Характеристика фермента пероксидазы в растении. Ее роль и функции

Ферменты играют важную роль для сельскохозяйственных культур и регулируют все биохимические процессы протекающие в клетке. Так же биологические катализаторы белковой природы, оказывают влияние на созревание, прорастание и дыхание зерна. Хранение и переработка зерна, выпечка хлеба, производство пива и других продуктов из зерна невозможны без участия ферментов.

Активности ферментов способствуют такие факторы, как: температура, кислотность или щелочность среды, добавление некоторых химических веществ, из которых одни усиливают активность ферментов (активаторы), другие, наоборот, ослабляют ее (парализаторы) или даже совсем приостанавливают действие ферментов (например, соли тяжелых металлов: серебра, ртути, меди, свинца и др.).

Важным показателем активности ферментов является температура. С ее повышением до определенного уровня активность ферментов увеличивается. Для многих ферментов оптимальная температура находится в пределах 40–55°С. Нагревание до 70–80°С разрушает почти все ферменты, они свертываются и теряют каталитические свойства. Большое значение для активности ферментов имеет и активная кислотность среды, иначе концентрация водородных ионов, выражаемая величиной pH. Каждый фермент проявляет свое действие в определенных пределах pH. Большинство из них растворимы в воде, глицерине, слабых растворах (до 25%) сернокислого аммония и осаждаются из растворов ацетоном, насыщенным раствором (75%-ным).

Фермент пероксидаза катализирует окисление органических соединений с помощью перекиси водорода и органических перекисей, например, образующихся из ненасыщенных жирных кислот, каротиноидов. Этот фермент переносит кислород от молекулы субстрата к перекиси. Субстратами пероксидазы служат различные соединения – фенолы (пирокатехин пирогаллол, гидрохинон, резорцин, гваякол), ароматические кислоты (бензойная. салициловая, галловая), аскорбиновая кислота, анилин, толуидин. нитриты и другие соединения. Фермент обладает не только пероксидазными, но и оксилазными свойствами, то есть окис­ляет органические соединения за счет неактивированного молекулярного кислорода [40].

Большинство субстратов пероксидазы – фенолы. Под действием фермента они окисляются до хинонов, которые сами по себе являются сильными окислителями. Хиноны склонны к полимеризации, в результате образуются темноокрашенные соединения.

Пероксидаза присутствует в каждой растительной клетке. Этот фермент участвует в циклах фотосинтеза и дыхания, играет существенную роль в защите растений от инфекционных заболеваний. Наблюдается положительная корреляция между степенью повреждения растения, концентрацией фенолов и активностью пероксидазы. Поэтому при переработке инфицированного растительного сырья уровень окислительных процессов в целом выше, чем при переработке интактного, неповрежденного материала[42].

В клетках растений пероксидаза способна выполнять следующие функции:

1.Участвовать в процессах синтеза лигнина;

2.Защищать клетки от действия активных форм кислорода;

3.Обеспечивать защиту растений от различных патогенных бактерий;

4.Регулировать активность функционально активных веществ;

5.Поддерживать окислительно-восстановительные процессы в клетке;

6.Регулировка концентрации перекиси водорода.

Сама пероксидаза представляет собой двухкомпонентный фермент, состоящий из белка гликопротеина и геминового компонента, который включает протопорфирин IX и ион трехвалентного железа. Геминовый компонент выполняет роль активного центра. Фермент из различных источников имеет молекулярную массу от 22 до 44 кДа, белковая часть на 43% спирализована [1].

Представлена она в растениях набором изоферментов, число их у одного вида может составлять от 3 до 42. Наличие изоферментов расширяет границы функционирования пероксидазы, она проявляет активность в зоне рН 3–14. При изменении внешних условий и гомеостаза растения изменяется изоферментный состав пероксидазы, что является приспособительным механизмом.

Регуляция действия пероксидазы осуществляется с помощью ионов металлов – марганца, цинка, меди, кальция и др. Их присутствие влияет на соотношение собственно пероксидазной, оксидазной и оксигеназной активности. Ингибиторами пероксидазы являются цианиды и хелаты. С помощью хелатов, таких как ЭДТА, лимонная кислота и ее соли, можно предотвратить окислительные реакции, происходящие в растительном сырье под действием пероксидазы сернокислого аммония (это используется для получения препаратов ферментов) [41].

Глава II. Объект и методы исследования

Объект исследования

Яровая пшеница важнейшая продовольственная, кормовая и техническая культура. Она является одной из самых древнейших и наиболее распространенных культур на планете. В зерновом балансе страны она занимает ведущее место, поэтому увеличение ее продуктивности - главная задача сельхозпроизводителей.

Корневая система пшеницы отличается от корневых систем других культур и распределением по горизонтам почвы. У пшеницы в пахотном слое находится только 30% корней, остальная часть их выходит за его пределы. Этот характер корневой системы и определяет требовательность пшеницы к почве, не только к ее пахотному слою, но и к качеству подпахотных горизонтов. Она представляет из себя мочковатую структуру, и находится в верхнем пахотном слое почвы, но проникать может на глубину 120 - 200см. Она состоит из первичных «зародышевых» корней (развивается из зародыша семени) и вторичных «узловых» (образуются из узлов стебля).

Стебель яровой пшеницы - соломина, округлой формы, полый и по всей длине разделен узлами (кольцеобразные утолщения) на 5-6 участков (междоузлия).

Типы листьев яровой пшеницы:  прикорневые - образуются из подземных узлов, а стеблевые - из надземной части стебля. Лист состоит из 2 частей: влагалище и лепесток. Листья злаков ланцетовидные, с параллельным жилкованием. У основания они свернуты в трубочки, прикрепленные к стеблевым узлам и охватывающие часть стебля. Листья являются основными фотосинтезирующими органами; поэтому их число, размеры и состояние оказывают существенное влияние на урожайность. Из каждого узла стебля отходит один лист. В листьях происходит фотосинтез - образование органического вещества из воды и углекислого газа, при помощи солнечного света. Размер и число листьев зависит от биологических особенностей, сорта и почвенных условий [4].

Соцветие пшеницы представлено колосом, который состоит из: колосового стержня и отдельных колосков, содержащих 1-5 цветков, из которых зерно дают 2-3.

Плод пшеницы - голая зерновка (зерно), в котором различают спинную брюшную стороны. В нижней части зерна на спинной стороне расположен зародыш.

Наиболее популярным видом пшеницы является - мягкая пшеница (Triticum aestivum). В мире ее посевы достигают достигают 215-230 млн. га, а в России 23-25 млн. га. Ее широкое распространение обусловлено высокой пластичностью, урожайностью, а также высокими питательными свойствами продуктов переработки зерна и хорошей усвояемостью. В зерне содержится в среднем 13-18 % белка, 60% крахмала, 2-2,5 % жира, 2,5 % клетчатки, 2 % золы и 13-14 % воды.

Биологические особенности культуры.

Биология культуры является основой построения ее технологии возделывания - комплекс агротехнических приемов, выполняемых в определенной последовательности, направленный на удовлетворение требований биологии культуры и получения высокого урожая заданного качества. С учетом этого необходимо знать биологические особенности возделываемой культуры, т.е. отношение ее к факторам жизни (свет, тепло, влажность, пища, воздух).

Яровая пшеница является растением длинного дня, в процессе роста и развития она проходит те же фазы и этапы органогенеза, что и озимая пшеница.

Основные периоды вегетации:

− Всходы - кущение (продолжительность 15-22 дней, нарастание биомассы 10-15%);

− Кущение - выход в трубку (продолжительность 11-25 дней, нарастание биомассы 11-20%);

− Выход в трубку - колошение (продолжительность 15-20 дней, нарастание биомассы 35-45%);

После всходов яровая пшеница развивается медленно и сильнее угнетается сорняками, чем озимая. Корневая система характеризуется более слабым развитием (особенно у твердой пшеницы) и пониженной усваивающей способностью. Средняя продуктивная кустистость колеблется в пределах 1,22-2.

Яровая пшеница является культурой не требовательной к высоким температурам, напротив, ее считают культурой холодостойкой. Мягкая яровая пшеница более устойчива к низким температурам, чем твердая. Семена прорастают при 1-2°С, а всходы появляются при 4-5°С, более благоприятная температура для прорастания - 12-15°С. При температуре почвы на глубине заделки семян 6°С, всходы появляются на 20 день, при 10°С - на 10, а при 17°С - на 7.

Может переносить кратковременные  заморозки (в период прорастания зерна -12°С, а в фазу кущения -9-11°С). В период цветения и налива зерна растения могут повредить заморозки -2-3°С. Фаза кущения протекает благоприятно при 11-13°С, а в фазе колошения и молочно - восковой спелости при 17-24°С. Так же к повешнным температурам яровая пшеница довольно устойчива, особенно при наличии влаги в почве. Температура - 34-40°С и суховеи неблагоприятно сказываются на растениях и ведут к понижениию урожайности и качества зерна. Сумма активных температур за период всходы - созревание составляет - 1500-1750°С. (Кумаков В.А., 1988).

Для прорастания семян яровой пшеницы воды требуется 50-60% от веса сухого зерна. Потребление воды яровой пшеницей в течение вегетационного периода неравномерно. Критические периоды по отношению к влаге - выход в трубку - колошение, т.е. периоды образования репродуктивных органов. Недостаток влаги в это время увеличивает бесплодность колосков, а при формировании и наливе снижает крупность зерна, что приводит к значительному снижению урожайности. При весенних запасах продуктивной влаги в метровом слое почвы менее 100 мм создаются неблагоприятные условия для роста и развития яровой пшеницы, а при наличии менее 60 мм невозможно получить даже удовлетворительный урожай зерна. Последующие обильные осадки не могут исправить положение, урожай резко снижается. При наличии достаточного количества влаги на глубине узла кущения хорошо развиваются зародышевые и узловые корни. В основных районах возделывания яровой пшеницы ранневесенние засухи иссушают почву, в результате слабо развиваются не только узловые, но и зародышевые корни, что ведёт к резкому снижению урожайности [33].

Потребление воды яровой пшеницей в течение вегетационного периода распределяется следующим способом:

−В период всходов 5-10% от общего потребления воды за вегетационный период;

−В фазе кущения 10-20%;

−В фазах выхода в трубку и колошения 45-55%;

−В фазу молочной спелости зерна 25-35%;

−В фазу восковой спелости 3-7%.

Высокие требования яровая пшеница предъявляет к почвам, особенно в начальные периоды вегетации. По сравнению с другими зерновыми культурами она наиболее требовательна к гранулометрическому составу и плодородию почвы, что объясняется пониженной усвояющей способностью корневой системы. Лучшими для нее считаются структурные черноземные и каштановые, а также плодородные дерново-подзолистые почвы. На тяжелых глинистых и легких песчаных почвах без внесения высоких норм удобрений она растет плохо.

Пшеница не выносит повышенную кислотность почвы. Высокие урожаи она даёт на почвах, достаточно обеспеченных питательными веществами и имеющих нейтральную или слабощелочную реакцию (рН6-7,5). Яровая пшеница по сравнению с другими зерновыми культурами наиболее требовательна к гранулометрическому составу и плодородию почвы, что объясняется пониженной усваивающей способностью корневой системы. Лучшими для неё считаются структурные чернозёмные и каштановые, а также плодородные дерново-подзолистые почвы. На тяжёлых глинистых и лёгких песчаных почвах без внесения высоких норм удобрений она растёт плохо. Яровая пшеница более требовательна к плодородию почв, чем другие яровые хлеба. На формирование 1 т зерна и соответствующего количества побочной продукции она выносит из почвы, Kr:N - 35-45, Р2О5 -9-12, К2О-18-24 [33].

Условия минерального питания играют важную роль и оказывают влияние на развитие растений, а так же на количество и качество урожая. Ведь именно при сбалансированном минеральном питании можно получить высокие показатели урожая. Накопление белков в зерне яровой пшеницы на прямую связано с динамикой поглощения азота растением.

Минеральные удобрения увеличивают урожай яровой пшеницы на всех почвах. Яровая пшеница в первую очередь запасается фосфором, потом калием и, наконец, азотом. Максимальное потребление питательных веществ приходится на период от кущения до цветения. При этом в период колошения особенно необходим азот. Фосфор наиболее интенсивно используется в первые 30-50 дней в фазу всходов – кущения. Максимальное потребление калия приходится на начало выхода в трубку – цветение [60].

Методы исследования