<<
>>

О СКОРОСТИ ОБНОВЛЕНИЯ БЕЛКА И ХЛОРОФИЛЛА В ВЫСШИХ РАСТЕНИЯХ [24]

Поступившие в растения минеральные соединения азота, претерпевая ряд последовательных превращений, в конечном счете идут на синтез белка. При благоприятных условиях переработка в растениях неорганических соединений азота в аминокислоты, амиды и другие небелковые органические соединения азота протекают сравнительно быстро.

Так, например, при внесении азотной подкормки в растениях, как правило, можно обнаружить заметное увеличение содержания органических небелковых фракций азота, которое может быть обусловлено только их новообразованием за счет переработки поступившего в растение неорганического азота.

Изменения содержания белков в растениях в первое время после внесения азотной подкормки недостаточно ясны. Часто они не выходят за пределы возможной ошибки опыта. Но даже и в том случае, когда содержание белковых веществ в растениях возросло на доказуемую величину, не всегда можно с достаточным основанием утверждать, что изменение содержания белка произошло в результате переработки внесенного под растение минерального азота. В растении происходит непрерывный обмен веществ, белки распадаются и вновь регенери

руются, поэтому регистрируемые изменения могут быть вызваны не только новым синтезом белка, но и рядом других, не вскрытых исследованием, причин. Для того чтобы ответить на вопрос, как быстро поступивший в растение минеральный азот, пройдя цепь промежуточных превращений, трансформируется в азот белка, необходима такая экипировка опыта, которая обеспечивала бы получение прямого ответа на заданный вопрос и исключала возможность иного толкования полученных результатов. Выполнение этого требования в значительной мере облегчается при проведении опытов с использованием меченых атомов азота. Применение этого метода может дать ответ не только на вопрос о том, как быстро неорганический азот, внесенный с удобрением, превращается в азот белка, но при его помощи можно установить также скорость обновления белков в растениях, последовательность или синхронность -в образовании отдельных групп белковых веществ.

Выяснение этих вопросов и явилось одной из основных задач наших исследований. Кроме того, представлялось весьма важным выяснить, используя метод меченых атомов, характер тех изменений, которым, по-видимому, подвергается хлорофилл в различных условиях азотного питания растений.

Известно, что при недостатке азота в почве растения имеют бледно-зеленую окраску, при избытке азота — темно-зеленую. Степень интенсивности зеленой окраски растений — это тот признак, по которому можно судить об обеспеченности растений азотом.

Если растениям, испытывающим недостаток в азоте, дать азотную подкормку, то уже через 1—2 дня можно наблюдать заметное усиление у них интенсивности зеленой окраски. Наоборот, удаление азота из питательной среды, как это легко может быть продемонстрировано в водных культурах со сменными растворами, влечет за собой очень быстрое ослабление интенсивности зеленой окраски растений.

Было показано, что изменение интенсивности зеленой окраски растений при меняющихся условиях азотного питания обусловлено различным содержанием в них хлорофилла. С первого взгляда это кажется несколько странным. При содержании хлорофилла в зеленых листьях около 1% в пересчете на сухой вес и азота в хлорофилле около 6,2% общее количество азота хлорофилла составляет около 0,06%, в го время как общее содержание азота в зеленых листьях около 3% (в пересчете на сухой вес). Таким образом, азот хлорофилла составляет всего лишь 7бо долю общего азота листьев. Поэтому, казалось бы, что для образования хлорофилла растения могли бы довольствоваться весьма умеренным количеством азота, и в этом отношении они могли бы быть менее зависимыми от интенсивности снабжения их азотом. В действительности же дело обстоит совершенно по-другому.

Предполагалось, что в растении происходит частое обновление хлорофилла и что его азотистый компонент вовлекается в общий азотный обмен растений.

Для своих исследований мы брали растения из специально заложенных вегетационных опытов.

Растения выращивались на соответствующей питательной смеси в условиях песчаных культур. На той или иной стадии развития под растения вносилась азотная подкормка в виде сульфата аммония, обогащенного тяжелым изотопом азота N15. Затем через определенные промежутки времени после внесения азотной подкормки растения убирались, тщательно измельчались (до пастообразного состояния) в фарфоровой ступке; к измельченной массе растений добавлялась дистиллированная вода, и полученная суспензия отжималась через чистую, предварительно промытую в горячей воде, марлю. К отжатой массе измельченных растений вновь добавлялась дистиллированная вода, и полученная взвесь вновь отжималась через марлю. Эта операция повторялась 5—6 раз, до тех пор, пока отжимаемый от взвеси раствор не стал совершенно прозрачным и бесцветным. Полученный коллоидальный раствор нагревался на водяной бане при температуре 80—81°. При этих условиях содержащиеся в растворе белки выпадали в хлопьевидный осадок. Коагулированные белки отфильтровывались через взвешенный безводный фильтр, и после сушки в них определялось содержание азота по Кьельдалю. Общее содержание азота в выделенных таким образом белках колебалось в отдельных пробах в пределах И—13% N. Несколько пониженное содержание азота в этих белках, по-видимому, обусловлено наличием в них примесей других веществ, осаждающихся вместе с белками. В освобожденной от белков вытяжке из растений (фильтрат) определялись водорастворимые небелковые органические соединения азота, аммиачный азот, а в отдельных опытах — и сахара.

Отжатая и отмытая от всех растворимых веществ масса растений (мезга) высушивалась, и в ней определялось содержание общего азота. Полученные данные должны характеризовать содержание нерастворимых, более устойчивых белков в растении. В зеленых растениях белковые вещества представлены двумя основными группами: конституционными белками протоплазмы (плазменными белками) и запасными белками. Существует представление (Костычев, 1933; Сабинин, 1940; Nightingale, 1937), что конституционные белки протоплазмы обладают очень высокой устойчивостью и слабой изменчивостью. Образуя основной остов протоплазмы, эти группы белков пребывают как бы «в связанном состоянии» (Костычев, 1933) и почти не вовлекаются в азотный обмен в растении. Запасные же белки, наоборот, весьма лабильные соединения. Они обладают большой растворимостью и легко расщепляются про- теолитическими ферментами до полипептидов и аминокислот и

в такой форме отводятся в новые точки роста или в запасные органы растений.

Принимая такое подразделение .белков зеленых растений, мы должны отнести белки, переходящие в коллоидальный раствор, как более мобильные их формы, к запасным белкам, а нерастворимые белки, содержащиеся в отжатой массе растений, — большей частью к конституционным белкам протоплазмы или, короче, к плазменным белкам.

Следует особо отметить, что определяемые нами нерастворимые белки, по-видимому, не полностью, а только большей частью могут быть отнесены к конституционным белкам, так как нет оснований считать, что при принятой нами методике обработки растительного материала запасные белки переходят в коллоидальный раствор. Но так как в настоящее время не существует такого метода, применение которого позволило бы осуществить полное разделение этих групп белков, то мы условно относим все белки, содержащиеся в измельченной, отжатой и промытой массе растений, к конституционным белкам.

Одновременно в этих же исследованиях производилось определение азота хлорофилла. Для этого измельченные растения обрабатывались этиловьш спиртом до полного извлечения хлорофилла. После отгонки спирта хлорофилл отделялся от других компонентов спиртовой вытяжки растворением его в толуоле, так как в толуоле, кроме хлорофилла, не растворяются какце-либо другие азотсодержащие соединения, входящие в состав растений. Аналитическое определение азота хлорофилла производилось по методу Кьельдаля.

Ниже излагаются результаты трех опытов с меченым азотом.

Первый опыт с озимой рожью был заложен в середине июля. Растения выращивались в условиях песчаных культур на нормальной питательной смеси. Для придания среде достаточной буферности к песку добавлялось 2% торф;а, предварительно промытого соляной кислотой и водой и потом насыщенного СаО и MgO (10:1) до pH 7,0. При набивке сосудов в числе других питательных элементов вносился и азот в виде сульфата аммония в количестве 0,50 г N на сосуд размером 20 X 20 см (7 кг песка).

Растения в этом опыте развивались совершенно нормально, хорошо раскустились и имели интенсивную зеленую окраску. Через 30 дней после появления всходов сосуды с подопытными растениями были разбиты ^на две группы: в первой группе растениям была дана азотная подкормка в виде сульфата аммония с пятикратным обогащением тяжелым изотопом азота N15. Доза азота при подкормке была установлена 0,25 г на сосуд. Растения во второй группе сосудов были оставлены без азотной подкормки (контрольные варианты). Через 24 часа после

внесения азотной подкормки с меченым азотом растения убирались и сразу же направлялись на анализ. Отдельно анализировались корни и надземная масса растений. Результаты химического анализа приведены в таблице-1.

Из данных таблицы следует, что через 24 часа после дачи азотной подкормки не было обнаружено сколько-нибудь заметных изменений в весе растений: контрольные и подкормленные растения имели примерно одинаковый вес. Но в химическом составе растения влияние азотной подкормки, несмотря на столь непродолжительный срок после внесения, сказалось все же достаточно заметно. Сопоставляя данные анализа надземной массы и корней, можно прийти к заключению, что масштаб изменений для отдельных фракций азота в корнях и надземной массе растений различен. Для корней внесение азотной подкормки наиболее резко сказалось на содержании небелковых фракций азота и значительно слабее на содержание запасных и конституционных белков. Для зеленой надземной массы, наоборот, под влиянием подкормки более заметно возросло содержание белковых фракций и менее значительные изменения произошли в содержании небелкового азота. Очевидно, синтез белков происходит с большей интенсивностью в зеленых надземных органах растений, .чем в корнях. Переработка же неорганического азота в аминокислоты, амиды и другие небелковые органические соединения происходит достаточно интенсивно как в корнях, так и в надземных органах растений.

Содержание дисахаридов в растениях при внесении азотной подкормки заметно упало, что, очевидно, обусловлено потреблением сахаров в процессе синтеза белка в растениях.

Выделенные из зеленой надземной массы растений отдельные фракции азотистых соединений после их минерализации и восстановления до элементарного азота на специальной вакуумной установке были подвергнуты изотопному анализу на масспектрографе.

Результаты анализа приведены в таблице 2.

Приведенные в таблице данные дают точные сведения об использовании внесенного в . подкормку меченого азота на построение отдельных органических соединений в растении.

Мы видим, что максимальное содержание меченого азота было найдено в небелковых водно- и спирторастворимых органических соединениях азота (аминокислоты и амиды), где было обновлено около 20% всего азота этих фракций.

Из двух групп белковых веществ конституционные белки были почти в 4 раза богаче меченым азотом, чем белки запасные. Эти данные служат прямым доказательством того положения, что весь процесс переработки неорганического азота (в данном случае аммиачного азота) в белки протекает в растениях очень быстро, при этом в первую очередь происходит

е

Содержание отдельных фракций азота и сахара в растениях озимой ржи без азотной подкормки и через 24

часа после внесения азотной подкормки

(песчаные культуры)

В в мг

на 100 г сырой массы растений

сырой вес на сосуд, г дисахариды в мг на 100 г сырой массы небелковый водорастворимый азот небелковый спирторастворимый азот СО

X

%

н

о

СП

ев

gt;Х

  1. S «
  2. 3 2 О
азот запасных белков азот конституционных белков азот хлорофилла

1. Зеленая

масса
Контрольные растения без подкормки 86,0 2750 77,0 49,0 Нет 16,6 135,3 160,0 10,7
Растения через 24 часа после внесения 0,25 г N в (NH4)2 S04 .84,6 2370 91,0 2. Кор 60,2

н и

Нет 22,1 150,0 175,0 10,9
Контрольные растения 131 19,7 Не определялся Нет 4,6 19,8 79,6
Растения через 24 часа после внесения 0,25 г N (NH4)2 S04 137 35,6 Не определялся Нет 15,2 25,2 84,5

Турчин 161

Изотопный анализ отдельных фракций азота, выделенных из зеленой массы озимой ржи через 24 часа после внесения азотной подкормки в форме (NH4)2S04 с 5-кратным обогащением N15

Выделенные из растений фракции азота

Найденное обогащение в отношении N15

Содержание меченого азота, в процентах к общему азоту фракции

Водорастворимый небелковый азот

1,83

20,75

Спирторастворимый небелковый азот

1,79

19,75

Азот запасных белков

1,05

1,25

Азот конституционных белков

1,19

4,75

Азот хлорофилла

1,38

9,5

образование конституционных белков. Запасные же белки синтезируются после образования конституционных белков.

Также весьма значительное содержание меченого азота было обнаружено в хлорофилле, хотя за истекшие 24 часа после внесения азотной подкормки содержание хлорофилла в растениях практически не изменилось.

Полученные данные о распределении меченого азота между отдельными фракциями азотистых веществ в растении нельзя, однако, рассматривать как непосредственные показатели обновления азотистого состава для всех выделенных фракций. Есть все основания считать, что только для водорастворимых и спирторастворимых небелковых азотистых соединений, являющихся первичными продуктами переработки аммиака в растениях, найденное обогащение меченым азотом соответствует действительному обновлению азотистого состава этих фракций.

Совершенно иначе обстоит дело для белковых веществ и для хлорофилла, на построение которых используется не непосредственно аммиачный азот, а азот, уже переработанный в растении в органические соединения—(аминокислоты, предшественники белка и хлорофилла [25]. И если мы хотим, используя данные изотопного анализа, установить действительное обновление азотистого состава белковых фракций и хлорофилла, то мы должны принять для этих фракций в качестве непосредственного источника азота не азот сульфата аммония, который был внесен в подкормку, а водорастворимый небелковый органический азот, т. е. именно тот азот, который непосредственно используется на -построение белка и хлорофилла. Следов а-

тельно, мы должны в дальнейших расчетах принять для этих фракций в качестве исходного положения не 5-кратное обогащение в отношении N15, которое было у азота сульфата аммония, использованного для подкормки, а не более чем 1,83-кратное, т. е. то обогащение тяжелым изотопом, которое экспериментально было найдено во фракции водорастворимого небелкового органического азота. При таком логически необходимом условии степень обновления азотистого состава белковых фракций и хлорофилла для этого опыта представляется в следующем виде (табл. 3).

Таблица 3.

Степень обновления азотистого состава для различных фракций азотистых органических веществ в растении после 24-часовои экспозиции на аммиачном а*оте, обогащенном N15

Фракция азота

Найденное обогащение N15

Процент обновленного азота во фракции (за исходную величину принято обогащение N15 водорастворимой небелковой фракции азота)

Водорастворимый небелковый органический азот

1,83

20,75

Азот запасных белков

1,05

6,03

Азот конституционных белков

1,19

23,0

Азот хлорофилла

1,38

45,8

Таким образом, за 24 часа, истекшие после внесения азотной подкормки, произошло значительное обновление азотистого состава конституционных белков и хлорофилла. Это обновление произошло не только за счет дополнительного притока азота для нового синтеза этих соединений, но и в результате процессов обмена веществ, непрерывно происходящих в растении. Если принять вычисленный нами процент обновления азота, то в абсолютных величинах общее количество обновленного азота в конституционных белках и хлорофилле выразится в следующих цифрах:

  1. для конституционных белков при общем содержании в- них азота 175 мг и 23% обновленного азота — 40,25 мг (обновленного азота);
  2. для хлорофилла при общем содержании в нем азота 10,9 мг и 45,8% обновленного азота — 4,99 мг.

В то же время, как следует из данных таблицы 1, увеличение в содержании этих фракций азота в подкормленных растениях по сравнению с контрольным вариантом для азота конституционных белков составляет всего 15 мг (175—160 мг) N, ai для азота хлорофилла — только 0,2 мг (10,9—10,7 мг) N.

Следовательно, констатированное в этом опыте увеличение в содержании азота конституционных белков и хлорофилла выражается в несколько раз меньшей величиной в сравнении с количеством обновившегося за опытный ;период азота этих соединений [26].

Отсюда прежде всего вытекает, что существовавшее ранее представление об относительной стабильности конституционных белков неверное и должно быть отвергнуто. Конституционные белки вовлекаются в общий обмен веществ в растении и непрерывно обновляются.

Другим бесспорным фактом является то положение, что хлорофилл постоянно обновляется в растении. В организме растений молекулы хлорофилла не являются сколько-нибудь долговечными. Они быстро разрушаются и столь же быстро синтезируются.

Азотистый компонент ;хлорофилла, освобождающийся в процессе его разрушения, возможно, играет значительную роль в синтезе белка в растениях. В пользу такого предположения можно привести установленные в последние годы факты о связи между процессом фотосинтеза и синтеза белка в растениях (Ничипорович, 1950; Осипова и Тимофеева, 1949; Табенцкий, 1953).

Второй опыт с озимой рожью был заложен в ’начале августа в условиях песчаных культур. Методика проведения опыта была та же, что и предыдущего опыта, с той только разницей, что при набивке сосудов сульфат аммония вносился не в нормальной, а в пониженной дозе, а именно 0,05 г N на сосуд. В этом опыте мы ставили себе цель проследить при помощи меченых атомов превращение аммиачного азота lt;в растениях на более ранних стадиях их 'развития, поэтому необходимо было, чтобы к моменту подкормки меченым азотом в питательной среде не оставалось не использованного растениями азота обычного сульфата аммония, вносимого перед посевом растений.

Через 15 дней после появления всходов была внесена азотная подкормка в виде сульфата аммония с 3-кратным обогащением N15. Уборка растений для анализа производилась через 2; 4; 24; 48 и 96 часов после внесения подкормки с меченым азотом.

Результаты учета урожая и химического анализа р-астений приведены в таблице 4.

Таблица 4

Вес молодых растений озимой ржи и содержание в них различных фракций азота при различных сроках уборки растений после внесения азотной подкормки в виде сульфата аммония с 3-кратным обогащением N15

Сроки уборки растений после внесения подкормки через

Сырой вес растений, г/сосуд

Надземная зеленая масса (N в мг на 100 г сырого веса растений)

небелковый

органический

азот

азот запасных белков

азот конституционных белков

2 часа

9,1

55,6

174,0

133,0

4 „

10,7

62,6

160,0

152,6

24 „

9,3

84,0,

128,8

142,4

48 часов

7,9

181,0

154,8

203,2

96 „

9,4

148,4

188,1

241,0

В первые 24 часа (после внесения азотной подкормки дока_- зуемых изменений в содержании запасных и конституционных белков, определяемых обычным химическим методом, в растении не было обнаружено. За это время достаточно заметно увеличилось содержание в растении небелковой фракции азота. В последующие сроки уборки через 48 и 96 часов после внесения азотной подкормки общее содержание небелкового азота и азота конституционных белков резко возросло, но содержание запасных белков и в эти сроки осталось примерно на том же уровне. На основании этих данных, если не привлекать к подобным исследованиям метода меченых атомов, можно было бы сделать вывод о том, что внесенный в подкормку азот использовался в растений на синтез органических небелковых соединений азота и конституционных белков. Что же касается запасных белков, то на их образование азотная подкормка не оказала влияния.

Применение меченых атомов азота позволяет вскрыть ошибочность такого заключения. К сожалению, в рассматриваемом опыте по техническим причинам не был произведен изотопный анализ небелковой органической фракции азота, а имеются лишь данные изотопного анализа запасных и конституционных белков. Эти данные приведены в таблице 5.

Эти данные позволяют прежде всего ответить на вопрос о продолжительности периода, необходимого для превращения поступающего из почвы аммиачного азота в азот белка зеленых частей растений. В условиях этого опыта меченый азот в конституционных белках был обнаружен через 4 часа после внесения подкормки. В белках растений, снятых через 2 часа после

Результаты изотопного анализа отдельных фракций белкового азота, выделенных из зеленой массы озимой ржи в различные сроки после внесения азотной подкормки с 3-кратным обогащением в отношении N15

Сроки уборки растений после внесения подкормки через

Найденное обогащение тяжелым изотопом азота N15

Процент меченого азота (3-кратное обогащение N15) к общему азоту фракции

азот запасных белков

азот конституционных белков

азот запасных белков

азот конституционных белков

2 часа

1*

1

0

0

4 „

1

1,17

0

8,5

24 „

1-

1,24

0

12,0

48 часов

2,02

1,96

51,2

48,0

96 „

2,45

2,55

72,8

77,4

* За 1 принято естественное соотношение N14 и N15 в природе.

внесения подкормки, меченого азота еще не было найдено. Следовательно, весь цикл превращения -аммиачного gt;азота в азот белка, включая и передвижения азота от почвенного раствора до листьев растений, совершается в очень короткий срок — между двумя и четырьмя часами. Из этих данных следует также, что в растении вначале синтезируются конституционные белки протоплазмы, образование же запасных белков происходит позже. Этот вывод согласуется с результатами предыдущего опыта.

При обсуждении результатов химического анализа растений мы указывали, что по этим данным невозможно было установить какие-либо закономерности в изменении содержания 'запасных белков в растениях при различных сроках их уборки. Результаты изотопного анализа, наоборот, указывают на сильное обновление азота |этих белков через 48 и 96 часов после внесения подкормки с меченым азотом. Это заставляет нас признать, что в действительности запасные белки, так же как и конституционные, подвергались непрерывным изменениям в организме растений. И если в первые сроки после уборки изотопный состав азота запасных белков не менялся, то это не основание для того, чтобы делать вывод об известной их устойчивости в эти сроки опыта.

Нельзя рассматривать запасные и конституционные белки как совершенно обособленные и не взаимодействующие между собой группы белковых веществ.

Тот факт, что меченый iai30T в конституционных белках появляется раньше, чем в запасных, можно рассматривать как доказательство того положения, что новый синтез белка происходит в протоплазме. Плазменный, конституционный белок, претерпевая соответствующие изменения, превращается в более

подвижную форму — запасной белок. Можно предполагать, что конституционный белок не сразу после своего образования превращается в запасной белок. Очевидно, каждая молекула плазменного белка имеет некоторую продолжительность жизни. И так как обновляются более «старые» молекулы конституционного белка протоплазмы, то понятно, почему в первые часы после подкормки растений в запасных белках не было меченых атомов азота.

Эти белки обязаны своим происхождением более старым молекулам конституционных белков, синтезировавшимся еще без участия меченых атомов. И только в более поздние сроки уборки, когда истекал срок жизни тех молекул конституционных белков, которые синтезировались с участием меченых атомов -азота, мы могли обнаружить меченый азот и в запасных белках.

Полученные в этом опыте данные (см. табл. 5), свидетельствуя о высокой интенсивности обмена белков в организме растений, одновременно дают также представление о продолжительности жизни белковых молекул в молодых растениях озимой ржи.

Так как за 24 часа, прошедших между третьим и четвертым сроком уборки, содержание меченого азота в запасных белках возросло с нуля до 51,2% при почти неизменившемся общем количестве этих белков, что можно считать, что продолжительность жизни белковых молекул в этих условиях измеряется несколькими часами.

Третий опыт !С применением меченого азота был проведен со щавелем. Выбор этого растения определялся особенностями его азотного обмена, в 'частности значительной ролью в этом обмене органических кислот. Методика проведения опыта та же, что и ранее описанных опытов.

Семена садового щавеля (высевались в сосуды на нормальную- питательную смесь с умеренной дозой азота (0,30 г N на сосуд) в виде сульфата аммо'ния. Взошедшие растения хорошо развивались. После того как проведением соответствующих испытаний было установлено, что почти весь азот, внесенный с питательной смесью, использовался растениями, производилась подкормка подопытных растений сульфатом аммония с меченым азотом.

В опыте со щавелем, так же как и в первом опыте с озимой рожью, для подкормки использовался препарат сульфата аммония с 5-кратным обогащением тяжелым изотопом азота N15. Доза азота для подкормки была принята 0,25 г N на сосуд с 7 кг песка. Через 72 часа после внесения подкормки растения снимали и направляли на анализ. Одновременно снимали и анализировали контрольные растения, под которые не вносилась подкормка. Данные учета урожая растений и их химического анализа приведены в таблице 6.

Вес надземной массы щавеля и содержание в нем различных фракций азота

Mr N на 100 г сырой зеленой массы растений

Вес

зеленой

массы,

г/сосуд

небелковый

органический

азот

азот

запасных

белков

азот

хлорофилла

Без подкормки (контроль)

48,9

111,3

60,0

15,9

Через 72 часа после внесения азотной подкормки

50,2

124,5

65,0

20,9

В условиях этого опыта азотная подкормка вызывала небольшое увеличение содержания в растениях небелкового органического азота и азота запасных белков; более резкие изменения произошли в содержании азота хлорофилла. Вес растений за опытный период практически не изменился.

Данные изотопного анализа отдельных фракций азота для растений, получавших азотную подкормку, приведены в таблице 7.

Таблица 7

Изотопный анализ отдельных фракций азота, выделенных из растений щавеля через 72 часа после внесения азотной подкормки с меченым азотом (5-кратное обогащение в отношении N15)

Фракция азота

Найденное обогащение в отношении N15

Содержание меченого азота в процентах к общему азоту фракции

Процент обновленного азота во фракции

Небелковый органический

азот

2,44

36,6

36,6

Азот запасных белков

1,45

11,3

31,2

Азот, хлорофилла

2,38

34,5

95,8

В этом опыте примерно одинаковое обогащение тяжелым изотопом азота обнаружено для небелкового органического азота и для азота хлорофилла. Значительно меньше (примерно в 3 раза) обогащение в отношении N15 обнаружено для азота запасных белков. При исчислении процента обновленного азота в отдельных фракциях мы, так же как и при разборке первого опыта с озимой рожью, исходили из, положения, что непосредственным предшественником для синтеза белка и хло

рофилла является не исходный минеральный азот, а азот, переработанный в растении в небелковые органические азотные соединения (аминокислоты); поэтому изотопный состав азота этой фракции и был принят в качестве исходного при вычислении процента обновленного азота белка и хлорофилла.

Из приведенных расчетов следует, что в этом опыте азот хлорофилла за 72 часа после внесения азотной подкормки почти полностью обновился (95,8%). Таким образом, данные, полученные в этом опыте, так же как ,и соответствующие данные первого опыта с рожью, показывают, что хлорофилл постоянно обновляется в' растении и что продолжительность жизни молекулы хлорофилла весьма незначительна.

В этом опыте обновление запасных белков происходило менее интенсивно, чем в предыдущем с рожью, что, по-видимому, обусловлено особенностями метаболизма щавеля.

Обновление (белка в растениях происходит в результате непрерывных процессов обмена веществ и одновременных процессов распада и синтеза белковых веществ. В процессе обновления белка суммарное его количество в растении в известных границах может оставаться более или менее постоянным. Если, например, исключить из питательной среды азот, то абсолютное содержание белка в растении, несмотря на постоянное его (белка) самообновление в течение известного времени, будет близким к одной и той же величине. При снабжении растений азотом одновременно с обновлением ранее синтезированных белков происходит и новый синтез белка, в результате которого общее содержание белка в растении возрастает. Новый синтез белка, который мы здесь рассматриваем как интегральное наращивание количества белкам растении, требует для осуществления известного времени.

При внесении азотной подкормки через очень короткие промежутки времени после дачи растениям азота мы можем констатировать значительное увеличение содержания в растениях аминокислот при почти неизменившемся содержании белка. Только спустя некоторое время после того, как было обнаружено значительное возрастание свободных аминокислот, происходит и возрастание содержания белка в растении.

Таким образом, первичный синтез аминокислот и первичный синтез белка в растении разделены известным промежутком времени. В рассмотренных выше опытах с молодыми растениями озимой ржи резкое увеличение небелковой органической фракции азота было обнаружено в растениях через 24 часа после внесения азотной подкормки. Но значительное возрастание содержание белка в растениях в-этом опыте было обнаружено только через 48 часов после внесения азотной' подкормки (см. табл. 4).

Проведенные нами исследования показали, что новый синтез белка сопровождается одновременной убылью сахаров в ра-

стениях. В таблице 8 приведены результаты анализов молодых, растений на содержание в них различных фракций азота и сахаров через определенные промежутки времени после внесения азотной подкормки. До внесения азотной подкормки растения получали пониженную дозу азота.

Таблица S

Влияние азотной подкормки на содержание белкового и небелкового азота и сахаров в молодых растениях овса (водные культуры) Результаты перечислены на 1100 г сырого веса растений

Время, истекшее после внесения подкормки (Ny4N03), час.

Органический небелковый N, мг

Растворимый белковый N, мг

Моносахариды, г

Дисахариды, г

подкормка

контроль (без подкормки)

подкормка

контроль

подкормка

контроль

подкормка

контроль

4

90

69

51

57

0,56

0,58

4,26

4,24

24

207

76

63

67

0,70

0,60

3,92

4,20

т

288

42

84

65

0,52

0,61

3,32

4,48

96

487

62

110

64

0,44

0,65

1,40

4,03

В этом опыте увеличение небелкового органического азота в растениях было уже заметно через- 4 часа после внесения азотной подкормки: через 24 часа содержание небелкового органического азота возросло более чем в 3 раза ото сравнению с неподкормленными растениями, но содержание белкового азота практически не изменилось. Также почти без изменений осталось и содержание сахаров в растениях. Только через 48 часов, когда было обнаружено значительное увеличение белкового азота в подкормленных растениях, содержание дисахаридов сразу упало примерно на 30% по сравнению с неподкормленными растениями. Через 96 часов, когда содержание белка в подкормленных растениях примерно удвоилось, содержание дисахаридов в этом случае стало в 3 раза меньше, чем в контрольных растениях. В то же время содержание моносахаридов в растениях сравнительно мало изменилось. Аналогичные данные были получены и в ряде других опытов.

Мы приведем только результаты опытов ic молодыми растениями овса, где изучалось влияние подкормки нитратным и аммиачным азотом (табл. 9).

В этом опыте при внесении азотной подкормки в аммиачной форме содержание небелкового органического азота в растениях было намного выше по сравнению с вариантами, где азотная подкормка вносилась в нитратной форме. Особенно большие различия наблюдались для более поздних сроков анализа. Столь значительные различия в содержании небелкового азота в растениях, получавших азотную подкормку в аммиачной или

Влияние аммиачной и нитратной подкормки на содержание в молодых растениях овса сахаров, белкового и небелкового органического азота (водные культуры)

Результаты перечислены на 100 г сырого веса растений

Время, истекшее после внесения азотной подкормки, час.

Форма азота при подкормке

Органический небелковый азот, мг

Растворимый белковый азот, мг

Моносахариды, г

Дисахариды,

г

12

Без подкормки

147

92

0,64

5,84

Аммиачная

210

98

0,73

5,45

Нитратная

190

97

0,52

5,77

36

Без подкормки

131

100

0,65

5,92

Аммиачная

217

157

0,56

4,06

Нитратная

168

152

0,52

2,88

72

Без подкормки

147

85

0,59

5,15

Аммиачная

652

197

0,48

2,32

Нитратная

221

191

0,30

2,37

в нитратной форме, ни в какой степени не отразились на содержании белка в растениях. Изменения содержания белка, прошедшие б результате азотной подкормки, .независимо от формы азота в подкормке, аммиачной или нитратной, были совершенно одинаковы. Значительное увеличение содержания белка было обнаружено во второй срок анализа — через 36 часов после внесения подкормки, и в этот же срок наблюдалось резкое падение дисахаридов в (растениях.

В следующий срок анализа— через 72 часа — было констатировано дальнейшее нарастание белка и одновременно еще большая убыль дисахаридов. Что касается моносахаридов, то их содержание заметно падает в растении под влиянием азотной подкормки только в более поздние сроки анализа.

Таким образом, новый синтез белка в растениях сопровождается значительным расходованием сахаров, в первую очередь дисахаридов. Это дает основания считать, что сахара играют большую роль в процессе синтеза белка в растениях. При современном состоянии вопроса эта роль еще недостаточно ясна, Можно строить лишь те или иные предположения. Можно сделать допущение, что нативный белок в растениях находится в какой-то, может быть, весьма лабильной связи с сахарами. С другой стороны, можно допустить, что процесс «синтеза белка сопровождается интенсивным окислением сахаров, в результате которого освобождается энергия, необходимая для активации молекул, вступающих в реакцию синтеза белка, как это ?было высказано в свое время А. В. Благовещенским (1936).

Исследование изотопного состава различных фракций азота, выделенных из растений через определенные промежутки после внесения азотной подкормки с меченым атомом, позволило вскрыть следующие закономерности в синтезе и обмене белка и хлорофилла в растениях.

  1. Синтез белка в растении 'начинается с образования конституционных белков протоплазмы. В опытах с молодыми растениями ржи меченый азот был обнаружен в конституционных белках уже через 4 часа после внесения подкормки с меченым азотом.

Запасные белки образуются в результате превращения конституционных белков.

  1. Существовавшее ранее представление об относительной стабилизации конституционных белков неправильное. Конституционные белки протоплазмы вовлекаются в общий обмен веществ в организме растений ,и непрерывно обновляются. В соответствии с полученными в опыте данными можно считать, что средняя продолжительность жизни белковой молекулы ,в молодых растениях озимой ржи исчисляется несколькими часами.
  2. Процесс новбго синтеза белка сопровождается одновременной убылью дисахаридов в растениях, что дает основания предполагать возможность участия дисахаридов в образовании белка в растениях.
  3. Хлорофилл постоянно обновляется в растениях; молекулы хлорофилла не являются сколько-нибудь долговечными: они быстро разрушаются и вновь синтезируются. В опытах с озимой рожью азот хлорофилла обновлялся примерно наполовину за 24 часа после внесения подкормки с меченым азотом. В опытах со щавелем практически полное обновление азота хлорофилла (95,8%) произошло за 72 часа. Возможно, что азотистый компонент хлорофилла, освобождающийся в процессе его обновления, играет какую-то роль в синтезе белка в растении.

ЛИТЕРАТУРА

Благовещенский А. В. К вопросу об условиях синтетических процессов в растительном организме. Тр. Московск. Дома ученых, I. 1936. Костычев С. П. Физиология растений, 1933.

Ничипорович А. А. Основные проблемы фотосинтеза. Проблемы бота* ники. Изд. АН СССР, 1950.

Осипова О. П. и Тимофеева И. В. Исследование белков хлоропла- стов. ДАН СССР, 67, I, 1949.

Сабинин Д. А. Минеральное питание растений, 1940.

Табенцкий А. А. К вопросу об управлении процессами образования зеленых пластид. Известия АН СССР, сер. биол. № 1, 1953. Nightingale G. The nitrogen nutrition of green plants. Bot. rev. 3, 1937.

<< | >>
Источник: Турчин Федор Васильевич. АЗОТНОЕ ПИТАНИЕ РАСТЕНИЙ И ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ. Избранные труды. М., «Колос», 336 с. с ил.. 1972

Еще по теме О СКОРОСТИ ОБНОВЛЕНИЯ БЕЛКА И ХЛОРОФИЛЛА В ВЫСШИХ РАСТЕНИЯХ [24]:

  1. Е. В. Сергиевская. Систематика высших растений. Практический курс, 1998
  2. Теория вида у высших растений
  3. ФИКСАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО АЗОТА IN VITRO ФЕРМЕНТНЫМИ ПРЕПАРАТАМИ, ВЫДЕЛЕННЫМИ ИЗ КЛУБЕНЬКОВ БОБОВЫХ И ИЗ НЕИНФИЦИРОВАННЫХ БАКТЕРИЯМИ ВЫСШИХ РАСТЕНИ
  4. Подкласс высших ракообразных
  5. 9-1. Рост разнообразия и скоростей
  6. Скорость почвообразования при вмешательстве человека
  7. Факторы, влияющие на скорость резорбции через кожу. 
  8. Эффективность и скорость действия естественного отбора
  9. Биосинтез белка
  10. Белка
  11. Механизм распространения и скорость световых волн
  12. Причины и скорость образования новых видов и экосистем