) подкормка «Глутаматом натрия»;
3) подкормка препаратом «Аминозол»;
Б) засоленная почва (50 ммоль/кг NaCl):
4) без подкормки;
5) подкормка «Глутаматом натрия»;
6) подкормка препаратом «Аминозол»;
В) засоленная почва (100 ммоль/кг NaCl):
7) без подкормки;
8) подкормка «Глутаматом натрия»;
9) подкормка препаратом «Аминозол».
Засоление моделировали внесением NaCl («ХимМед-Поволжье», Россия) в концентрациях 50 и 100 ммоль/кг. Дозы хлорида натрия были установлены исходя из результатов литературных источников.
«Глутамат натрия» (C₅H₈NO₄Na×H₂O) (г. Гуру, Китай) — мононатриевая соль глутаминовой кислоты (E621). Раствор «Глутамата натрия» готовили с соответствующим количеством вещества в пересчете на глутаминовую кислоту.
«Аминозол» (АО Фирма «Август», Россия) — жидкое органическое удобрение с полным комплексом аминокислот, которое производят из продуктов животного происхождения. Препарат «Аминозол» использовали в количестве, указанном производителем (5 мл на 1 л воды).
Аминокислоты экстрагировали из растений томата в фазе вегетативного роста (через 21 день после пересадки) смесью «этанол + хлороформ + вода» (12:5:2) и применяли метод высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с предколоночной дериватизацией аминокислот фенилизотиоцианатом.
Статистическую обработку данных опыта проводили с помощью компьютерной программы Microsoft Office Excel 2016 (США).
Результаты и обсуждение
В результате исследований в растениях томата установлено содержание 17 аминокислот (табл. 1), из которых 9 (пролин, аланин, фенилаланин, изолейцин, серин, метионин, лизин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота) — незаменимые.
В контрольном образце без подкормки общее количество аминокислот в растениях составило 385,3 мкг/кг. Основные аминокислоты — гистидин (19,7% от общего содержания), глицин (14,0%), серин (13,1%), аспарагиновая кислота (7,9%).
Препараты способствовали повышению содержания аминокислот. После применения «Глутамата натрия» сумма аминокислот увеличилась до 491,1 мкг/кг. В этом варианте преобладали такие аминокислоты, как глутаминовая кислота (21,9% от общего содержания), гистидин (13,4%), глицин (12,9%), аспарагиновая кислота (10,7%), серин (8,3%).
Применение препарата «Аминозол» также способствовало увеличению содержания аминокислот в растениях до 647,2 мкг/кг. Доминирующими аминокислотами были глицин (19,2%), гистидин (17,1%), серин (9,4%), валин (7,6%).
Так, в растениях, выращенных в контрольной почве (без засоления), во всех вариантах обработки в основном наблюдали повышение содержания глицина (в 1,2–2,3 раза) по сравнению с вариантом без подкормки. Низкое содержание установлено для аспарагина.
Аминокислоты по-разному реагировали на солевой стресс. Засоление почвы хлоридом натрия привело к значительному увеличению общего содержания свободных аминокислот в вариантах без подкормки — в 2,2 раза (50 ммоль/кг NaCl) и в 1,6 раза (100 ммоль/кг NaCl) по сравнению с контрольной почвой (табл. 2).
При засолении почвы выявлено понижение содержания аспарагиновой кислоты в 2,5 раза и 1,5 раза, глутаминовой кислоты в 1,3 раза при 50 и 100 ммоль/кг NaCl соответственно. По-видимому, это связано с их участием в биосинтезе других аминокислот в условиях солевого стресса.
Повышение содержания наблюдали для серина (в 1,1–1,3 раза), глутамина (в 1,4–1,5 раза), глицина (в 1,1–1,4 раза), аргинина (в 1,1–1,3 раза), треонина (в 1,9–2,3 раза), аланина (в 1,8–2 раза), пролина (в 1,9–2 раза), тирозина (в 1,3–1,9 раза), валина (в 1,5–1,9 раза), изолейцина (в 1,3–1,8 раза) по сравнению с контрольной почвой в варианте без подкормки.
В растениях отмечали высокое содержание серина по сравнению с другими аминокислотами. Так, при засолении 50 ммоль/кг NaCl количество серина составило 48,8% от общего содержания при 100 ммоль/кг NaCl 40,5%.
Подобные данные, которые отражают негативное влияние различных факторов (засоление, температура и др.) на состав аминокислот и фермента пероксидазы в листьях пшеницы, представлены в работе В.Г. Кривобочек с соавторами (2016 г.).
Подкормка растений препаратами аминокислот в условиях солевого стресса способствовала повышению количества многих аминокислот.
В варианте с применением «Глутамата натрия» при хлоридном засолении в дозе 50 ммоль/кг наблюдали увеличение общей концентрации аминокислот до 1146,6 мкг/кг (в 1,3 раза) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки (табл. 2).
«Глутамат натрия» положительно повлиял на накопление acпарагиновой кислоты (в 16,1 раза), глутаминовой кислоты (в 9,8 раза), глутамина (в 1 раз), глицина (в 1,6 раза), аргинина (в 1,5 раза), треонина (в 1,3 раза), аланина (в 2 раза), пролина (в 2,8 раза), тирозина (в 1,5 раза), валина (в 2,6 раза), изолейцина (в 4,2 раза), лейцина (в 3,5 раза), фенилаланина (в 2,3 раза), лизина (в 2 раза). Понижение концентрации установлено для аспарагина (в 1,8 раза), серина (в 4,7 раза), гистидина (в 3,4 раза) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки.
В условиях повышенной концентрации солей (100 ммоль/кг NaCl) при подкормке «Глутаматом натрия» сумма аминокислот возросла до 1017,7 мкг/кг (в 1,7 раза) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки. В этом варианте повысилось содержание аспарагиновой кислоты (на 30,6 мкг/кг), глутаминовой кислоты (на 406,5 мкг/кг), глицина (на 10,5 мкг/кг), аргинина (на 11,8 мкг/кг), треонина (на 2 мкг/кг), аланина (на 16,5 мкг/кг), пролина (на 5,9 мкг/кг). Наивысший показатель наблюдали для глутаминовой кислоты — 41,8% от общего содержания. Выявлено снижение концентрации аспарагина (на 1 мкг/кг) по сравнению с вариантом без подкормки, серина (на 71,2 мкг/кг), глутамина (на 6,6 мкг/кг), гистидина (на 44,8 мкг/кг), тирозина (на 1,7 мкг/кг), валина (на 2 мкг/кг).
В работе Л.Н. Федоровой с соавторами (2021 г.) также представлены результаты по адаптации пробирочного материала картофеля при обработке их L-глутаминовой кислотой и L-аспарагиновой кислотой [14]. Зарубежные авторы X. Wu et al. (2020 г.) привели данные по устойчивости проростков томата к солевому стрессу при обработке γ-аминомасляной кислотой [15].
С применением препарата «Аминозол» в условиях засоления (50 ммоль/кг NaCl) сумма аминокислот повысилась до 1834 мкг/кг (в 2,2 раза) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки.
Отмечали повышение ряда аминокислот: аспарагиновой кислоты (в 1,9 раза), глутаминовой кислоты (в 1,2 раза), аспарагина (в 2,5 раза), глутамина (в 1,2 раза), глицина (в 2,4 раза), гистидина (в 1,9 раза), аргинина (в 1,3 раза), треонина (в 3,3 раза), аланина (в 3 раза), пролина (в 1,8 раза), тирозина (в 5,2 раза), валина (в 5,8 раза), изолейцина (в 7,3 раза), лейцина (в 8 раз), фенилаланина (в 6,2 раза), лизина (в 3,9 раза). Наблюдали понижение и серина (на 86,6 мкг/кг) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки.
При дозе 100 ммоль/кг NaCl в варианте с подкормкой «Аминозолом» суммарное содержание аминокислот увеличилось до 934,4 мкг/кг (в 1,5 раза) по сравнению с соответствующим вариантом без подкормки. Возросла концентрация таких аминокислот, как аспарагиновая кислота (в 2,1 раза), глутаминовая кислота (в 1,1 раза), глицин (в 2,6 раза), глутамин (в 1,5 раза), гистидин (в 1,1 раза), аргинин (в 2,7 раза), треонин (в 1,4 раза), аланин (в 1,8 раза), валин (в 1,5 раза), тирозин (в 1,3 раза), изолейцин (в 2,2 раза), лейцин (в 2,6 раза), фенилаланин (в 1,2 раза), лизин (в 3,2 раза). Высокое содержание отмечали для серина (33,5% от общего содержания), низкое — для аспарагина (0,1% от общего содержания) и пролина (1,4%).
Так, обработка препаратами аминокислот в условиях засоления способствовала активизации синтеза стрессовых белков, повышающих устойчивость и адаптацию растений.
Заключение
В растениях, выращенных в почве без засоления с применением препаратов, повысилась общая концентрация аминокислот на 491,1 и 647,2 мкг/кг по сравнению с вариантом без обработки. Листовая подкормка «Глутаматом натрия» способствовала увеличению содержания таких аминокислот, как глицин (на 9,1 мкг/кг), глутаминовая кислота (на 82,5 мкг/кг) и аспарагиновая кислота (22,1 мкг/кг). Обработка «Аминозолом» повышала концентрацию глицина (в 2,3 раза), гистидина (в 1,5 раза), серина (в 1,2 раза) и валина (в 3,1 раза).
Засоление почвы хлоридом натрия привело к изменениям содержания свободных аминокислот в растениях томата. Сумма свободных аминокислот увеличилась в 1,6–2,2 раза. Солевой стресс способствовал накоплению серина в растениях в 4,9–8,2 раза по сравнению с контрольной почвой.
Подкормка растений «Глутаматом натрия» при искусственном засолении почвы позволила повысить содержание глутаминовой кислоты (в 9,7–22,9 раза) и аспаргиновой кислоты (в 2,5–16,2 раза), которые отвечают за адаптацию растений к стрессовым условиям, а также участвуют в биосинтезе других аминокислот. «Аминозол» способствовал увеличению серина (в 1,3 раза), глицина (в 2,4–2,6 раза), тирозина (в 1,3–5,2 раза) и гистидина (в 1,1–1,9 раза). Повышение содержания некоторых аминокислот в растениях при подкормке препаратами может свидетельствовать о возможности активации неспецифических защитных реакций растений в условиях искусственного засоления. Данные препараты могут быть рекомендованы для применения в условиях солевого стресса.
Об авторах
Руфина Ринатовна Сафина1, младший научный сотрудник отдела воспроизводства почвенного плодородия
rufina.masnavieva.63@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-8267-2016
Родион Владимирович Окунев2, кандидат биологических наук
tutinkaz@yandex.ru; http://orcid.org/0000-0002-6927-6983
Гульнара Фанисовна Рахманова1, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
gulnara_rakhmanova@mail.ru; http://orcid.org/0000-0003-0261-3049
Камила Рустемовна Гарафутдинова1, научный сотрудник лаборатории агрохимических и биохимических анализов
amiliamilka24@gmail.com; https://orcid.org/0000-0001-6943-0779
1Татарский НИИ агрохимии и почвоведения — обособленное структурное подразделение Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Федеральный исследовательский центр “Казанский научный центр Российской академии наук”,
ул. Оренбургский тракт, 20А, Казань, 420059, Россия
2Казанский (Приволжский) федеральный университет, ул. Кремлевская, 18, Казань, 420008, Россия
УДК 581.192:635.64 DOI: 10.32634/0869-8155-2023-377-12-124-128
Сельское хозяйство, ветеринария, зоотехния, агрономия, агроинженерия, пищевые технологии
