Накопление основных веществ в зерне

10.05.2015

Основная часть сухой массы зерна злаковых растений, как известно, представлена крахмалом (56—72%); на втором месте стоит белок; у пшеницы — 9—25%, у кукурузы 8—13%. Поэтому кривая накопления общего количества сухого вещества в созревающем зерне в основном повторяет кривую накопления крахмала (рис. 3).
Поступление веществ в созревающее зерно из вегетативных органов, как уже отмечалось, продолжается до начала восковой спелости.
В отдельные фазы развития зерна абсолютное накопление сухого вещества в зерне (в мг за сутки) неодинаково: постепенно увеличиваясь, оно достигает максимума в фазе молочной спелости и после этого падает иногда очень стремительно.

Накопление основных веществ в зерне

При этом соотношение поступающих в зерно веществ в ходе налива зерна не остается постоянным, о чем свидетельствуют данные об изменении процентного содержания отдельных веществ в зерне в различные фазы развития.
Типичным примером изменения содержания азотистых и других веществ в зерне кукурузы в ходе его налива и созревания являются данные Ивюнса, полученные в опытах с мучнистой кукурузой в штате Миннесота в США (табл. 7).
Накопление основных веществ в зерне

Как видно из данных табл. 7, содержание азотистых веществ (в %) резко снижалось до фазы молочной спелости, после чего изменялось незначительно. Снижение содержания общего азота было довольно значительным — в полтора-два раза, что отмечалось многими другими исследователями. Такое снижение содержания азота по мере созревания зерна происходило в основном вследствие относительного усиления поступления в зерно углеводов. По данным М.Г. Голика и П.А. Цуркана, снижение содержания азота в развивающемся зерне кукурузы продолжается до полного созревания.
В ходе налива зерна кукурузы снижается также процентное содержание сахаров, клетчатки и золы. Содержание же крахмала и жира при этом, наоборот, повышается. Изменение содержания всех веществ четко проявляется до фазы ранней восковой спелости, после чего изменения несущественны.
Ход изменения процентного содержания азота в развивающемся зерне кукурузы совершенно противоположен таковому у пшеницы. Если у кукурузы процент азота по мере налива зерна снижается, то у пшеницы, наоборот, повышается, либо снижается только в начале налива, а затем повышается. В качестве примера можно привести данные Коблета, детально изучавшего биохимические изменения в зерне пшеницы трех сортов при различных сроках посева. В табл. 8 приведены данные, относящиеся к среднему сроку посева пшеницы Huron.
Различия между кукурузой и пшеницей в характере изменения содержания азота в зерне в ходе его созревания, очевидно, связаны с неодинаковым физиологическим состоянием листьев в период налива зерна. У пшеницы к восковой спелости почти все листья отмирают, а у кукурузы в этой фазе еще много зеленых листьев, и налив зерна происходит при наличии зеленых фотосинтезирующих листьев.
Соотношение поступающих в зерно азотистых веществ и углеводов, которое в конечном счете и определяет белковистость зерна, может значительно изменяться, особенно у пшеницы, в зависимости от внешних условий и физиологического состояния листьев, поэтому ход кривой содержания общего азота в процессе налива зерна в различных случаях может быть неодинаковым.
Белок в созревающем зерне, как известно, синтезируется за счет поступающих из вегетативных органов небелковых азотистых соединений, главным образом аминокислот, а также амидов, пептидов и некоторых других небелковых азотистых веществ.
В табл. 9 приведены данные Е.В. Колобковой по изменению содержания белкового, небелкового и аминного азота в созревающем зерне кукурузы сорта Подмосковная, выращенной в условиях Московской области. В зерне анализировали отдельно эндосперм и зародыш.
В ходе налива зерна в эндосперме резко падало процентное содержание небелкового и аминного азота; содержание белкового азота не претерпевало больших изменений. В зародыше в изменении азотистых веществ отмечена та же закономерность, что и в эндосперме, но к полной спелости небелкового азота в зародыше оставалось и несколько раз больше, чем в эндосперме — около 20% от общего азота, тогда как в эндосперме около 3%. Следует отметить, что примерно такие же различия между эндоспермом и зародышем зрелого зерна наблюдаются и в содержании сахаров.
Хотя содержание белка в зерне кукурузы (в % к сухому весу) в ходе его развития изменяется незначительно, абсолютное количество белка в ходе развития зерна кукурузы, а также пшеницы закономерно увеличивается.
Накопление основных веществ в зерне

Содержание небелковых азотистых веществ в зерне в процессе развития снижается вследствие их траты на синтез белка, но абсолютное количество небелкового азота (в мг на одно зерно) остается примерно на одном уровне. Это хорошо иллюстрируется рисунке далее, на котором приведены наши данные по орошаемой и неорошаемой пшенице, а также данными Дженнингса и Мортона. По другим сведениям, абсолютное количество небелковых азотистых веществ в зерне пшеницы увеличивалось к молочной спелости, а затем снижалось. Очевидно, имеют значение погодные условия, в каких происходит налив зерна. В условиях влажной прохладной погоды, когда синтез высокомолекулярных соединений замедляется, в начале налива зерна приток растворимых азотистых соединений происходит быстрее, чем синтез белка.
Основная часть небелкового азота созревающего зерна представлена свободными аминокислотами. В фазе формирования зерна пшеницы и кукурузы содержание аминного азота составляет около половины небелкового азота или 15—30% общего азота. Остальная часть небелкового азота состоит из пептидов, амидов и других небелковых азотистых веществ. В ходе дальнейшего развития зерна содержание свободных аминокислот снижается вследствие их траты па синтез белков, и к полной спелости их остается около 1 % от общего количества азота.
При изучении динамики небелкового азота в созревающем зерне кукурузы ВИР-25 П.А. Цуркан отметил, что содержание пептидов уменьшалось значительно быстрее, чем свободных аминокислот. Это, вероятно, было связано с тем, что в процессе биосинтеза белка пептиды расходуются быстрее, чем свободные аминокислоты. Имеются указания на то, что пептиды быстрее включаются в синтез белка и полнее используются, чем свободные аминокислоты.
С. Гжесюк и Т. Межвинская методом качественной хроматографии па бумаге идентифицировали в созревающем зерне кукурузы следующие свободные аминокислоты: лейцин, фенилаланин, валин, γ-аминомасляную кислоту, тирозин, пролин, треонин, аланин, глютаминовую кислоту, аспарагиновую кислоту, аргинин, аспарагин, лизин, цистин, глютамин. В исследованиях Е.В. Колобковой обнаружены, кроме того, серии, гликокол, триптофан. Наиболее отчетливо на хроматограммах проявляются до полной спелости зерна глютаминовая кислота, аланин и аспарагиновая кислота.
Дьювик методом хроматографии на бумаге в различные фазы созревания количественно определял в эндосперме кукурузы содержание следующих свободных аминокислот: аланина, глютаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты, серина, валина, лейцина, тирозина и глютамина и показал, что содержание суммы перечисленных аминокислот в эндосперме по отношению к сырому весу по мере созревания зерна снижается. Выражая содержание перечисленных аминокислот в процентах от суммы этих аминокислот, Дьювик нашел, что аланина было 30—50%; глютаминовой кислоты и серина — по 10—25% каждой; валина, цейцина и тирозина — менее 10% каждой аминокислоты.
В зерне пшеницы в наибольшем количестве в фазе молочной спелости содержатся глютаминовая и аспарагиновая кислоты, серии, аланин и глицин. Содержание свободных аминокислот в зерне пшеницы (в % к сухому весу зерна и в % к общему азоту), как и в зерне кукурузы, в процессе развития зерна снижается. Соотношение между аминокислотами при этом несколько изменяется, в частности увеличивается доля аспарагиновой кислоты и аргинина, но значительно уменьшается доля серина.
Следует отметить, что природа небелковых азотистых соединений, поступающих в зерно, изучена недостаточно. Принято считать, что это в основном аминокислоты, а также некоторые другие органические азотистые соединения. Однако, как показали наши опыты с применением меченого азота N15, синтез белка в зерне кукурузы может происходить не только за счет поступающих в початок органических соединений азота, но и за счет минеральных, в частности аммонийного азота. В фазе молочной спелости в початках, не отделенных от растений, специальным сверлом делали отверстия, куда и заливали растворы меченных по азоту глютаминовой кислоты, лизина и сернокислого аммония. Через 12 дней початки убирали, в зерне определяли включение N15 в различные белковые фракции (рис. 4).
Накопление основных веществ в зерне

Из данных рис. 4 видно, что азот сернокислого аммония, как и азот глютаминовой кислоты и лизина, включался в белки зерна кукурузы, хотя в использовании азота этих соединений и были некоторые различия. В частности, более низкое обогащение меченым азотом фракции небелкового азота наблюдалось при введении в початок минерального азота по сравнению с введением аминокислот. N15 лизина больше включался в альбумин и глобулин, a N15 глютаминовой кислоты больше накапливался во фракции небелкового азота и глютелина. Для того чтобы объяснить такие различия в использовании азота глютаминовой кислоты, лизина и сернокислого аммония на синтез различных белков, необходимы дальнейшие исследования. Сейчас же на основании полученных данных можно сделать вывод о том, что неорганический азот, поступающий в початок кукурузы, может использоваться на синтез белков зерна так же, как азот аминокислот.
Количество α-кетокислот (пировиноградной и α-кетоглютаровой), по данным Дженнингса и Мортона, в ходе развития зерна пшеницы увеличивается. Однако по сравнению с соответствующими аминокислотами (аланином и глютаминовой кислотой) содержание этих кетокислот крайне низкое. Отсюда Дженнингс и Мортон делают предположение, что в развивающемся зерне большое значение имеют реакции переаминирования с образованием глютаминовой кислоты. Еще раньше В.Л. Кретовичем с сотрудниками в опытах с засасыванием растворов срезанными колосьями пшеницы было показано, что при введении в колосья растворов аммонийной или калиевой соли α-кетоглютаровой кислоты происходит интенсивный синтез глютаминовой кислоты. При этом образование глютаминовой кислоты происходит не только в результате переаминирования, но и в процессе восстановительного аминирования α-кетоглютаровой кислоты аммонием. Введенная в колосья щавелевоуксусная кислота используется для синтеза аспарагиновой кислоты. Одновременно происходит декарбоксилирование щавелевоуксусной кислоты с образованием пировиноградной кислоты, которая тратится на синтез аланина. Таким образом, по данным В.Л. Кретовича и Э. Галяса, в созревающих колосьях пшеницы, как и в проростках ячменя, аланин наряду с глютаминовой и аспарагиновой кислотами является соединением, в виде которого происходит связывание поступающего аммиака.
Введение в Колосья аммония вызывает накопление глютамина. Биосинтез глютамина значительно усиливается, если аммоний вводится в виде солей α-кетоглютаровой, щавелевоуксусной или пировиноградной кислот. Последние две кетокислоты в цикле Кребса дают в конечном счете α-кетоглютаровую кислоту, являющуюся исходным материалом для синтеза глютаминовой кислоты и из нее — глютамина.
Особая роль глютамина как чрезвычайно лабильного соединения, которое наряду с глютаминовой кислотой играет первостепенную роль в связывании поступающего в растение аммиака и в передаче аминных групп кетокислотам в процессе переаминирования, отмечалась неоднократно.
Углеводы, составляющие основную часть сухого вещества зерна, в процессе созревания также претерпевают ряд изменений. Эти изменения представляются в следующем виде: процентное содержание сахарозы и других растворимых форм углеводов по мере созревания уменьшается, вместе с тем нарастает содержание крахмала.
Основной транспортной формой углеводов, в виде которой идет их поступление в развивающееся зерно, как известно, является сахароза. Ее содержание в ранних фазах развития зерна пшеницы, как показали Л. Можаева и В. Семенова, у некоторых сортов достигало 18,3%. Содержание же моносахаридов не превышало 5,1%. В образовании крахмала в зерне неменьшую роль, чем сахароза, играют левулезаны, особенно у ржи, пшеницы, овса и ячменя. Левулезаны наряду с сахарозой и моносахаридами служат источником для образования крахмала и гемицеллюлоз.
Абсолютное количество сахарозы и моносахаридов, по данным Л. Можаевой и В. Семеновой, во все фазы налива находится примерно на одном уровне. Это показывает, что синтез крахмала и других полисахаридов в зерне пшеницы происходит при более или менее близких концентрациях исходных подвижных углеводов. По данным Коблета, абсолютное содержание сахаров в 1000 зерен падает примерно до молочной спелости, после чего до наступления восковой спелости идет нарастание их количества; при переходе в восковую спелость количество сахаров снова уменьшается. Созревшее зерно в зависимости от условий выращивания и сорта пшеницы содержит в среднем 2—3% сахаров, 55—70% крахмала.
Крахмал в пшеничном зерне находится в виде зерен различных размеров. По данным В.Г. Александрова и О.Г. Александровой, крахмальные зерна образуются в особых включениях протоплазмы — пластидах и хондриозомах. В зависимости от их происхождения крахмальные зерна разделяются на пластидные — крупные, овальной формы и хондриозомные — очень мелкие, ограненные. Хондриозомный крахмал начинает возникать значительно позже пластидного, когда рост зерновки заканчивается и начинается ее налив.
Накопление фосфорных соединений и нуклеиновых кислот в процессе развития зерна показано В.Г. Конаревым и соавторами на раннеспелой кукурузе сорта Чишминская 1. В период формирования зерна фосфора накапливается примерно 20%, во время молочной спелости — 66% и в восковую спелость — 14% от общего количества его в зрелом зерне. Характерно, что в зародыше сосредоточено больше половины фосфора зерна, тогда как азот зародыша составляет лишь 1/5 часть от его содержания в зерне. В ходе развития зерна процентное содержание общего фосфора снижается; падает также и содержание нуклеиновых кислот. Соотношение отдельных фракций в процессе развития зерна значительно изменяется: содержание неорганического фосфора кислоторастворимой фракции повышается к началу молочной спелости, а затем падает до полной спелости; содержание органического фосфора этой фракции в ходе развития зерна возрастает, а содержание липидного фосфора остается без изменения до начала молочной спелости, затем к началу восковой спелости снижается. На основании данных своих исследований В.Г. Конарев и соавторы заключают, что в период формирования зерна образуется значительная часть конституционных веществ, причем накопление важнейших из них — нуклеиновых кислот — заканчивается по крайней мере за пять дней до начала восковой спелости. Основная же часть органических кислоторастворимых фосфорных соединений, главным образом фосфорилированных углеводов, накапливается в конце молочной и восковой спелости.
Изучая накопление белка и нуклеиновых кислот в развивающихся семенах пшеницы и гороха, Г.И. Семененко показал, что на первом этапе формирования семян синтез белка (в пересчете на растение) происходит параллельно синтезу нуклеиновых кислот. Затем накопление белка быстро обгоняет синтез РНК и ДНК.