Способ диагностики недостатка марганца в растениях

 

Изобретение относится к сепьско му хозяйству и физиологии растений и МОЖЕТ быть использовано для определения функционального состояния растения и оптимальной дозы микроэлемента , требуемого для удобрения почвы . Цель - повышение избирательности анали-за к функционально-значимому марганцу при неразрушающем контроле. Растительный объект помещают в темноту . При этом все переносчики электротранспортной цепи хлоропластов переходят в исходное стабильное состояние . Затем освещают короткими световыми вспьшзками насыщающей интенсивности . Через 250 мкс после каждой вспышки регистрируют величину послесвечения . Определяют отношение ее уровня после первой вспышки и стационарного уровня после 20-й вспьшпси в процентах: ус г 100%, Если величина отношения I /Ig-r j, лежит в интервале 58-100%, это указывает на недостаток функционально-значимого марганца в растении. 2 ил. 3 табл.

союз сонетсних

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5ц У О 01 N 21/64 всксо мия госудА стненный номитет ссс1 по делАм изов етений и отнр1.1тий (21) 4!14945/31-25 (22) 05.09.86 (46) 23.01.88. Бюл. У- 3 (71) Институт почвоведения и фотосинтеза АН СССР (72) Г. N. Ананьев и Т, И. Балахнина (53) 543.426(088.8) (56) Методы определения микроэлементов в почвах, растениях и водах.

/Под ред. И. Г, Важенина, N.: Колос, 1974, с. 252-260.

Славин У. Атомно-абсорбционная спектроскопия. Л,: Химия, 1971 с. 164-165. (54) СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ НЕДОСТАТКА

МАРГАНЦА В РАСТЕНИЯХ (57) Изобретение относится к сельскому хозяйству и физиологии растений и может быть использовано для определения функционального состояния расÄÄSUÄÄ 1368734 А 1 тенин и оптимальной дозы микроэлемента, требуемого для удобрения почвы. Цель - повышение избирательности анализа к функционально-значимому марганцу при неразрушающем контроле, Растительный объект помещают в темноту. При этом все гереносчики электротранспортной цепи хлоропластов переходят в исходное стабильное состояние. Затем освещают короткими световыми вспьппками насыщающей интенсивности. Через 250 мкс после каждой вспышки регистрируют величину послесвечения. Определяют отношение ее уровня после первой вспышки и стационарного уровня после 20-й вспьппки в I процентах: I

Изобретение относится к области сельского хозяйства и физиологии растений, в частности к способам диагно" стики недостатка микроэлемента марганца в растениях, произрастающих в искусственных или естественных условиях, и может быть использовано для определения функционального состояния растения и оптимальной дозы микроэлемента, требуемой для удобрения почвы.

Целью изобретения является повышение избирательности определения функционально-значимого марганца при неразрушающем контроле.

Способ реализуется с помощью импульсного фосфороскопа Беккереля, который состоит из двух дисков диаме-. тром 180 мм, насаженных на одну ось.

В каждом из дисков имеется по 20 щелей (3x18 мм) и эти диски посредством шкивов и ременной передачи от мотора вращаются с частотой

6 тыс.об/мин. Образец размещается между дисками. Через один диск на объект поступает свет от синхронно работающей со щелью лампы — вспышки

ИСШ-400 (частот= 1 Гц, длительность

1 мкс на половине высоты, энергия

9 Дж). Через второй диск, смещенный на угол, соответствующий временному интервалу 250 мкс, свет послесвечения от объекта попадает на фотоприемник ФЭУ-128 (11„,,„ 1100 В; интерференционный фильтр 680 нм), затем сигнал усиливается предварительным усилителем на микросхеме К544УД1А, интегрируется и подается на самописец ПДП-ч.

На фиг. 1 приведена зависимость отношения Х,/I„„„ клеток хлореллы от темновой выдержки перед измерением; на фиг. 2 — зависимость величины сигнала послесвечения на первую вспышку (I„ ) и стационарного уровня (I с ) клеток хлореллы от времени

Стац, после вспышки.

Способ осуществляется следующим образом.

Растительный материал: срезанный лист или клетки водорослей в кювете, помещают в специальный держатель импульсного фосфороскопа и выдерживают в темноте в течение определенного времени.

После чего освещают объект серией из 20 вспьппек и записывают сигналы

ЗО

ЗГ

50 послесвечения объекта. Рассчитывают отношение I,/I „ 100%, где I, величина сигнала послесвечения на первую вспышку.)" „ „ — величина стационарного уровня, Фотосинтетический аппарат различных видов высших растений и зеленых водорослей имеет в главных чертах общие принципы функционирования. Фотосистема, содержащая марганцевый фермент и осуществляющая окисление воды и выделение кислорода, независимо от вида имеет сходную структуру и белковый состав. Поэтому зависимость величины отношения I,/I,, от содержания марганца, свойственная гороху или хлорелле, будет коррелировать и у других видов фотосинтезирующих объектов. Величину отношения, близкую к

30%, следует рассматривать как избыточное насыщение активных центров водоокисляющего фермента фотосистемы марганцем, а величину, близкую к

100% — как глубокий дефицит этого микроэгемента. Значение отношения, и близкое к 55 + 3%, соответствует оптимальному, а свьппе этой цифры — пониженному содержанию марганца в растении, Количество вспышек в серии

20„ достаточное для выхода .кинетики на стационарный уровень (Y,„ ); длительность вспышки 1 мкс, при большей длительности возможно двойное срабатывание некоторых реакционных цеч.ров и возникновение трудностей, связанных с временным разделением процессов возбуждения и измерeíèÿ послесвечения.

Пример 1. Растения гороха (сорт Превосходный) в количестве

100 шт. выращивают в климатической камере (ГДР) на среде Кнопа с полньпл набором микроэлементов (список -,.4 +

+ А7), включающей 1,81 мг/л усваиваемого марганца (контроль), и на:-:налоговой среде„ но в отсутствие марганца (опыт). Выращивание ведется в течение 5 сут и через каждь.е 5 сут диагностируют недостаток марганца в растениях„,пля чего срезаю-. по 5 лис"ü. в с 10 растений, помешают их на

3 -. : в темноту, àòåì каждый лист з:..::; .ппяют в дер.ателе фосфороскопа, освешают лист серией нз 20 вспьппек длительностью 1 мкс, регистрируют сигнал послесвечения на самописце ./Д"" ч (фиг„ 1) через 25 з мкс после каждой всгпппки.

50+ 3

50+3

52+ 3

60+ 4

80+ 4

95+5 10

50 + 3 95 + 5

25

53+ 3

98+5

97+5

55+ 4

54+3

55+ 3

55+ 3

35

98+ 5

95+5

45

95+5

50

3.

13687

Измеряют высоту сигнала послесвечения I на первую вспьппку и в контроле, и образце и рассчитывают . отношение I „/I„„„ в процентах. Данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Возраст, сут Контроль, 10

Как следует из данных табл. 1, недостаток марганца у опытных растений можно обнаружить уже в первую ! неделю их роста, хотя видимые анатомические изменения начинают отмечать- З6 ся лишь у 2-недельных растений. Медленное наступление дефицита Мп в опыте связано с тем, что этот микроэлемент запасается в семядолях гороха, присутствует в растворах солей даже 40 марки х.ч ° и о.с.ч и в адсорбированном виде содержится на поверхности сосудов для выращивания растений.

Таким образом, величина отношения у растений гороха при оптимальном со- 45 держании марганца составляет 55 + 3X а при его дефиците возрастает до

95 + 5X.

В практике сельскохозяйственного земледелия встречаются случаи не только недостатка, но и избытка марганца в почве. В связи с этим способ бып аппробирован также на растениях, выращенных при избытке марганца.

34

Пример 2, Растения гороха выращивают по примеру 1 за исключением того, что в опыте в среду добавляют десятикратный избыток марганца (18,1 мг/л). Во время роста видимых анатомических изменений растений в опыте по сравнению с контролем не наблюдается. Одномесячные растения в контроле имеют отношение 55 + 3,8Х а в опыте — 32 + 3%. Таким образом, избыток марганца по сравнению с оптимальным его значением приводит к снижению отношения от 55 до 32Х.

В связи с развитием биотехнологии и широким использованием в последние годы одноклеточной зеленой водоросли хлорелла для получения кормовых добавок способ аппробирован на хлорелле.

Пример 3. Водоросли Chlorella pyrenoidosa (штамм sP.Ê) выращивают в специальном культиваторе на среде тамийя с набором микроэлементов, включающем 1,81 мг/л марганца (контроль ). В опыте содержание марганца составляет (0,1 мг/л. В контроле отношение в процессе роста культуры водоросли остается постоянным на уровне 52Х, тогда как в опыте в первые сутки после пересева клеток находится на уровне контроля, но затем увеличивается до 97Х. Отставание в накоплении биомассы в опыте на 7-е сут роста культуры составляет 5,6 раза. В процессе роста культуры хлореллы без притока Мп извне клетки, потребляя имеющийся марганец, проходят все стадии дефицита этого микроэлемента. Таким образом, если величина отношения Y„/У, на 3,5 сут развития равна 75Х, то клетки испытывают

50Х-ный дефицит марганца.

Способ может быть использован для подбора оптимальной дозы удобрений и эффективности их использования в конкретных условиях..

Пример 4. Способ был испытан в вегетационный период 1985 г. на растениях пшеницы (сорт Мироновская 808) и ячменя (сорт Трумпф), находящихся в фазе кущения, в зависимости от внесения максимального количества удобрений и типа обработки почвы (табл. 2). Измерения выполняют как в примере 1

1368734

Таблица 2

Обработка

Удобрения

34+14

43+2

Без

Поверхностная

31 + 1 5 28 + 2 1

37 + 2,1 28 + 5

47 + 2„6 42 + 6

Максимум

Без

Основная

Максимум

Растения, произрастающие на данном типе почвы (серая лесная) без 20 внесения дополнительных количеств удобрений, не испытывают дефицита марганца. Внесение максимального количества удобрений при поверхностной обработке улучшает функционирование 25

Мп-содержашего фермента, но при основной глубинной обработке ухудшает.

Таким образом, вносить максимальное количество ypoáðåêèé целесообразно лишь при поверхностной обработке 30 почвы.

Темновая выдержка объекта перед измерением связана с необходимостью релаксации компонентов электрон-транспортной цепи хлоропластов к исходно35 му состоянию за счет самопроизвольного Их окисления кислородом воздуха при обратных темновых реакциях. Оптимальную темновую выдержку можно определить следующим образом.

Пример 5. Клетки водоросли хлореллы выращивают с 1„,81 Mr/ìï марганца, как в примере 3, в течение

5 сут. Затем 2 мл суспензии клеток с концентрацией хлорофилла 40 мкг/мл помещают в кварцевую кювету, устанав-ливают в фосфороскопе, затем через разпичные темновые интервалы времени освещают серией вспьппек по примеру 1„

Рассчитывают величину отношения

1,,/Х „, в процентах при различной темновой выдержке клеток перед освещением. Экспоненциальная кривая отражает релаксацию компонентов фотосистемы, включаюших марганец, в исходное состояние (фиг. I). Релаксация заканчивается через 3-3,5 мин.

Таким образом„ 3-3,5-минутная темновая выдержка является наиболее onтимальной, так как при более короткой выдержке компоненты фотосинтетического аппарата не успевают релаксировать до исходного состояния, а при более длительной выдержке падает производительность измерений.

Время регистрации сигнала послесвечения после вспышки света имеет определенный оптимум.

Пример 6. Процедуру выращивания клеток водоросли хлореллы и измерений выполняют по примеру- 5 за искпючением того,, что темиовая выдержка клеток перед освещением остается постоянной и равна 3 мин, а изменяется время регистрации сигнала послсвечения после вспышки света (фиг. 2)

Из графика можно определить, что наиболее оптимальное время после вспышки составляет 200-250 мкс. При более коротких временах, когда частота вращения дисков составляет 10 сыс. об/мин происходит быстрый износ подшипников фосфороскопа„ а при более длительных временах вследствие уменьшения величины сигнала послесвечения уменьшается точность измерений., Таким образом, в диагностике дефицита марганца оптимальное значение времени регистрации послесвечения равно 200-250 мкс.

Доказательство избирательности спо-. соба к функционально--начимому марганцу выполнили путем замены этого металла .на один из семи металлов: Ы, Со, iPe, V, Za, No, Cu„ Клетки водоропи хлорелла обрабатывали мМ гидроксиламина, что приводило к удалению

:";арганпа (контроль на а.омно-абсорбционном снектрофотомеrpe AAS-?И). нтроль -Мп

Опыт

Си

94+4 60+6 46+2 22+2 24+4 35+2 56+3

I00X 55+3 стаи.

7 1368

Отношение увеличивалось при этом от

48 + 2 до 97 + З . После добавления к к таким кле";кам марганца (2 мкМ) и освещения в течение 30 мин происходи-

5 ло восстановление величины отношения от 97 + 3 до 52 + 4X. Никакой другой металл из укаэанных подобного эффекта не давал. Следовательно, предлагаемый способ избирателен именно к 10 марганцу.

Другое доказательство избирательности способа к марганцу было выполКак видно из таблицы только недостаток марганца в питательной среде. приводит к увеличению отношения до

95 + ЗЕ.

Таким образом предлагаемый способ позволяет контролировать содержание марганца в растении без его разрушения и всего лишь на участке листа площадью 1 см . В связи с отсутстви1 ем стадии химической подготовки пробы резко сокращается время полного анализа одного образца, это время составляет 6 мин. Предлагаемый спо- 35 соб имеет. предельную избирательность именно к функционально-значимому марганцу, входящему в ключевой водооки сляющий фермент и позволяет. выявить недостаток Мп ро- 40 ста растения, когда еще не произошли видимые анатомические изменения, Формула изобретения

Способ диагностики недостатка мар- 45 ганца в растениях, включающий возбуж734

8 нено путем выращивания растений roроха на средах дефицитных по тому или иному микроэлементу.

Пример 7. Растения гороха (сорт Превосходный} в количестве

20 шт. выращивают по примеру 1, но из набора микроэлементов изымают или добавляют в пятикратном избытке один из микроэлементов. Растения, включая контроль, выращивают в 8 сосудах.

Измерения послесвечения проводят по примеру 1. Данные приведены в табл. 3.

Таблица 3

1 дение исследуемого материала светом и измерение оптических характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения избирательности определения функционально-значимого марганца при неразрушающем контроле, объект выдерживают в темноте в течение 3-3 5 мин, возбуждают люминесцентное свечение серией вспышек насьпцающей интенсивностью и длительностью, 1 мкс, после каждой вспышки через 200-250 мкс регистрируют интенсивность свечения и по отношению

° 100X контролируют содержание

I„„ с т-аи,. марганца, где I интенсивность свечения после первой вспышки, I „,„— стационарное значение интенсивности после 20 вспьппек, причем значение отношения Y,/Y„„», лежащие в интервале 58-100Х указывает на недостаток функционально-значимого марганца в растении.

13б8734

Ъ

Ъ

Ю

108 КО 5Ф

8 )ВИЯ /ЮСЛР 3сиыики, жжс

Фиа Р

Составитель О. Бадтиева

Редактор Л, Гратилло Техред N.Äðäûê Корректор М. Демчик »

Тираж 847 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 283/44

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4