За матеріалами статті на тему «Вплив зменшення кількості води та добрив на метаболізм сахарози в цукрових буряках» («Influence of Water and Fertilizer Reduction on Sucrose Metabolism in Sugar Beets») журналу Agronomy (14) 2024 р.

Цукрові буряки накопичують сахарозу в коренеплодах, виступаючи сировиною для виробництва цукру. Метаболізм цукру має вирішальне значення для визначення якості цукрових буряків, але екологічні умови суттєво впливають на цей процес. Тим не менш, на стадії сходів буряки зазвичай мають низьку інтенсивність метаболізму цукру, низькі рівні моносахаридів і дисахаридів у корені, черешку та листі. У процесі росту рослин метаболізм цукру поступово посилюється, відповідно викликаючи підвищення концентрації сахарози, моносахаридів і загальних цукрів у різних органах рослин буряків. Крім того, концентрація цукру тісно пов'язана з активністю ферментів метаболізму сахарози.

Дослідження показують, що помірний дефіцит зрошення під час активного росту листя значно підвищує активність ферментів сахарозосинтази і знижує активність ферментів сахарозофосфатсинтази у коренеплодах цукрових буряків. І навпаки, серйозний дефіцит зрошення пригнічує діяльність ферментів сахарозосинтази і сахарозофосфатсинтази. Гени, пов’язані з сахарозофосфатсинтазою, сахарозосинтазою та інвертазою, також демонструють значну роль у реакції на стреси навколишнього середовища.

Дослідження показали, що наявність азоту, фосфору та калію впливає на метаболізм сахарози в різних культурах. Внесення азотних добрив у нормі 120-160 кг/гм² може покращити активність сахарозосинтази та сахарозофосфатсинтази у коренеплодах цукрових буряків, а посилене застосування фосфору може збільшити активність сахарозофосфатсинтази в листі, а також накопичення сахарози в коренеплодах. Калійне добриво виконує життєво важливу регулюючу функцію у метаболізмі сахарози.

У даному дослідженні вивчався вплив зменшення зрошення та підживлення на метаболізм сахарози в цукрових буряках на різних стадіях їх росту шляхом оцінки концентрації сахарози, активності ключового ферменту та експресії генів. Вивчаючи реакцію цукрових буряків на зрошення та підживлення на різних стадіях росту, дане дослідження пропонує теоретичну основу для підвищення ефективності виробництва та сприяння сталим методам вирощування цукрових буряків.

Матеріали та методи

Опис експериментальної ділянки

Експеримент проводився в Науково-дослідному інституті сільського господарства та лісівництва Внутрішньої Монголії Уланкаб із 2022 по 2023 рік. Цей район був обраний через його помірно-посушливий континентально-мусонний клімат. Із травня по жовтень 2022 та 2023 років середні високі температури становили 26,9°C та 27,3°C відповідно, а середні низькі температури — 4,3°C та 6,4°C відповідно. Середньомісячна кількість опадів у 2022 та 2023 роках становила 72 мм та 75,2 мм відповідно. Тип ґрунту — латозоль, структура ґрунту — супіщана. У Таблиці 1 наведено вміст поживних речовин у ґрунті на дослідній ділянці.

Таблиця 1. Ґрунтові умови дослідної ділянки

Вибраний сорт цукрових буряків IM1162 — основний сорт цукрових буряків у цій зоні. Внесені добрива складалися з сечовини (N 46%), дигідрофосфату амонію (N 18%, P₂O₅ 46%) і сульфату калію (K₂O 50%).

Експериментальні методи

У даному дослідженні використовувалося крапельне зрошення. На експериментальних ділянках проводилося підживлення різними нормами добрив, і кожна ділянка мала різні рівні зрошення. Норми підживлення зменшували на 10% (F2) і 20% (F1), а рівні зрошення — на 15% (W2) і 30% (W1). Азотні (N) добрива спочатку вносилися в кількості 30% як прикореневе підживлення, а потім вносили наступні дози 30%, 30% і 10%. Фосфорні (P) і калійні (K) добрива вносилися в нормі 50% як прикореневе підживлення з наступними внесеннями в нормах 20%, 20% і 10%. Крапельне зрошення проводилося за допомогою системи Вентурі. Початковий полив застосовували на стадії сходів цукрових буряків, а наступні зрошення та підживлення проводилися через 30, 70 і 110 днів після стадії сходів.

Таблиця 2. Рівні підживлення та зрошення

*(F3W2) скорочення зрошення на 15%, (F3W1) скорочення зрошення на 30%, (F2W3) скорочення підживлення на 10%, (F2W2) скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 10%, (F2W1) скорочення зрошення на 30% і підживлення — на 10%, (F1W3) скорочення норми підживлення на 10%, (F1W2) скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 20%, (F1W1) скорочення зрошення на 30% і підживлення — на 20%.

Вплив скорочення зрошення та підживлення на концентрацію сахарози та накопичення цукру в коренеплодах цукрових буряків

На ранніх стадіях росту цукрових буряків концентрація сахарози в коренеплодах низька і поступово зростає. Через 80 днів після появи сходів швидкість накопичення цукру зростає, досягаючи піку через 120 днів після стадії сходів.

У 2022 та 2023 роках через 40, 80 і 120 днів після появи сходів при скороченні зрошення на 15% (F3W2) накопичення сахарози збільшувалося, а при зменшенні зрошення на 30% (F3W1) воно також зменшувалося та було подібним до традиційного зрошення і підживлення (контроль).

Скорочення підживлення через 30 днів після появи сходів призвело до зниження концентрації сахарози в корені. Однак зменшення підживлення на 10% (F2W3) через 40, 80 і 120 днів після появи сходів сприяло підвищенню накопичення сахарози, порівняно зі звичайним зрошенням та підживленням (контроль), зі значним збільшенням через 80 днів після появи сходів. Зменшення підживлення на 20% (F1W3) через 80 і 120 днів після стадії сходів значно зменшило накопичення сахарози, порівняно з контролем.

Тобто, зменшення використання добрив обмежує раннє накопичення сахарози, але зменшення підживлення на пізніх стадіях росту буряків може посилити накопичення цукру в коренеплодах.

За умов скорочення підживлення на 10% і зрошення — на 15% (F2W2) через 40 днів після стадії сходів відбувалося підвищення накопичення сахарози, порівняно зі звичайним зрошенням та підживленням (контроль), зі значним збільшенням у 2023 році через 80 днів після появи сходів.

Однак інші експериментальні методи показали зниження починаючи з 40 днів після появи сходів. Згідно з результатами концентрації сахарози в коренеплодах цукрових буряків протягом періодів збору врожаю 2022 та 2023 років, зменшення зрошення на 15% (F3W2), зменшення підживлення на 10% (F2W3)  та скорочення зрошення на 15% і зменшення внесення добрив на 10%  (F2W2) показали вищі концентрації сахарози, порівняно зі звичайним підживленням (контроль).

Середнє підвищення концентрації сахарози за два роки становило 0,45, 0,57 і 0,65 градусів відповідно. Примітно, що у 2023 році спостерігався значний ефект між взаємодією зрошення та підживлення, коли скорочення зрошення на 15% (F3W2) продемонструвало збільшення концентрації сахарози на 0,87 градусів. Ці результати вказують на те, що відповідне зменшення використання води та добрив може покращити концентрацію сахарози в буряках.

Вплив скорочення зрошення та внесення добрив на важливі ферменти, пов’язані з метаболізмом сахарози в коренеплодах цукрових буряків

Концентрація сахарози тісно пов'язана з активністю ферментів, які беруть участь в її метаболізмі. Сахарозофосфатсинтаза є ферментом, що каталізує синтез сахарози з використанням фруктозо-6-фосфату та уридин-дифосфат глюкози як субстратів. Сахарозосинтаза є оборотним ферментом, що каталізує синтез і розпад сахарози. Під час метаболізму сахарози ферменти інвертази необхідні для необоротного гідролізу сахарози на фруктозу та глюкозу. Ці ферменти класифікуються як нейтральна та кисла інвертаза. Рівень експресії гена сахарозофосфатсинтази в корені позитивно корелює з її активністю. У корені сахарозофосфатсинтаза зазвичай каталізує синтез сахарози та демонструє відносно високі рівні експресії, що позитивно корелює з концентрацією цукру, а гени інвертази демонструють низькі рівні експресії та активності в корені.

Обговорення

Концентрація сахарози є основним показником якості цукрових буряків. Відповідні рівні зрошення та підживлення можуть по-різному впливати на зміни її концентрації. Дане дослідження виявило, що скорочення зрошення на 15%, скорочення підживлення на 10% або одночасне зменшення зрошення на 15% і підживлення — на 10% призвели до вищої концентрації сахарози в зібраних коренеплодах. Цей висновок узгоджується з попередніми дослідженнями цукрових буряків. Крім того, проведений аналіз продемонстрував значне збільшення концентрації сахарози в умовах скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 10% та зменшення зрошення на 15% через 80 днів після появи сходів і під час скорочення підживлення на 10% через 40 днів після появи сходів.

Ключові ферменти, що беруть участь у метаболізмі сахарози, відіграють важливу роль у її накопиченні та утримуванні в коренеплодах цукрових буряків. Дане дослідження виявило підвищену активність сахарозосинтази та сахарозофосфатсинтази під час скорочення зрошення на 15%, скорочення підживлення на 10% та скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 10%, порівняно зі звичайним зрошенням та підживленням (контроль).  

Результати дослідження виявили більш високу активність сахарозосинтази ІІ, яка бере участь у синтезі сахарози, порівняно з сахарозосинтазою I, що свідчить про те, що сахарозосинтаза головним чином функціонує в синтезі. Сахарозосинтаза бере участь у розщепленні сахарози, що пояснюється в основному відмінною природою цукрових буряків як цукрової культури, яка підвищує їх здатність накопичувати сахарозу.

Інвертаза є основним ферментом, відповідальним за розпад сахарози. Її можна класифікувати на два типи на основі різних значень pH: кисла інвертаза та нейтральна/лужна інвертаза. Кислу інвертазу можна розділити на дві категорії: розчинна інвертаза і кислотна інвертаза клітинної стінки.

Це дослідження продемонструвало, що скорочення зрошення на 15% не вплинуло на активність кислої та нейтральної/лужної інвертази. Однак це значно збільшило активність розчинної інвертази і кислотної інвертази клітинної стінки.

Дане дослідження показало, що скорочення підживлення на 10% через 40 днів після появи сходів призвело до значного зниження активності кислої та нейтральної/лужної інвертази, тоді як через 80 днів після стадії сходів ця активність збільшилася. Крім того, активність розчинної інвертази і кислотної інвертази клітинної стінки збільшилася.

Попередні дослідження показали, що правильне внесення азотних, фосфорних і калійних добрив може посилити активність інвертази на ранніх стадіях росту культур, що узгоджується з висновками даного дослідження.

Аналіз RT-qPCR також показав, що гени сахарозофосфатсинтази, кислої та нейтральної/лужної інвертази, розчинної інвертази і кислотної інвертази клітинної стінки регулюються при обмеженому зрошенні та підживленні, що впливає на їх відповідну ферментну активність.

Крім того, у даному дослідженні охарактеризовано позитивну кореляцію між вмістом сахарози та активністю сахарозофосфатсинтази і сахарозосинтази, поряд із негативною кореляцією з активністю розчинної інвертази.

Однак кореляційний аналіз на різних стадіях росту буряків виявив сильну позитивну кореляцію між концентрацією сахарози та активністю кислотної інвертази клітинної стінки через 40, 80 і 120 днів після стадії сходів.

Подальші дослідження підтвердили вирішальну роль кислої інвертази клітинної стінки у розвантаженні сахарози, оскільки її активність тісно пов’язана з накопиченням цукру. Це відкриття додатково підтверджує її значення для цукрових буряків. Активність як сахарозосинтази, так і ферменту, що розкладає сахарозу, зросла різним ступенем після відповідного зрошення та зменшення підживлення, причому сахарозосинтаза демонструвала краще збільшення, ніж фермент. Це підвищення здатності до синтезу сахарози збільшило накопичення цукру в коренеплодах. Раніше повідомлялося по те, що посилення активності ферментів синтезу сахарози збільшує її накопичення в тканинах. Ці висновки дають змогу зрозуміти механізми, що лежать в основі підвищення концентрації сахарози в умовах обмеженого зрошення та підживлення.

Висновки

Скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 10% може збільшити вміст цукру в коренеплодах цукрових буряків, при цьому середня концентрація сахарози збільшується на 0,45, 0,57 і 0,65 градусів в умовах скорочення зрошення на 15%, скорочення підживлення на 10%, а також скорочення зрошення на 15% і підживлення — на 10%.

Накопичення цукру позитивно корелює з сахарозофосфатсинтазою та сахарозосинтазою, але ефективність ферменту демонструє відмінності при різних нормах зрошення та підживлення на різних стадіях росту буряків. Підвищення синтетичних ферментів переважає над збільшенням ферментів розкладання. Крім того, зміни в аналізі експресії ключових генів ферментів, включаючи сахарозофосфатсинтазу, кислотну і нейтральну/лужну інвертазу, розчинну інвертазу і кислотну інвертазу клітинної стінки, узгоджуються з активністю ферменту. Цей процес сприяє синтезу сахарози в коренеплодах цукрових буряків, збільшуючи їх здатність накопичувати цукор.