Влияние различных концентраций молибдата натрия на прорастание семян nicotiana benthamiana

Аннотация

Молибден выполняет множество функций в метаболизме растений. Данный микроэлемент принимает участие в белковом обмене, в частности регулирует процесс восстановления нитратов в аммиачную форму и в процессах азотфиксации клубеньковых бактерий. Благодаря молибдену увеличивается содержание хлорофилла в листьях, расширяется площадь листовой пластинки и фотосинтетическая способность, стимулируется образование большего количества клубеньков на корнях сои, улучшает водный режим растений. Часто молибден используется в качестве микроудобрений. Он является микроэлементом азотного обмена растений, поскольку необходим для образования аммиака. Из аммиака строятся белки, вовлеченные в биосинтез нуклеиновых кислот, пигментов и витаминов. Молибден оказывает прямое воздействие на рост и развитие растений, в зависимости от концентрации он может оказать, как благоприятное воздействие на исследуемое растение, так и токсичное. В данной работе было изучено влияние различных концентраций молибдена на рост и развитие растения семейства пасленовых Nicotiana Benthamiana. Были найдены оптимальные (нетоксичные) концентрации для повышения всхожести семян.

Введение

Молибден (Mo) является ключевым микроэлементом в жизни растений поскольку оказывает влияние на их рост и развитие. Он входит в состав активных центров множества ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. К молибдоферментам высших растений относятся: нитратредуктаза, ксантиндегидрогеназа, альдегидоксидаза и сульфитоксидаза. Недостаток молибдена приводит к снижению активности молибдоэнзимов, поражению и морфологическим изменением листьев, называемых «whiptail» [1,2]. «Whiptail» характеризуется сильным ограничением листовой пластины, гибелью точки роста и хлорозом [3]. Нехватка данного элемента ярко выражается на цветной капусте, бобовых и зеленых культурах, томатах, цитрусовых. У большинства культур развивается желтая пятнистость листьев, у огурца - хлороз края листовых пластинок [4].

Вышеуказанные внешние признаки дефицита молибдена у растений связаны с его физиологической ролью. То есть молибден в растениях требуется для образования аммиака, идущего на построение белков. Поэтому молибден именуется микроэлементом азотного обмена растений. Он участвует в синтезе нуклеиновых кислот, пигментов и витаминов [5].

Усвоение молибдена растениями напрямую зависит от pH почвы. Например, в кислых почвах доступность молибдена снижена. Напротив, в щелочных почвах молибден становится более растворимым и доступен растениям в анионной форме (MoOJ ). Максимальная адсорбция возникает при значении pH от «4» до «5». В сельском хозяйстве для повышения усвоения молибдена в почвы вносится известь [6].

В эксперименте Amon AND P. R. Stout была доказана необходимость молибдена для роста и нормального развития томатов. Данная работа проводилась на гидропонной установке, в качестве раствора использовалась дистиллированная вода, содержащая все необходимые элементы (как считалось на момент проведения эксперимента). Однако признаки дефицита были выявлены уже через пару недель, в виде пятнистости, некроза листьев, опадении цветов и увядания плодов. Устранение дефицита было осуществлено путем добавления в раствор молибденовой кислоты (МОО3 Н2О). В последствии, для проверки прямого воздействия молибдена часть растений было опрыскано разбавленным раствором МОО3 Н2О. В результате растения были восстановлены, симптомы дефицита исчезли [7].

Необходимо помнить, что каждая посевная культура имеет свою оптимальную концентрацию молибдена. При неправильном выборе концентрации можно получить снижение всхожести семян. Высокие концентрации молибдена пагубно влияют на зерновые культуры, к примеру, 1% раствор молибдата аммония (NH^MoCU снижает всхожесть кукурузы и овса [8].

Данный микроэлемент актуален для исследований, поскольку почвы на территории Республики Казахстана содержат в 3-5 раз меньше концентрации молибдена от установленных критических значений (в 0.1 мг Mo/кг для умеренных почв), необходимых для нормального роста и развития растений.

В связи с чем, широко применяется предпосевной прайминг семян. Под понятием «прайминг» подразумевается полное насыщение водой семян и последующее подсушивание в контролируемых условиях. Результаты многочисленных исследований показали, что простое насыщение семян растений водой и последующее высушивание, приводят к повышению процента прорастания, роста и развития проростков [9]. Благодаря праймингу семенам создаются базовые условия для проростания - высокая влажность и оптимальная температура. Влажность семян доводится до уровня, необходимого для реального начала прорастания. Когда семена достигают состояния, требуемого для прорастания, их высушивают до изначального уровня влажности и высаживают в емкости с водой. Поэтому прорастание семян происходит быстрее, так как половина процесса уже пройдена. Если семена высаживают в жарких, засушливых регионах, либо в районах с повышенной влажностью или на засоленных почвах, то есть стрессовых условиях для семян, то химические процессы в данных условиях могут протекать сложнее, чем при минимальном стрессе или его отсутствии [10].

Данная работа была выполнена для установления оптимальных (нетоксичных) концентраций молибдена для усиления всхожести и прорастания семян. В качестве изучаемой культуры были выбраны семена растения Nicotiana benthamiana (австралийский табак). Растение этого вида играет большое агрономическое значение поскольку относится к семейству пасленовых, куда относятся перец, помидоры, картофель и табак [И]. Поэтому полученные нами результаты можно интерпретировать на сельскохозяйственные культуры.

Методы исследования

Для улучшения прорастания семян был использован солевой прайминг (Halo priming) - замачивание семян с использованием раствора с содержанием минеральной соли. В данном эксперименте в качестве соли использовался молибдат натрия.

C целью определения оптимальной концентрации Mo были приготовлено тридцать растворов, состоявшие из 50 мл дистиллированной воды и разных концентраций молибдата натрия двухводный (NaMoO4*2H2O). Каждый раствор содержал от 0,01 до 2 г." NaMoO4*2H2O (данный микроэлемент является компонентом множества питательных сред для гидропонных установок, таких как среды «Хевита» и «Хогладна»),

Предварительно все семена, используемые в экспериментальной работе, обрабатывались 1% раствором перманганата калия, с целью дезинфекции - в течении пяти минут, затем тщательно промывались дистиллированной водой.

В вышеуказанные растворы замачивались семена растения Nicotiana benthamiana на протяжении 1 часа, в темном месте. Контролем служили семена, замоченные в дистиллированной воде.

В каждом растворе, содержащем NaMoO4*2H2O было замочено по 10 семян. Затем, семена просушивались и закладывались в минеральную вату, смоченную дистиллированной водой и расположенную в специальные горшки для гидропоники окруженные керамзитом.

Данные семена были оставлены в темном месте в теплице при температуре воздуха 27° C и влажности 85%. Через три дня была определена оптимальной энергии прорастания.

В последствии, проросшие семена выращивались при искусственном освещении в течении 4 дней для определения всхожести семян. Освещение создавалось с помощью люминесцентных ламп с фитоспектром 2700k/6400k и мощностью 150 Вт. Периодичность освящения составляла 14 часов имитация дня и 10 часов имитацию ночи.

Результаты исследования

В сравнении с контролем, большее количество проросших семян N. Benthamiana было получено при замачивании семян, в течении часа в растворах молибдата натрия с концентрациями от 0,01 до 0,09 г на 50 мл дистиллированной воды.

Были установлены оптимальные концентрации прорастания семян - 0,01-0,07 г/50 мл НгО. При этом, концентрация от 0,4 - 2 привели к ингибированию прорастания семян. Концентрации от 1,4-2 г/50 мл оказались токсичными для австралийского табака.

На 7-ой день появились проростки с надземной частью из семян, замоченных в концентрациях от 0,001-0,7. (табл. 1).

Исходя из полученных данных оптимальная концентрация растворов для солевого прайминга семян является 0,01-0,07 г/50 мл НгО.

Таблица 1 Влияние молибдата натрия на всхожесть семян

Молибдат натрия двухводный простимулировал рост стеблей листьев и корней проростков N Benthamiana. У экспериментальных проростков, замоченных в растворе концентрацией 0,01-0,06 г/50 мл, длина корней и стеблей была длиннее, чем у контроля, на 1 - 2 см. Аналогично, листовая пластина ростков, замоченных в данной концентрации, была крупнее и шире, чем у контроля, (рис 1).

Рисунок 1 Прорастание семян за три дня после прайминга в растворах, содержащих Mo

Дискуссия

Полученные результаты свидетельствуют о прямом воздействии молибдана натрия двухводного на рост и развитие растений Nicotiana benthamiana. Правильно подобранная концентрация (в данном случае 0,01-0,06 г/50 мл) может привести к быстрому росту и развитию исследуемого растения. Поскольку растение Nicotiana benthamiana относится к семейству пасленовых полученные нами результаты можно интерпретировать на такие культуры как перец, томат, картофель и т.д. В дальнейшем будет исследовано влияние молибдата натрия двухводного и его антагониста вольфрамата натрия двухводного на рост и развитие растений семейства пасленовых.

Заключение

Таким образом, полученные результаты показали, что замачивание семян на 1 час в растворы молибдата натрия двухводный с концентрацией от 0,01 до 0,09 г/50 мл дистиллированной воды оказывает благоприятное влияние на всхожесть и прорастание семян. Концентрация же, превышающая 1,3 г/50 мл, оказывает токсичное воздействие на семена. Оптимальной концентрацией для солевого прайминга семян является 0.01-0.06 г/50 мл.

Литература

1. Zhaniya Batyrshinaa, Timur М. Yergaliyeva,b , Zhadyrassyn Nurbekovaa₁C , Nazira A. Moldakimovaa , Zhaksylyk К. Masalimova , Moshe Sagic, Rustem Т. Omarov. Differential influence of molybdenum and tungsten on the growth of barley seedlings and the activity of aldehyde oxidase under salinity // Journal of Plant Physiology 228 - 2018. - C. 189-196.
2. RalfR. Mendel. Cell biology of molybdenum in plants // Plant Cell Rep — 2011. — T.30-C. 1787-1797.
3. J.O.Jones, W.Dermott. “Whiptail” in Califlower // Nature - № 4189 -1950. - C. 248-249.
4. AT. Абдукаримов, H. А. Турсынбаев, Г.Т. Калымбекова. диагностика питания растений // Механика и технологии^-1- № 3 (49) - 2015. - С.85-92.
5. Михайлова Л.А. Агрохимия. Ч 1. Удобрения виды, свойства, химический состав. - Пермь: Прокростъ, 2015. - 426 с.
6. D. I. Amon and P. R. Stout. Molybdenum as an essential elemient for higher plants // [Электрон, ресурс]. - 2016. - URL: www.plantphysiol.org (дата обращения: 21.06.2016).
7. Brent N. Kaiser, Kate L. GRidley, Joanne Ngaire Brady, Thomas Phillips and Stephen D. Tyerman. The Role OfMolybdenum in Agricultural Plant Production // Annals ofBotany 96 - 2005. - C. 745 -754.
8. К. А. Васильева. Предпосевное обогащение семян молибденом Ученые записки ВВП. - 1964. - Т. 18. - С. 108 - 115.
9. Серикбай С.Ж., Аликулов 3. Эффект предпосевного прайминга зерен пшеницы в растворе молибдата и их прорастание в присутствии нитрата на содержание аллантоина в проростках. Роль фундаментальной и прикладной науки в социальноэкономическом развитии общества: сборник статей [Электронный ресурс] -2018. - - URL: http://impulse-science.ru/wp- content/uploads/2018/04/%D0%9A-17.pdf (дата обращения: 12.04.2018).
10. Прищепчик Ю. В. Влияние прайминга семян огурца 5-аминолевулиновой кислотой на энергию прорастания и развитие растений в условиях солевого стресса // Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, biological series- № 4-2016. - C.85-88.
11. ILJulia Bally, Hyungtaek Jung, Cara Mortimer, Fatima Naim, Joshua G. Philips, Roger Hellens, Aureliano Bombarely, Michael M. Goodin, and Peter M. Waterhouse. The Rise and Rise of Nicotiana benthamiana. A Plant for All Reasons // Annual Review OfPhytopathology 56-2018. - C. 405-26.