НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

САКАЛО Валентина Дмитрівна

УДК 581.1.134.19 : 577.152.2.4 : 631.811.98 : 633.63

Метаболізм сахарози і його регуляція в рослинах з різним складом
запасних вуглеводів

03.00.12 – фізіологія рослин

Автореферат дисертації на здобуття наукового

ступеня доктора біологічних наук

Київ – 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України

Науковий консультант: доктор біологічних наук,

академік НАН України, професор

Гродзинський Дмитро Михайлович

Інститут клітинної біології та генетичної інженерії НАН України,

завідувач відділу біофізики та радіобіології

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Гуляєв Борис Іванович,

Інститут фізіології рослин і генетики

НАН України,

провідний науковий співробітник

відділу фізіології та екології фотосинтезу

доктор біологічних наук, професор

Булах Анатолій Андрійович,

Міжнародний Соломонів університет,

завідувач кафедри біології

доктор біологічних наук, професор

Кур’ята Володимир Григорович,

Вінницький державний педагогічний університет ім. М.Коцюбинського,

завідувач кафедри біології

Провідна установа: Дніпропетровський національний університет

Захист відбудеться “16 ” грудня 2004 р. о 10.00 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26. 212. 01 при Інституті
фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ-22,
вул. Васильківська, 31/17.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізіології
рослин і генетики НАН України (03022, м. Київ-22, вул. Васильківська,
31/17).

Автореферат розіслано “09” листопада 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Є.Ю. Мордерер

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Біосинтез і метаболізм сахарози, їх регуляція в
онтогенезі є актуальними питаннями в сучасній фізіології рослин у
зв’язку з важливою роллю цього дисахариду в життєдіяльності рослин та
великим практичним значенням. Сахароза є носієм активованих гексоз, які
з легкістю включаються в метаболізм без додаткових енергетичних витрат
(Курсанов, 1988(, джерелом моносахаридів і сахаронуклеотидів,
енергетичним ресурсом для біосинтетичних процесів (Lalonde, 1999(. Як
високорозчинний дисахарид, сахароза є важливим компонентом у регуляції
осмотичного тиску, вона здатна транспортуватись через біологічні
мембрани такі, як плазмолема і тонопласт (Giaquinta, 1980(, що робить її
багатофункціональною сполукою в рослинному організмі (Koch, 1996(.
Найважливіша функція сахарози полягає в тому, що вона є основною
транспортною формою вуглеводів більшості рослин, тобто зв’язуючим
ланцюгом між органами, що синтезують і запасають асиміляти.
Інтенсивність надходження сахарози із листків у запасаючі органи, її
подальший метаболізм значною мірою визначають продуктивність рослин.

Важливою роллю сахарози диктується необхідність вивчення особливостей
функціонування ферментних систем, які відповідають за її синтез і
включення в коло метаболічних перетворень. Синтез сахарози в листках,
який здійснюється ферментом сахарозофосфатсинтазою (СФС) значною мірою
визначає подальший функціональний стан рослини. Тому особливо
актуальними є питання, пов’язані з вивченням можливостей регуляції
активності ферменту (Jang et al., 1997, Perata et al., 1997, Pego et
al., 2000(. Включення сахарози в метаболізм запасаючих органів
здійснюється сахарозосинтазою (СС), головна функція якої полягає в
розщепленні сахарози з утворенням нуклеотиддифосфатцукрів (НДФЦ) (
субстратів для біосинтезу крохмалю, інших поліглюкозидів, що складають
речовини клітинних стінок і забезпечують таким чином ростові процеси.
Враховуючи той факт, що синтез НДФЦ здійснює і фермент пірофосфорилаза,
актуальним є визначення ролі цих двох ферментних систем у регуляції
крохмаленакопичення. З цією метою нами були вибрані рослини, що
запасають крохмаль – картопля (Solanum tuberosum L.), кукурудза (Zea
mays L.) та сахарозу ( цукровий буряк (Beta vulgaris L.), які є
найважливішими сільськогосподарськими культурами в Україні.

Особливості функціонування сахарозосинтази, її ролі в регуляції
вуглеводного метаболізму можна краще зрозуміти, вивчаючи активність
очищенного ферменту і його молекулярних форм.

Вивчення можливостей регуляції активності ферментів, пов’язаних з
синтезом і метаболізмом сахарози, може мати суттєве значення в розумінні
шляхів інтенсифікації цукронакопичення у цукрового буряка, який є
основним джерелом цукру в Україні. При вирощуванні цукрових буряків з
ряду причин екологічного та економічного характеру ми не досягаємо того
рівня цукристості, який генетично детермінований для даного сорту.

З метаболізмом цукрів пов’язані також глибокі біохімічні і структурні
зміни, які відбуваються при природному старінні листків. Даних про
гормональний контроль синтезу і метаболізму цукрів у зв’язку із
старінням недостатньо (Wingler et al., 1998, Harn et al., 1993(.
Регуляція вуглеводного метаболізму при старінні листків може бути
визначальною в підвищенні біосинтетичного потенціалу цукрових буряків.

Оскільки СС включає сахарозу в метаболізм не тільки у вегетуючих
рослинах, але і у коренеплодах що зберігаються, актуальною є регуляція
активності ферменту з метою зниження втрат цукру. Регуляція фізіологічно
активними речовинами (ФАР) ферментів, що відповідають за біосинтез
сахарози і включення її в ланцюг біохімічних перетворень як у вегетуючих
рослинах, так і при зберіганні урожаю, може бути вирішальною для
розробки теоретичних основ підвищення продуктивності
сільськогосподарських рослин. Всі ці моменти визначили мету і задачі
даної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконувалась у рамках науково-дослідних робіт
відділу біохімії рослин, потім генетичної інженерії Інституту фізіології
рослин і генетики НАН України. Бюджетні теми: “Генетична і метаболічна
регуляція диференціації клітин запасаючих тканин і органів рослин”
(номер держреєстрації 76033016, 1975(1980), “Вивчення структури ДНК і
особливості функціонування геному в онтогенезі запасаючих органів
рослин” (номер держреєстрації 81015959, 1981(1985), “Вивчити регуляцію
експресії структурних генів в онтогенезі рослин і розробити спосіб
мікроклонального розмноження хмелю” (номер держреєстрації 01.86.0006641,
1986(1990), “Мінливість популяції мРНК в органогенезі рослин” (номер
держреєстрації 01.9.10010064, 1991(1995), “Посттранскрипційні зміни РНК
в процесі морфогенезу цукрового буряка і соняшника” (номер
держреєстрації 0199U 000777, 1996(2000). Здобувач була керівником
розділів даних тем. Частково робота виконувалась у рамках проектів ДКНТ:
Державної науково-технічної програми 3.13 “Створення нових
енергозберігаючих технологій для переробки і збереження
сільськогосподарської продукції” напрямок 3.0 “Виробництво, переробка і
збереження сільськогосподарської продукції” – “Вивчення порушення
метаболізму коренеплодів цукрових буряків і розробка технології їх
зберігання в несприятливих умовах” (1994(1996). Робота частково
фінансувалась Міннауки України – “Вивчення впливу обробки посівів
цукрових буряків регуляторами росту на активність ферментів метаболізму
сахарози і продуктивність” – договір № 2.55 3р/15 Ф від 2.10.1997 р., АТ
“Високий урожай” – договори 1998(1999р., “Біостим” – договір 2000 р.
Здобувач була керівником даних проектів.

Мета і задачі дослідженнь. Основна мета роботи – встановити
закономірності функціонування ключових ферментів вуглеводного
метаболізму в онтогенезі рослин, що накопичують крохмаль або запасають
сахарозу, і можливості їх регуляції фізіологічно активними речовинами в
цукрових буряках для підвищення продуктивності і зниження втрат урожаю
при зберіганні.

Для досягнення цієї мети були поставлені такі головні задачі:

оцінити роль сахарозосинтази і пірофосфорилази в регуляції синтезу
крохмалю в бульбах картоплі і насінні кукурудзи, вивчити метаболітний та
білковий склад строми крохмальзапасаючих пластид – амілопластів;

дати біохімічну та імунологічну характеристику очищеної сахарозосинтази
коренеплодів цукрових буряків і встановити особливості функціонування її
молекулярних форм;

вивчити питому активність, дати імунохімічну характеристику
сахарозосинтази різних сортів, гібридів і видів диких буряків, які
відрізняються рівнем цукронакопичення;

експериментально обгрунтувати взаємодію сахарозофосфатсинтази і
сахарозосинтази в процесах цукронакопичення і особливості їх регуляції
екзогенними гормонами;

оцінити роль регуляторів росту рослин (РРР) в активації метаболічних
процесів і підвищенні продуктивності цукрових буряків;

дослідити зміни вуглеводного метаболізму в старіючих листках цукрових
буряків і можливості його регуляції екзогенними гормонами і регуляторами
росту рослин;

вивчити метаболізм сахарози при зберіганні коренеплодів в несприятливих
умовах і можливості його регуляції фізіологічно активними речовинами для
зниження втрат цукру.

Об’єкт дослідження – вуглеводний метаболізм у рослинах, що накопичують в
якості запасного продукту крохмаль або сахарозу.

Предмет дослідження – ферменти вуглеводного метаболізму –
сахарозофосфатсинтаза, сахарозосинтаза, пірофосфорилаза,
крохмальсинтаза, інвертаза, гексокіназа, фруктокіназа,
глюкозо-6-фосфатізомераза, глюкозо-6-фосфатдегідрогенеза, їх активність
і регуляція.

Методи дослідження – метод мічених атомів, хроматографія на папері,
гель-фільтрація, іонообмінна хроматографія, електрофорез у ПААГ і
денситометрія білків, біохімічні методи визначення білків, цукрів,
фосфору, спектрофотометричне визначення НАДФ-Н+, подвійна імунодифузія,
диференційне центрифугування.

Наукова новизна одержаних результатів. Експериментально обгрунтована
роль СС у регуляції АДФГ-крохмальсинтази в бульбах картоплі і насінні
кукурудзи. Отримано нові дані, які розширили уявлення про участь
ферментних систем СС і пірофосфорилази в біосинтезі крохмалю.

Установлено наявність молекулярних форм сахарозосинтази, показано зміну
їх вмісту і активності в онтогенезі кормових і цукрових буряків, вивчено
кінетику реакцій, які каталізують ці молекулярні форми.

Отримані антитіла на очищену СС із коренеплодів буряків сорту
Білоцерківська однонасіннева (БЦО-34), показано, що біохімічна
гетерогенність молекулярних форм сахарозосинтази не супроводжується
імунохімічними відмінностями, що СС різних сортів, гібридів і видів
диких буряків відрізняється інтенсивністю і направленістю реакції, але
не має імунохімічних відмінностей, тобто селекція на цукристість не
пов’язана із структурними змінами ферментного білка. СС
крохмальзапасаючих рослин має лише часткову гомологію з ферментом
коренеплодів цукрових буряків.

Показана регуляція активності СФС цукрових буряків екзогенними гормонами
(БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д).

Наведено фізіолого-біохімічне обгрунтування підвищення продуктивності
цукрових буряків при обробці РРР – емістимом С та бетастимуліном через
їх вплив на ферментні системи і оптимізовані терміни обробки. Показано,
що залежно від сорту та термінів обробки посівів, емістим С дає
збільшення урожаю на 11(24,6%, збору цукру на 10(26 %, бетастимулін – на
3,3(35,7 % та 10,7(33 % відповідно [Деклараційні патенти: № 39662, 2001;
№ 39663, 2001]. Допосівна обробка насіння емістимом С та бетастимуліном
дає підвищення збору цукру на 13(14 % [Деклараційний патент № 34684,
2001].

Установлено особливості регуляції СС цукрових буряків. Показано, що СС,
на відміну від СФС, екзогенними гормонами (БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д) і РРР
(емістимом С та бетастимуліном), не активується. Експериментально
обгрунтовано, що процес цукронакопичення забезпечується регуляторною
взаємодією цих двох ферментів, при якій СС активується сахарозою, що
інтенсивно синтезується в листках.

Установлено зниження активності СФС при старінні листків цукрових
буряків і показано можливість її регуляції екзогенними гормонами та РРР.

Показано, що основні втрати сахарози при зберіганні коренеплодів
цукрових буряків у несприятливих умовах відбуваються за рахунок
активації СС і установлена можливість інгібування ферменту ФАР: 0,2 %
оксалін та 0,1 % триман знижують втрати сахарози в 1,5(2 рази.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати
можуть бути використані як у фундаментальних дослідженнях, так і в
практиці сільськогосподарського виробництва.

Дослідження ролі СС у біосинтезі НДФЦ в бульбах картоплі та насінні
кукурудзи, метаболітного та білкового складу строми амілопластів роблять
внесок у вирішення питань механізму і регуляції біосинтезу крохмалю.
Функціонування очищеної СС коренеплодів цукрових буряків і її
молекулярних форм, кінетика реакцій дають розуміння фізіологічної ролі
ферменту в процесах цукронакопичення in vivo, що може бути використано
при розробці молекулярних біотехнологій.

Активність ферментів синтезу і метаболізму сахарози –
сахарозофосфатсинтази та сахарозосинтази різних сортів, гібридів і
видів диких буряків може бути використана як додатковий показник у
селекційній роботі.

Установлена можливість гормональної регуляції СФС цукрових буряків
розкриває нову грань у функціонуванні цього ферменту і може бути
додатковим критерієм при оцінці його фізіологічної ролі. Регуляція
метаболічних процесів у старіючих листках робить внесок у фундаментальну
проблему ролі вуглеводного обміну у запрограмованій загибелі клітин і
має прикладне значення, пов’язане з регуляцією дозрівання.

Активація РРР ферменту синтезу сахарози – СФС, а через нього СС,
безпосередньо пов’язана з продуктивністю цукрових буряків. Рекомендовані
оптимальні терміни обробки листків буряків емістимом С і бетастимуліном
для підвищення продуктивності культури. Регуляцію ФАР сахарозосинтази в
коренеплодах, що зберігаються, доцільно використовувати в
цукровиробництві для зниження втрат цукру. Дані, що викладені в
дисертації, запропоновано використовувати в курсах лекцій з фізіології
та біохімії рослин у ВУЗах.

Особистий внесок здобувача. Нові теоретичні і експериментальні ідеї,
викладені в дисертації, належать здобувачу. Експериментальний матеріал,
одержаний на бульбах картоплі, насінні кукурудзи, цукрових буряках, у
тому числі розробка методик, теоретичні розрахунки при проведенні
експериментів, інтерпретація та узагальнення даних проведені здобувачем
особисто. Експериментальний матеріал з отримання антитіл виконаний у
відділі імунології Інституту ендокринології і обміну речовин МОЗ
України.

Особисто здобувачем проведено огляд та аналіз джерел наукової літератури
за темою дисертації, статистичну обробку отриманих результатів.

Апробація роботи. Основні наукові результати за матеріалами дисертації
були представлені на: ( VII з’їзді Українського ботанічного товариства
(Донецьк, 1982), ( на III Всесоюзній конференції “Транспорт ассимилятов
в растениях и проблема сахаронакопления” (Фрунзе, 1983), ( VIII з’їзді
Українського ботанічного товариства (Івано-Франківськ, 1987), ( V
Українському біохімічному з’їзді (Івано-Франківськ, 1987), ( II з’їзді
Всесоюзного товариства фізіологів рослин (Москва, 1992), ( VI
Українському біохімічному з’їзді (Київ, 1992), ( II з’їзді Українського
товариства фізіологів рослин (Київ, 1993), ( X Конгресі Європейського
товариства фізіологів рослин (Італія, 1996), ( семінарі “Стан та
перспективи вивчення і впровадження біостимуляторів росту рослин”
(Вінниця, 1997), ( XI Конгресі Європейської федерації фізіологів рослин
(Варна, 1998), ( V Міжнародній конференції “Регуляторы роста и развития
растений” (Москва, 1999), ( IV з’їзді фізіологів рослин РАН (Москва,
1999), ( Міжнародній конференції “Фотосинтез і продуктивність” (Київ,
2002), ( III з’їзді Українського товариства фізіологів рослин
(Тернопіль, 2002), ( V з’їзді фізіологів рослин РАН (Пенза, 2003).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 48 наукових праць, із
них 28 статей у провідних фахових виданнях, 1 монографія (у
співавторстві), 3 деклараційних патенти на винахід (Україна).

Об’єм та структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 339
сторінках і складається із вступу, 7-ми розділів, заключення, висновків,
списку використаної літератури, який включає 412 джерел, 51 таблицю, 47
рисунків.

об’єкти і методи досліджень

Дослідження ферментів вуглеводного метаболізму – крохмальсинтази, СС,
пірофосфорилази проводили на бульбах картоплі (Solanum tuberosum L.)
сортів Приєкульський ранній, Рання Роза, Гарнет Чилі та насінні
кукурудзи (Zea mays L.) сорту ВІР-27 і його цукристого мутанта – ВІР-27
su. Для очистки СС використовували коренеплоди сорту БЦО-34. Активність
СФС та СС вивчали в сортах і гібридах буряків (Beta vulgaris L.), які
відрізнялись рівнем цукронакопичення, в мангольдах, видах Beta trigyna
W. et K. та Beta mаritima L. Інвертазу, гексокіназу, фруктокіназу,
глюкозо-6-фосфатізомеразу, глюкозо-6-фосфатдегідрогеназу, їх регуляцію
при зберіганні коренеплодів вивчали в буряках сорту Білоцерківська
однонасіннева-45 (БЦО-45). У роботі використовували коренеплоди в різні
періоди онтогенезу і при зберіганні, а також листки, судинно-провідні
пучки.

Посадковий матеріал картоплі отримували із науково-дослідного Інституту
картоплярства УААН (Немішаєве), кукурудзи – із відділу
експериментального мутагенезу Інституту молекулярної біології і генетики
НАН України. Насіння буряків мангольдів, Beta trigyna W. et K., Beta
mаritima L., гібриду Р ЧС-83 отримували із Інституту рослинництва ім.
М.І. Вавилова (Росія), решту – із Інституту цукрових буряків УААН.
Насіння, оброблене ФАР, а також препарати для обприскування посівів і
обробки коренеплодів при зберіганні отримували із відділу регуляції
росту і розвитку Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН
України.

Вивчення впливу РРР на метаболізм і продуктивність цукрових буряків
проводили в умовах вегетаційних та польових дослідів. Вегетаційні
досліди закладали в 15-кілограмових посудинах Вагнера із внесенням
поживної суміші ВНІЦ, розробленої в ІЦБ УААН (10–15-кратна повторність).
Рослини обробляли розчинами емістиму С та бетастимуліну в концентрації
0,015 мл на 300 мл води, контроль – вода. Польові досліди проводили на
полях Київської області с. Пінчуки –виробничий посів 1996 р., дослідного
господарства ІЦБ УААН “Салівонківське” – 1997 р., господарства
“Лосятинське” – 1998 р.; на полях Полтавської області господарство
“Зелена Рутка” – 1999–2000 р.р. Дослідні ділянки площею 25 м2 закладали
в 5-кратній повторності. Обробляли розчинами емістиму С та бетастимуліну
в концентрації 0,075 мл на 1,5 л води.

Допосівна обробка насіння емістимом С, бетастимуліном та етамоном
– 20 мл/т, препаратами похідних тетрагідротіофендіоксидів, що є
аналогами природного біотину – 0,002 %-ми розчинами.

Вивчення гормональної регуляції ферментів метаболізму сахарози проводили
в умовах вегетаційних дослідів. Обробку проводили у фазу 6–8 листків та
в період інтенсивного цукронакопичення розчинами гормонів у таких
концентраціях: БАП – 4 (10-5 М, ІОК – 10-6, їх суміш (1:1); ГК3 –
100 мл/л, кінетин – 4 (10-5 М, 2,4 Д – 10-5 М,
контроль – вода. Всі гормони фірми “Serva”, Німеччина.

У дослідах in vitro з активації СФС і СС вміст в інкубаційній суміші
кінетину, БАП, ІОК, 2,4 Д – 0,2 мкмоля, ГК3 – 1 мкмоль, емістиму С і
бетастимуліну – 0,5–1,0 мкл. Для вивчення метаболізму сахарози
при зберіганні коренеплоди отримували із Яготинського цукрового заводу і
витримували їх при 20–23(С протягом 2–10 діб, зважуючи для визначення
втрати води (5–20 %).

Визначення активності ферментів. Гранулозв’язану крохмальсинтазу
виділяли із бульб картоплі та насіння кукурудзи за модифікованим нами
методом Мурати (Murata T. et al., 1964(. До складу інкубаційної суміші
включали по 1 мкКюрі основного субстрату крохмальсинтази – АДФГ-14С
(питома активність 263 мкКюрі/моль) або УДФГ-3Н (питома активність 8,3
мкКюрі/моль) (Amersham, Англія). Активність ферменту визначали за
інтенсивністю включення глюкози із АДФГ-14С або УДФГ-3Н в крохмаль.
Інтенсивність включення визначали на сцинтиляційному рахівникові (SL-40
фірми Інтертекнік з ефективністю рахунку для 14С – 98 %, для 3Н – 50 %.

Виділення амілопластів. Амілопласти із бульб картоплі у фазах
бутонізації, цвітіння та дозрівання рослин виділяли двома методами: у
водному та безводному середовищах. Безводна процедура виділення
амілопластів проводилась за частково модифікованою нами методикою (Liu,
Shannon, 1981(. Метаболіти амілопластів визначали: сахарозу (Roe, 1954(,
фруктозу (Somogyi, 1952(, крохмаль (Писаренко, 1971(, фосфор (Fiske,
Subbarou, 1925(. Білки виділяли за методом (Dure, Chlan, 1981(,
визначали за (Lowry et al., 1951(, електрофорез проводили за (Laemmly,
1970(. Інтенсивність включення 14С-глюкози із 14С-сахарози в крохмаль
визначали в інкубаційній суміші, яка містила препарати крохмальсинтази
та сахарозосинтази, а із 14С-глюкозо-1-фосфату – крохмальсинтази та
пірофосфорилази і необхідні для їх функціонування субстрати.

Сахарозосинтазу і пірофосфорилазу із бульб картоплі та насіння кукурудзи
виділяли за частково модифікованою нами методикою (Sowokinos, 1976(. У
середовище для виділення ферментів у цих культурах додавали
натрійметабісульфіт для інгібування дифенолоксидазної активності. У
середовище для виділення сахарозосинтази із цукрових буряків для
інгібування поліфенолоксидаз вносили глутатіон або ДТТ, а також MgCI2.
Активність СС визначали в реакції синтезу за кількістю утвореної
сахарози (Roe, 1954(, в реакції розщеплення сахарози та інвертазу – за
звільненою фруктозою (Somogyi, 1952(. Активність пірофосфорилази
визначали за кількістю утвореної із 14С-глюкозо-1-фосфату АДФГ-14С
(УДФГ-14С) після їх розділення на хроматографічному папері марки Filtrak
12, ідентифікації в ультрахеміскопі та елюції 0,1 N HCI.

Очистка сахарозосинтази коренеплодів цукрових буряків складалась із
висолювання сульфатом амонію (30–50 %), гель-фільтрації на Сефадексі
G-200. Оптичну густину білкових фракцій визначали при 280 нм на Specоrd
M-40 (“Carl Zeiss”, Німеччина), їх сахарозосинтазну активність за
синтезом сахарози. Фракції з максимальною активністю об’єднували,
концентрували поліетиленгліколем (ПЕГ) (2,0 х 104 Д), очищали на
іонообміннику ДЕАЕ-сефарозі CL-6B (“Pharmacia”, Швеція). Елюювали
лінійним градієнтом концентрації NaCI (0–0,5 М) в 0,05 М тріс- HCI
буфері, рН 7,5 з 1мМ ЕДТА і ДТТ, та 10 мМ MgCI2. Вимірювали оптичну
густину фракцій та їх сахарозосинтазну активність. Концентровану ПЕГ
фракцію піддавали електрофорезу в ПААГ для встановлення її чистоти
(Davis,1964(. Молекулярну масу нативних білків визначали
електрофорезом їх та стандартних білків у градієнтному гелі (пластини
2–16 та 4–30 % концентрації ПААГ) (“Pharmacia”, Швеція). Дослідні білки
та стандарти забарвлювали 0,14 % розчином кумасі бриліантового голубого
R-250, денситометрували при 585 нм СФ DU-8B (“Beckman”, США) і визначали
електрофоретичну рухливість та молекулярну масу окремих білків.

При вивченні активності молекулярних форм СС після електрофорезу із
пластини гелю вирізали вузьку смужку, забарвлювали її протягом 45 хв
0,14 % розчином кумасі бриліантового голубого R-250 і використовували як
маркер для виявлення спектрів нативних білків, які екстрагували з геля
тріс-HCI буфером, рН 7,5, концентрували ПЕГ; визначали білок. У
деяких дослідах гель безпосередньо інкубували із субстратами. Для
визначення молекулярної маси субодиниці СС, очищений білок дисоціювали в
буфері, що містив 1 % Na-ДДС і 1 % (-меркаптоетанол. Електрофорез
проводили в гелі 12 % концентрації (Laemmly, 1970(. Для отримання
антитіл використовували електрофоретично чистий фермент після елюції з
гелю, із імунохімічних методів застосовували інгібування активності СС
антитілами та подвійну імунодифузію за Охтерлоні (1979(. Всі основні
реактиви, використані в цій роботі, фірми “Serva” (Німеччина).

Виділення та визначення активності сахарозофосфатсинтази проводили за
модифікованими нами відповідно до культури методами (Lafta, Lorenzen,
1995, Huber, 1983(. Буфер для екстракції: 50 мМ Мопс-NaOH, рН 7,5 з
добавками 15 мМ MgCl2, 6 мМ ДТТ, 1 мМ ЕДТА, 0,1 % (w/v) тритону Х-100.
Після цетрифугування при 20 000g 15 хв, супернатант знесолювали на
Сефадексі G-25, центрифугували при 5 000g 5 хв і зразу ж використовували
для визначення активності. Інкубаційна суміш формувалась при насиченому
рівні субстратів. Активність визначали за кількістю утвореної сахарози
[Roe, 1954] на 1 мг білка чи 1 г тканини в год.

Гексокіназу, фруктокіназу, глюкозо-6-фосфатізомеразу і
глюкозо-6-фосфатдегідрогеназу коренеплодів цукрових буряків виділяли за
методикою (Курсанов з співавт., 1989(. Визначення активності проводили
на СФ Specоrd M-40 (“Carl Zeiss”, Німеччина), при 340 нм за швидкістю
утворення НАДФ(Н, коефіцієнт молярної екстинції якого 6,2 х 103. В
роботі використовували глюкозо-6-фосфатдегідрогеназу фірми “Ferak”
(Німеччина), інші реактиви фірми “Serva” (Німеччина). Визначення
хлорофілу проводили за методом [Hiscox J.D., Izraelstam L.F.,1979],
цукрів, цукристості (Починок, 1976, Єрмаков і інш., 1972(, площі листків
(Ничипорович і інш., 1961(.

Статистичну обробку результатів проводили за Молостовим (1966(,
результатів польових дослідів за Доспеховим (1985(.

Результати досліджень

Участь ферментів синтезу нуклеотиддифосфатцукрів в утворенні крохмалю в
бульбах картоплі і ендоспермі насіння кукурудзи

У крохмальзапасаючих рослинах існують тісні метаболічні відносини між
сахарозою і полісахаридом, тому що сахароза є джерелом АДФГ – субстрату
для біосинтезу крохмалю. Від активності ферментних систем, які включають
сахарозу в метаболізм, значною мірою залежить процес крохмаленакопичення
в сільськогосподарських культурах. На період початку наших досліджень
питання участі двох ферментів, які постачають НДФЦ для крохмальсинтази –
сахарозосинтази і пірофосфорилази, залишалось суперечливим, і панувала
точка зору, що АДФГ синтезується, в основному, АДФГ-пірофосфорилазою
(Gustafson, Gandler, 1972, Turner, 1969, Sowokinos, 1976(. Вивчення
регулюючої ролі ферментів, які беруть участь у біосинтезі крохмалю, було
проведено на рослинах, що відрізнялись рівнем крохмаленакопичення (сорти
картоплі) та спрямованістю на біосинтез крохмалю або сахарози (генотипи
кукурудзи). У зв’язку з тим, що ферменти СС і пірофосфорилаза переважно
синтезують УДФГ, а в біосинтезі крохмалю бере участь, в основному, АДФГ,
важливим було вивчення їх функціонування з різними нуклеотидди- і
трифосфатами. Порівняльне вивчення активності сахарозосинтази з двома
субстратами – УДФ і АДФ в онтогенезі бульб картоплі показало, що фермент
здатний утворювати АДФГ, інтенсивність цього процесу корелює з
крохмалеутворенням (рис. 1) (Сакало, Горовая, 1979(. Вивчення кінетики
реакції, яка каталізується СС з АДФ, показало, що криві субстратного
насичення є сигмоподібними, що характерно для регуляторних ферментів.

Рис. 1. Активність сахарозосинтази в онтогенезі бульб картоплі
(розщеплення сахарози):

1 ( сахароза + УДФ (2,5 мкмоль);

2 ( сахароза + АДФ (5 мкмоль).

Разом з тим, у бульбах картоплі присутня і АДФГ- (УДФГ-)
пірофосфорилаза, максимальна активність якої теж корелює з процесом
крохмалеутворення (рис. 2) (Сакало, Горовая, 1979(. Але невисока
активність пірофосфорилази свідчить про те, що один цей фермент не може
забезпечити того рівня біосинтезу крохмалю, який ми спостерігаємо в
бульбах картоплі (табл. 1) (Сакало, Горовая, 1979(.

Рис. 2. Активність АДФГ- і УДФГ-пірофосфорилаз в онтогенезі бульб
картоплі:

1 ( УДФГ-пірофосфорилаза;

2 ( АДФГ-пірофосфорилаза.

Для інтенсивного крохмаленакопичення необхідна участь двох систем, що
синтезують АДФГ – пірофосфорилази і СС. Це положення було підтверджено
нами на сортах картоплі, які відрізнялись рівнем накопичення крохмалю. З
цією метою брали генетично чистий матеріал бульб картоплі
напівкультурного сорту Гарнет Чилі (6–7 % крохмалю) і отриманого із
нього шляхом самозапилення культурного сорту Рання роза (15–16 %
крохмалю).

Таблиця 1

Питома активність АДФГ-14С- і УДФГ-3Н-крохмальсинтази в онтогенезі бульб
картоплі (сорт Приєкульський ранній)

Строки відбору зразків Варіант Інтенсивність включения міченої глюкози

(на 1 мг білка за 1,5 год)

Імп/хв х 106 Пікомолі

22.06

13.07

27.07

13.07

27.07

17.08 АДФГ-14С

УДФГ-3Н 1,84 (0,092

4,32 (0,238

5,10 (0,335

0,006( 0,001

0,007( 0,0007

0,003( 0,0004 3182

7475

11882

0,27

0,31

0,15

Включення 14С-глюкози із 14С-глюкозо-1-фосфату в крохмаль, що
здійснювалось сумісною дією АДФГ – пірофосфорилази і крохмальсинтази, у
низькокрохмалистого сорту Гарнет Чилі йде в 15–20 разів слабіше
порівняно з Ранньою розою (табл. 2) (Лобов, Сакало, Подгаецкий, 1984(.

Таблиця 2

Інтенсивність включення 14С-глюкози із 14С-глюкозо-1-фосфату і
14С-сахарози в крохмаль бульб картоплі (імп/хв х 104 на 1 г свіжої
тканини ( 1,5 год)

Сорт Варіант досліду

Бутонізація Цвітіння Дозрівання

Гарнет Чилі

Рання роза 14С-глюкозо-1-фосфат+АТФ 0

84,0(6,0 4,0(0,2

85,0(10,0 12,0(1,5

180,0(20,0

Гарнет Чилі

Рання роза 14С-сахароза+ АДФ 0

81,0(0,1 0,2(0,01

1,0(0,1 0,9(0,04

1,6(0,2

Включення 14С-глюкози із 14С-сахарози в крохмаль, що здійснювалось
сумісною дією СС і крохмальсинтази, у сорту Гарнет Чилі в 1,5–5 разів
нижче ніж у Ранньої рози. Пірофосфорилаза і СС проявляють найбільш
високу активність у бульбах високо-крохмалистого сорту Рання роза і у
фазу бутонізації з однаковою інтенсивністю здатні включати глюкозу в
крохмаль.

Координація ферментних систем при біосинтезі крохмалю показана і для
насіння кукурудзи сорту ВІР-27 та його цукристого мутанта ВІР-27 su, в
якому блокується перехід простих цукрів у крохмаль, у результаті чого їх
вміст у 10–15 разів більший, ніж у вихідній формі. Активність
АДФГ-крохмальсинтази в обох генотипах кукурудзи вища ніж з УДФГ в якості
субстрату (рис. 3) (Сакало, Лобов, 1983(, але у ВІР-27 su вона низька і
підвищується тільки на 50-й день після запилення.

Рис. 3. Активність крохмальсинтази насіння кукурудзи:

1 – АДФГ-;

2 – УДФГ-крохмальсинтаза ВІР-27;

3 – АДФГ-;

4 – УДФГ-крохмальсинтаза ВІР-27 su.

Для забезпечення синтезу крохмалю через АДФГ-крохмальсинтазу необхідно
постійне надходження АДФГ. У насінні кукурудзи присутні як СС, так і
пірофосфорилаза, що здатні її утворювати, але інтенсивність синтезу АДФГ
пірофосфорилазою у генотипів практично не відрізнялась (табл. 3)
(Сакало, Лобов, 1983(. Крім того, в них не було чіткої кореляції між
рівнем активності пірофосфорилази і синтезом крохмалю. Тому у генотипів
кукурудзи синтез крохмалю значною мірою залежав від інтенсивності
синтезу АДФГ сахарозосинтазою, активність якої в ВІР-27 su в 2 раза
нижча і корелює з рівнем АДФГ-крохмальсинтази.

У ВІР-27 su зниження утворення АДФГ сахарозосинтазою пов’язано з
підвищенням у 10–15 разів активності ферменту в напрямку синтезу
сахарози. Отримані дані свідчать про те, що регуляцію крохмального
синтезу здійснює не тільки АДФГ-пірофосфорилаза, але і СС, оскільки
зміна в направленості активності ферменту, викликана мутацією,
призводить до зниження активності крохмальсинтази.

Таким чином, фізіологічна роль СС у бульбах картоплі та насінні
кукурудзи – каталізувати розщеплення сахарози і, утворюючи АДФГ,
регулювати активність крохмальсинтази. Високий рівень
крохмаленакопичення може забезпечити тільки координоване функціонування
двох ферментних систем – пірофосфорилази і сахарозосинтази.

Таблиця 3

Питомі активності АДФГ- і УДФГ-пірофосфорилаз (НДФГ, мкмоль / мг білка (
год) і сахарозосинтази (фруктоза, мкмоль / мг білка ( год) у насінні
кукурудзи

Дні після запилення

Генотипи Варіант досліду 24 36 50

АДФГ- і УДФГ-пірофосфорилази

ВІР-27

ВІР-27 su УТФ

АТФ

УТФ

АТФ 12,5 ( 1,35

1,65 ( 0,05

16,5 ( 1,5

1,75 ( 0,05 6,05 ( 0,05

1,35 ( 0,05

8,17( 0,38

1,6 ( 0,1 8,95 ( 0,55

3,1 ( 0,01

7,6 ( 0,4

2,0 ( 0,01

Сахарозосинтаза

ВІР-27

ВІР-27 su

УДФ

АДФ

УДФ

АДФ 36,6 ( 0,8

13,35 ( 0,25

29,0 ( 0,01

6,7( 0,04 13,95( 0,15

7,65 ( 0,15

7,0 ( 0,7

3,35 ( 0,25 5,4 ( 0,3

4,3 ( 0,4

9,1 ( 0,5

3,9 ( 0,3

Суттєвим доказом функціонування ферментів, що синтезують НДФЦ, може бути
склад строми амілопластів – пластид, де відбувається біосинтез крохмалю.
Строма амілопластів розвинута слабо, має дрібнозернисту будову, але має
важливу роль у синтезі крохмалю і формуванні крохмального зерна
[Badenhuizen, 1969]. В стромі амілопластів, виділених у безводному
середовищі, виявлені сахароза, фруктоза, органічний і неорганічний
фосфор (Сакало, Чибисова, Лобов, 1984(, баланс яких змінюється при
зберіганні бульб картоплі за різних температурних режимів (Сакало,
1986(. Наявність ряду метаболітів передбачає можливість синтезу в
амілопластах не тільки крохмалю, але і його субстрату – АДФГ. Тим
більше, що в останній час показана здатність фосфорильованих цукрів,
глюкози, мальтози проникати через мембрани амілопластів [Weber et al.,
2000]. Крім того, виявлені нами білки строми амілопластів (Лобов,
Сакало, 1985(, здатність включати в крохмаль мічену глюкозу із
14С-сахарози чи 14С-глюкозо-1-фосфату є побічним доказом того, що синтез
АДФГ в амілопластах можливий.

САХАРОЗОСИНТАЗА І ПРОЦЕСИ ЦУКРОНАКОПИЧЕННЯ В ЦУКРОВИХ БУРЯКАХ

Сахарозосинтаза як ключовий фермент вуглеводного метаболізму, має
визначальну роль у процесах цукронакопичення в цукрових буряках,
регулюючи ріст коренеплодів і відкладання сахарози. Вивчення
закономірностей і механізмів функціонування СС, кінетики реакції, яка
дає розуміння її ролі in vivo, було проведено нами на очищеному
ферменті. Використовуючи методи висолювання сульфатом амонію,
гель-фільтрацію, іонообмінну хроматографію, електрофорез, ми отримали СС
90–95 % чистоти при виході білка 4,6 %. Електрофорез у градієнтному гелі
очищеного білка і дальше визначення його активності показали, що
сахарозосинтаза складається із трьох форм: основної з молекулярною масою
400 кД, та двох мінорних – 550 кД і 750 кД (рис. 4) (Сакало, Лобов,
1988(.

Рис. 4. Денситограма при 585 нм і електрофоретичний спектр очищеної СС
коренеплодів цукрового буряка:

1–3 – молекулярні форми СС.

При ДДС-гель електрофорезі очищеної фракції виявлено білковий спектр з
молекулярною масою 95 кД, тобто СС є олігомером з різним числом
ідентичних за молекулярною масою субодиниць (рис. 5) (Сакало, Лобов,
1988(.

Молекулярні форми відрізнялись за деякими біохімічними і кінетичними
параметрами. Так, високомолекулярна форма 750 кД мала широкий діапазон
активності при рН 6,8–8,5, в той час як дві інші – 550 і 400 кД – мали
оптимум рН 7,5. Mg+2 інгібував високомолекулярну форму і
підвищував активність тетрамеру, не впливаючи на активність молекулярної
форми 550 кД. Уже ці факти свідчили про можливу регуляторну роль
молекулярних форм ферменту в коренеплодах, яка була далі підтверджена
нами при вивченні їх функціонування в сортах буряків з різним рівнем
цукронакопичення – урожайно-цукристого БЦО-34 і кормового Київський.
Вміст молекулярних форм щодо сумарного препарату, отриманого при
денситометрії електрофореграм, змінювався в онтогенезі і відрізнявся у
двох сортів. Так, у кормового сорту Київський на початку вегетації
високомолекулярні форми відсутні, в період інтенсивного цукронакопичення
вони виявлялись і їх відносна частка становила 35 %, що значно більше,
ніж у цукристого БЦО-34.

Рис. 5. Денситограма при 585 нм і електрофоретичний спектр СС, після
обробки Na-ДДС.

Відповідно змінювався і відносний вміст тетрамеру: у БЦО-34 –
збільшувався, у кормового – зменшувався (табл. 4) (Сакало, Лобов, 1992(.

Таблиця 4

Вміст молекулярних форм сахарозосинтази двох сортів буряка щодо їх
сумарного препарату, %

Строк відбору Молекулярна

форма, кД Сорт

БЦО-34 Київський

21.06 750

550

400 11,0

15,6

73,4 0

0

100

25.07 750

550

400 5,9

9,6

84,5 14,6

17,6

68,4

23.08 750

550

400 4,8

8,7

86,5 18,0

15,7

66,2

Молекулярні форми сортів з різним рівнем цукронакопичення відрізнялись і
за питомою активністю (табл. 5) (Сакало, Лобов, 1992(. В кінці вегетації
високомолекулярні форми в реакції розщеплення сахарози не активні. В
реакції синтезу питома активність тетрамеру значно вища у БЦО-34, а в
реакції розщеплення – у кормового сорту. Вивчення кінетики молекулярних
форм сахарозосинтази двох сортів буряка показало, що залежність
швидкості реакції від концентрації субстратів – сахарози, фруктози, УДФ
мала гіперболічний характер і підпорядковувалась рівнянню
Міхаеліса-Ментен тільки для тетрамеру. Км свідчать, що реакція
розщеплення сахарози більш сприятливо проходила у кормового сорту,
оскільки максимальна швидкість (Vmax) досягалась при більш низькій
концентрації сахарози і УДФ, а її синтез – при більш високій
концентрації фруктози.

Таблиця 5

Питома активність молекулярних форм сахарозосинтази із коренеплодів
буряка, мкмоль продукту / мг білка ( год.

Сорт Молекулярна форма, кД Синтез сахарози Розщеплення

сахарози

БЦО-34 750

550

400

-“- 24,8(2,4

30,5(3,5

120,0(10,2

Км фр. –. 5,0 мМ 0

0

24,0(2,0

Км сах. –. 83,0 мМ

Км УДФ – 5,0 мМ

Київський 750

550

400

-“- 24,4(2,2

25,6(3,6

49,5(5,5

Км фр. – 9,0 мМ 0

0

33,0

Км сах. –. 66,5 мМ

Км УДФ – 1,83 мМ

Високомолекулярні форми давали сигмоподібні криві залежності швидкості
реакції від концентрації фруктози, що властиво алостеричним регуляторним
ферментам. Отримані результати свідчать про те, що високомолекулярні
форми, скоріш за все, виконують регуляторну роль у запасаючих тканинах,
а основна молекулярна форма тетрамер – функцію цукронакопичення і росту.
Молекулярні форми СС, незважаючи на їх біохімічну гетерогенність,
імунохімічно ідентичні, що припускає їх структурну гомологію.

Відмінність кінетичних характеристик сахарозосинтази двох сортів буряків
стимулювало до розширення досліджень особливостей функціонування
ферменту в різних сортах, гібридах і видах диких буряків. Для сортів
БЦО-34, Еккендорф, Янаш-1 виявлена закономірність між цукристістю,
рівнем питомої активності і спрямованістю сахарозосинтазної реакції, а у
мангольдів, з низьким вмістом сахарози, на початку вегетації відмічена
висока сахарозосинтезуюча активність, яка знижувалась до кінця
вегетації, вид дикої Beta trigyna W. et K. характеризувався низькою
активністю з перевагою синтетичної спрямованості реакції. Ці результати
свідчать про те, що питома активність СС, її спрямованість на синтез чи
розщеплення сахарози змінюються протягом вегетації, та не завжди мають
сортову специфіку (Сакало, Лукашова, 1993(.

У зв’язку з цим важливе значення має вивчення синтезу сахарози в листках
сахарозофосфатсинтазою, як однієї із найважливіших складових процесу
цукронакопичення. Вивчення активності СФС і СС, проведене на
урожайно-цукристому сорті БЦО-45 і видах диких буряків Beta maritima L.
та Beta trigyna W. et K., показало існування залежності між активністю
ферментів і цукронакопиченням (табл. 6) (Сакало, Киризий, Курчий, 1999(.

Таблиця 6

Активність сахарозофосфатсинтази, сахарозосинтази і накопичення біомаси
сорту і видів диких буряків

Показники Сорт, види

БЦО-45 Beta maritima L. Beta trigyna W. et K.

Активність СФС (мкмоль сахарози/г тканини (год)

14,2(2,0

6,0(0,8

6,5(1,5

Маса гички, г 500(30 300(25 150(19

Активність СС (мкмоль фруктози/г тканини (год)

6,9(0,1

9,0(0,2

3,9(0,1

Маса коренеплоду, г 375(15 245,5(15 80(10

Суха речовина, г 21,8(0,2 24,1(0,1 22,9(0,3

Сахароза, % сирої речовини 18,2(0,2 10,4(0,4 9,8(0,2

Нецукри*, % сирої речовини 3,6 13,7 13,1

Сахароза/нецукри* 5,0 0,8 0,7

Сахароза, % сухої речовини 83,5 43,1 42,9

Нецукри*, % сухої речовини 16,5 56,9 57,1

Вихід цукру із 1 коренеплоду, г 68,2 25,5 7,8

*Нецукри – сума структурних полісахаридів, білків, азотистих та
безазотистих речовин, інших сполук (Павлинова, 1981(

З середини вегетації, коли листки, в основному, вже здійснювали донорну
функцію, активність СФС у диких видів була в 2 рази нижчою, ніж в
БЦО-45, що при слабому розвитку листкового апарату не може забезпечити
високого рівня сахарози. Сорт і види буряків відрізнялись активністю
сахарозосинтази. У Beta trigyna W. et K. сахароза слабо включалась у
метаболізм, що гальмувало ростові процеси і цукронакопичення, і як
результат – низькі маса коренеплодів і вміст цукрів при високому рівні
нецукрів. У Beta maritima L. висока активність СС і вихід цукру
збільшувався за рахунок маси коренеплодів.

Проведений імунодифузійний аналіз показав відсутність імунохімічних
відмінностей сахарозосинтази коренеплодів кормових, цукрових буряків,
гібридів, мангольдів, диких видів (рис. 6) (Сакало, Лукашова, 1992(.

Рис. 6. Імунодифузійний аналіз сахарозосинтази різних сортів, гібридів
і видів диких буряків:

Б – БЦО-34; Я – Янаш-1;

К – Київський;

Эк – Эккендорф;

Г1 – гібрид Р ЧС-83;

Г2 – ЧС компонент;

Г3 – багатонасінний запилювач;

Мл – мангольд Лукулл;

Мр – мангольд Poirea vetegcorde; Мк – мангольд червоночерешковый;

B.tr. – Beta trigyna;

AТ – антисироватка проти сахарозосинтази коренеплодів цукрового буряка
БЦО-34.

Це свідчить про те, що рівень активності, спрямованість реакції на
синтез чи розщеплення сахарози не пов’язані із структурними змінами
молекули ферменту і, що в процесі відбору на цукристість, сам фермент
практично не змінювався, а відбувалась лише кількісна регуляція його
активності. Методичний відбір на підвищення цукристості сприяв
збільшенню питомої активності, а регулюючим фактором у синтезі та
розщепленні сахарози може бути рівень синтезу сахарозосинтазного білка,
або концентрація субстратів.

При порівнянні сахарозосинтази коренеплодів цукрових буряків з ферментом
крохмаль- чи інулінзапасаючих рослин (бульби картоплі, насіння
кукурудзи, топінамбур) між ними виявлена лише часткова імунологічна
ідентичність, про що свідчить “шпора”, яка утворювалась при подвійній
імунодифузії в агарі. В той же час дві молекулярні форми ферменту із
бульб картоплі проявляли повну антигенну ідентичність між собою (рис. 7)
(Сакало, Лукашова, 1992(.

Рис. 7. Імунодифузійний аналіз сахарозосинтази цукрових буряків сорту
БЦО-34 (Б) та крохмаль- чи інулін- запасаючих рослин:

К ( кукурудза ВІР-27;

К ( ВІР-27 su;

1,2 ( молекулярні форми сахарозосинтази бульб картоплі Приєкульський
ранній; Топ ( топінамбур Білий урожайний;

АТ ( антисироватка проти сахарозосинтази коренеплодів цукрового буряка
сорту БЦО-34.

Таким чином, за результатами імунодифузійного аналізу сахарозосинтаза із
рослин, які відрізняються складом запасних вуглеводів, структурно не
ідентична.

Гормональна регуляція сахарозофосфатсинтази і сахарозосинтази
цукрових буряків

Функціональна активність сахарозофосфатсинтази – ключового ферменту
біосинтезу сахарози є визначальною не тільки для накопичення дисахариду,
але і використання його в метаболізмі рослин. Питання екзогенної
регуляції СФС і СС розширюють уявлення про їх функціональну роль, а
також мають прикладне значення у зв’язку з великим внеском цих ферментів
у продукційний процес. Разом з тим, дані про гормональну регуляцію СФС
відсутні, а щодо СС – нема єдиної точки зору. В період інтенсивного
цукронакопичення БАП, ІОК, їх суміш (1:1), ГК3, 2,4 Д при обробці
листків активують СФС, тоді як кінетин – не ефективний. Разом з тим, всі
гормональні препарати активували СФС при безпосередній взаємодії з
ферментним препаратом (табл. 7) (Сакало, Курчий, 2003, 2004(. Питома
активність СС має тенденцію до підвищення при обробці листків розчинами
ІОК (40 %), ГК3 (27 %), БАП (20 %), кінетина (23 %), але при прямій
взаємодії гормональні препарати СС не активували.

Таблиця 7

Гормональна регуляція сахарозофосфатсинтази і сахарозосинтази цукрових
буряків (мкмоль продукту / мг білка ( год)

Варіант При обробці рослин При прямій взаємодії з ферментом

СФС СС СФС СС

Контроль

БАП

ІОК

БАП + ІОК

ГК3 3,0( 0,4

100

7,4( 0,8*

246,6

10,0( 2,0*

333,3

11,1( 2,1*

370,0

6,6( 0,3*

220,0 6,1( 0,3

100

7,3( 0,6*

120,0

8,6( 0,4*

141,0

6,25( 0,5

102,5

7,7( 0,3*

127,0 4,4( 0,2

100

5,85( 0,6*

133,0

5,1( 0,3*

116,0

8,6( 0,4*

195,4

8,0( 2,0*

181,8 7,5( 0,3

100

6,1( 0,3

81,3

6,5( 0,5

86,6

6,9( 1,1

92,0

7,7( 0,5

102,6

Контроль

Кінетин

2,4 Д

1,1( 0,1

100

0,65( 0,05

59,0

1,5( 0,09*

136,4 6,5( 0,5

100

8,0( 0,6*

123

6,5( 0,5

100 0,95( 0,05

100

2,0( 0,2*

210,0

2,1( 0,1*

221,0 8,1( 1,3

100

5,8( 0,4

71,6

5,2( 0,6

64,2

Під рискою – % від контролю. * Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно
до контролю.

Активація СС при обробці рослин екзогенними гормонами і відсутність її
при безпосередній взаємодії їх з ферментним препаратом свідчить про те,
що ці гормони не включаються в регуляцію активності ферменту. Скоріш за
все, активність СС підпорядкована складній системі ендогенної регуляції,
яка контролюється синтезованою в листках сахарозою.

ВПЛИВ РЕГУЛЯТОРІВ РОСТУ РОСЛИН НА СИНТЕЗ І МЕТАБОЛІЗМ САХАРОЗИ В
ЦУКРОВИХ БУРЯКАХ

Необхідною умовою підвищення продуктивності цукрових буряків є регуляція
метаболізму сахарози, її синтезу в листках, транспорту в запасаючі
органи, відкладання в запас і використання для росту коренеплоду. В
підвищенні біологічного потенціалу продуктивності сучасних сортів і
гібридів цукрових буряків, поряд із застосуванням всіх елементів
технології вирощування, важливу роль мають регулятори росту рослин
(РРР).

N P R u ue 8

A

Ae

i

?

  ~

?

¦

6

8

A

Ae

?

$ b   »

|

~

?

¦

e

&

gd™l?

d?th^„`„A

?

?

YQEEEQ

7

V

d

J

J

: h ? ¶ e e ?

?

?

J

: ?

?

?

РРР на метаболічні процеси та продуктивність різних сортів і гібридів
цукрових буряків. Серед регуляторів росту найбільш ефективними виявились
емістим С та бетастимулін – препарати природного походження, які містять
комплекс фізіологічно активних речовин гормональної природи. Була
вивчена дія цих препаратів при використанні двох технологій їх
застосування: обприскування посівів та допосівній обробці насіння.

Обприскування посівів. Посіви цукрових буряків обробляли емістимом С та
бетастимуліном у фазу 6–8 листків, вивчення їх впливу на метаболічні
процеси проводили протягом вегетації. Емістим С стимулював СФС практично
протягом всієї вегетації, але з різною інтенсивністю. Найбільш висока
активація СФС емістимом С була в період інтенсивного цукронакопичення (в
різних дослідах від 40 до 175 %). Бетастимулін активував фермент на
20–130 %. В табл. 8 (Сакало, Пономаренко, 2001( наведені типові
результати, отримані в період інтенсивного цукронакопичення.

Таблиця 8

Вплив обробки листків РРР на активність ферментів метаболізму сахарози
(мкмоль продукту / г тканини ( год) і продуктивність (сорт БЦО-45)*

Варіант СФС Сахароза провід-

них судин, мг/г сирої маси СС

Маса коре-не-

плоду, г Цук-рис-тість,

% Вихід цукру із 1 коре-непло-ду, г

розщеп-лення синтез

сахарози

Контроль 197,6(11,1

100 24,2 (0,2

100 20,5 (1,0

100 19,2 (1,9

100 610 18,7 114,1

Еміс-

тим С 295,5(10,0

150 34,3 (0,3

142 24,3( 0,3

119 27,0 (1,2

141 760 18,9 143,6

Бетасти-мулін 300,6(8,4

152 31,9 (0,3

132 24,6( 0,9

120 25,6 (0,6

133 780 19,5 152,1

НІР05

100 0,3

* Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю.

Високий рівень синтезу сахарози супроводжувався її інтенсивним відтоком
з листків, що, в свою чергу, сприяло активації СФС. Емістим С та
бетастимулін збільшували інтенсивність відтоку сахарози, про що свідчило
підвищення її вмісту в руслі транспорту на 32–42 %. Частина сахарози,
яка надходила в коренеплід, включалась у метаболізм сахарозосинтазою,
активною протягом вегетації (Павлінова, 1981; Курсанов, Прасолова,
Павлінова, 1989(. Наші багаторічні дані свідчать про те, що активація СС
в більшості випадків корелює з активацією СФС, що свідчить про
взаємозв’язок двох ферментів. Причому, СС активувалась як у реакції
синтезу сахарози, так і її розщеплення. Завдяки цій властивості СС
протягом вегетації цукрових буряків діє механізм регуляції, який сприяє
зміні спрямованості роботи ферменту, що забезпечує як інтенсивний ріст,
так і цукронакопичення. В кінці вегетації, коли ростові процеси
уповільнюються, синтетична спрямованність реакції активувалась більш
інтенсивно. Активація емістимом С і бетастимуліном метаболічних процесів
позитивно вплинула в кінці вегетації на продуктивність цукрових буряків.

За результатами виробничої перевірки ефективності РРР на посівах
цукрових буряків (табл. 9) (Сакало, Курчий и др., 1998( емістим С дав
збільшення виходу цукру на 17,6–20,3 %, а бетастимулін – на 23,6–24,9 %,
для гібридів Гала і Верхнячський ЧС-31 відповідно.

Таблиця 9

Ефективність застосування регуляторів росту на посівах цукрового буряка

Варіант досліду Урожай-ність, т/га Цукрис-тість, % Вихід

цукру, т/га Прибавка до контролю

т/га %

Гала

Контроль 50,92 16,24 8,27 — —

Емістим С 56,89* 17,49* 9,95* +1,68 20,3

Бетастимулін 60,21* 16,97* 10,22* +1,95 23,6

НІР 05 5,0 0,66

Верхнячський ЧС-31

Контроль 39,50 16,15 6,38 — —

Емістим С 44,43* 16,87* 7,50* +1,12 17,6

Бетастимулін 46,65* 17,09* 7,97* +1,59 24,9

НІР 05 4,0 0,5

* Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю.

Таким чином, обробка посівів емістимом С і бетастимуліном у фазу 6–8
листків може бути однією із умов підвищення продуктивності. Проте
виявилось, що реакція сортів на регулятори росту різна, що виражалось,
перш за все, різною інтенсивністю активації СФС протягом вегетації і
зв’язаними з цим змінами в метаболізмі сахарози в коренеплодах. Так,
якщо у сорту БЦО-45, гібридів Гала та Верхнячський ЧС-31 продуктивність
підвищувалась як за рахунок урожайності, так і цукристості, то у сорту
Уладівська однонасіннева (УО-35) та у гібриду Український ЧС-70 (УЧС-70)
при обробці емістимом С вона зростала тільки за рахунок урожайності.

Оптимізація термінів обробки посівів РРР. Ефективність дії емістиму С і
бетастимуліну на біосинтетичні процеси може значною мірою визначатись
термінами обробки цукрових буряків. Буряки сорту УО-35 та гібриду УЧС-70
обробляли в різні періоди вегетації: одні посіви – у фазу 6–8 листків,
другі – через місяць після першої обробки, у період інтенсивного
цукронакопичення, треті – двічі в обидва зазначені періоди. Активація
синтезу сахарози при цьому мала сортову специфіку: найбільш висока
активація СФС емістимом С у сорту УО-35 спостерігалась при обробці у
фазу 6–8 листків, бетастимуліном – у період інтенсивного
цукронакопичення. Обробка емістимом С гібриду УЧС-70 активувала СФС
незважаючи на термін, бетастимуліном – у фазу 6–8 листків (рис. 8)
(Сакало, Пономаренко, Курчий, 2004(.

Рис. 8. Вплив екзогенних РРР на активність сахарозофосфатсинтази
цукрового буряка

УО-35 (А) і УЧС-70 (Б):

а – польовий дослід;

б – вегетаційний дослід; 1 – контроль;

2 – емістим С;

3 – бетастимулін.

Для обох генотипів висока активація СФС досягалась при подвійній
обробці. Інтенсивний синтез сахарози в листках стимулював і СС, що
виражалось у збільшенні маси коренеплодів. При обробці сорту УО-35
емістимом С у фазу 6–8 листків збільшення збору цукру на 1,8 т/га
досягалось за рахунок урожайності, але при зниженні якості
цукросировини, при подвійній обробці – на 1,1 т/га за рахунок
цукристості. При обробці емістимом С гібриду УЧС-70 у період
інтенсивного цукронакопичення збільшення збору цукру на 1,4 т/га
досягалось за рахунок урожайності, а при подвійній – на 2,2 т/га за
рахунок цукристості та врожайності (табл. 10) (Сакало, Пономаренко,
Курчий, 2004(.

Таблиця 10

Продуктивність цукрових буряків при різних термінах обробки регуляторами
росту

Варіант Маса корене-плоду, г Уро-жай,

т/га Цукрис-тість Не-цукри Вихід цукру із 1 корене-плоду, г Збір цукру,

т/га Прибавка до конт-ролю, %

%

Уладівська однонасіннева-35

Контроль 560 41,4 19,0 4,7 106 7,8 —

Обробка у фазу 6–8 листків

Емістим С 695* 51,4* 18,7 7,1 130 9,6 23

Бетастимулін 710* 52,5* 18,5 6,1 131 9,7 24

Обробка в період інтенсивного цукронакопичення

Емістим С 640* 47,4* 18,2 4,8 117 8,6 10

Бетастимулін 760* 56,2* 19,2 2,9 146 10,8 39

Обробка в обидва періоди

Емістим С 600 44,4 20,0* 4,4 120 8,9 14

Бетастимулін 695* 51,4* 18,8 4,6 130 9,7 24

НІР 05 56 4,2 0,4

0,29

Український ЧС-70

Контроль 610 45,1 18,7 5,1 114 8,4 —

Обробка у фазу 6–8 листків

Емістим С 680* 50,3* 18,5 5,0 126 9,3 11

Бетастимулін 750* 55,5* 19,8* 3,8 149 11,0 31

Обробка в період інтенсивного цукронакопичення

Емістим С 710* 52,5* 18,6 5,4 132 9,8 17

Бетастимулін 630* 46,6 19,9* 2,6 125 9,3 11

Обробка в обидва періоди

Емістим С 760* 56,2* 18,9 3,2 144 10,6 26

Бетастимулін 780* 57,7* 19,5* 4,5 152 11,2 33

НІР 05 54 4,0 0,5

0,19

*Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю.

При обробці бетастимуліном посівів сорту УО-35 у період інтенсивного
цукронакопичення збільшення збору цукру на 3,0 т/га досягалось, в
основному, за рахунок урожайності, а гібриду УЧС-70 – у фазу 6–8 листків
збір цукру збільшувався на 2,6 т/га як за рахунок цукристості, так і
урожайності.

Таким чином, при вирощуванні сортів і гібридів цукрових буряків для
збільшення продуктивності при високій доброякісності цукросировини
обробка емістимом С чи бетастимуліном повинна проводитись з урахуванням
періоду вегетації, або проводитись двічі – у фазу 6–8 листків і в період
інтенсивного цукронакопичення.

Метаболічні процеси в старіючих листках і їх регуляція екзогенними
гормонами і РРР. З метаболізмом цукрів пов’язані глибокі біохімічні
процеси, які відбуваються при старінні листків [Daia N. at al., 1998].
Старіння генетично запрограмовано в онтогенезі рослин, але може
піддаватись і гормональному контролю [Quirino B.F. at al., 2000], проте
даних про гормональний контроль метаболізації асимілятів у зв’язку із
старінням недостатньо. Збереження листкового апарату до кінця вегетації
– необхідна умова інтенсивного цукронакопичення. Досягти цього можна
шляхом упередження передчасного відмирання старих листків, особливо,
листків другого десятка.

Функціональний стан листків другого десятка (12–14) визначали за
активністю СФС, вмістом хлорофілу і білка на різних стадіях їх росту: в
ювенільних, які досягли 25 % максимальної площі, зрілих, що закінчили
ріст і в старих пожовклих листках. По мірі старіння листків виявлено
зниження вмісту хлорофілу і білків, активність СФС становила 12 % від
максимальної (Сакало, Курчий, 2003(.

Гормональні препарати суттєво впливали на активність СФС при старінні
(рис. 9) (Сакало, Курчий, 2004(. По мірі росту листків, коли вони із
акцепторів перетворювалися в донори асимілятів, гормональні препарати
активували СФС. У старих листках при значному зниженні активності СФС у
контролі, БАП, ІОК, їх суміш, ГК3 у 2–2,5 раза активували фермент,
значно стримували зниження рівня хлорофілу, білків, що свідчить про
можливість гормональної регуляції біосинтетичних процесів при старінні.

Рис. 9. Гормональна регуляція СФС в онтогенезі листка цукрового буряка:

1 – контроль; 2 – БАП;

3 – ІОК; 4 – БАП + ІОК; 5 – ГК3.

Подвійна обробка цукрових буряків у фазу 6–8 листків та в період
інтенсивного цукронакопичення РРР – емістимом С чи бетастимуліном, також
впливала на динаміку змін активності СФС. У молодих листках активність
ферменту низька і РРР її не активували (рис. 10) (Сакало, Пономаренко,
Курчий, 2001(. По мірі росту, коли листки досягали фізіологічної
зрілості і виконували донорну функцію, активність СФС підвищувалась, при
цьому емістим С активував її на 120 %, бетастимулін – на 265 %. У
подальшому активність СФС зрілих, а потім старіючих листків знижувалась,
обробка РРР уповільнювала цей процес, тому активність ферменту
залишалась у 3–4 раза вищою. Високий рівень активності СФС, зниження
деструкції хлорофілу і білків, викликані екзогенними гормонами чи РРР,
підвищували життєдіяльність листків у кінці вегетації.

Рис. 10. Вплив регуляторів росту на активність сахарозофосфатсинтази в
онтогенезі листка цукрового буряка.

Варіанти: 1 – контроль; 2 – емістим С;

3 – бетастимулін.

Активація СФС при обробці рослин емістимом С і бетастимуліном спричиняла
і підвищення активності СС. В той же час, при прямій дії на ізольовані
ферменти емістим С активував СФС на 68 ( 317 %, бетастимулін – на 50 (
130 %, а на СС вони не впливали (табл. 11) (Сакало, Пономаренко, Курчий,
2001(.

Ймовірно, що регуляція СС здійснюється не безпосередньо РРР – емістимом
С чи бетастимуліном, а сахарозою, інтенсивний синтез якої в листках і
високий вміст у судинно-провідних пучках свідчать про регуляторну
взаємодію двох ферментів – СФС і СС у процесах цукронакопичення.
Підтвердженням цієї точки зору є встановлений факт здатності сахарози
регулювати експресію гена СС (Usuda H. et al., 1999(.

Таблиця 11

Регуляція екзогенними регуляторами росту сахарозофосфатсинтази і
сахарозосинтази цукрових буряків (мкмоль продукту / г тканини ( год)

Варіант Маса корене-плоду, г При обробці рослин При прямій взаємодії з
ферментом

СФС СС СФС СС

Контроль 325 (15 28,5 (0,1

100 11,7 (0,3

100 28,5 (0,1

100 11,7 (0,3

100

Емістим С 440 (20* 78,4( 0,2*

275 16,8 (0,2*

144 92,7( 1,2*

326 13,6 (0,4*

116

Бетастимулін 440 (20* 65, 9 (0,9*

231 17,9 (0,1*

153 64,2( 0,2*

225 12,2 (0,4

105

Контроль 585 (25 9,1 (0,1

100 15,5 (0,5

100 9,1 (0,1

100 15,5 (0,5

100

Емістим С 730 (30* 30,3( 0,3*

333 19,2 (0,2*

124 38,1( 0,3*

418 13,7 (0,0

88

Бетастимулін 670 (20* 15, 9 (0,5*

174,7 12,9 (0,5

83 14,5( 0,5*

159 13,6 (0,2

87,7

* Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю

Допосівна обробка насіння. Важливим елементом сучасних технологій
вирощування сільськогосподарських культур є допосівна обробка насіння.
Допосівна обробка насіння РРР стимулює ріст листкового апарату, збільшує
вміст білків і хлорофілу, активність СФС, відтік сахарози в коренеплоди,
активує СС в першій половині вегетації (табл. 12) (Сакало, Курчий,
2002(.

Таблиця 12

Вплив допосівної обробки насіння цукрових буряків РРР на активність
ферментів і біометричні показники (7.08)

Показники Контроль Емістим С Бетастимулін

Активність СФС (мкмоль сахарози /г тканини(год)

117,3 (15,1

290,6 (20,3

260,4 (18,4

Активність СС (мкмоль фруктози /г тканини(год)

11,1( 0,1

20,9( 2,5

18,0 (1,6

Маса листків, г / рослину 103 (5,0 150 (6,0 130 (3,0

Площа листової поверхні,

дм2 / рослину

26,8 (2,0

42,6 (3,8

37,4 (3,0

Хлорофіл, мг / дм2 тканини 3,7 (0,1 3,9 (0,05 4,2 (0,1

Білок, мг/г тканини 55,5 (0,5 60,4 (2,5 59,4 (0,5

Сахароза, % сирої маси листка 0,42 (0,01 0,63 (0,04 0,52 (0,02

Сахароза, % сирої маси судинно-провідних пучків

7,0 (0,2

9,6 (0,3

8,2 (0,2

У ступені активації СФС в онтогенезі спостерігаються сортові
відмінності. Так, у сорту БЦО-45 активація емістимом С у першу половину
вегетації була на 34(38 %, бетастимуліном – на 13 % у середині
вегетації. У сорту УО-35 ці РРР у 2,5 раза активували фермент у період
інтенсивного цукронакопичення, а у гібриду УЧС-70 протягом всієї
вегетації активація емістимом С була на 30(80 %, бетастимуліном – на
24(53 %.

Виявлені нами сортові відмінності в рівні активації СФС як при
обприскуванні листків, так і при допосівній обробці насіння РРР, можна
пояснити різним рівнем ендогенних фітогормонів і їх змінами протягом
вегетації, що властиве різним сортам та гібридам. Допосівна обробка
насіння РРР впливала на продуктивність і якість цукрових буряків (табл.
13) (Пономаренко, Сакало, Курчий, 2000(. Так, у БЦО-45 і УЧС-70
підвищувалась цукристість при незмінній масі коренеплодів, у УО-35 вихід
цукру збільшувався за рахунок маси коренеплодів при високій
доброякісності цукросировини.

Таблиця 13

Вплив допосівної обробки насіння регуляторами росту на продуктивність
цукрових буряків

Варіанти Маса корене-плоду, г Сахароза Нецукри Сахароза, % сухої
речовини Вихід цукру із 1 коренеплоду, г

% сирої речовини

Білоцерківська однонасіннева-45

Контроль 418 17,2 9,3 63,2 71,8

Емістим С 420 17,7* 7,3 68,2 74,3*

Бетастимулін 420 18,0* 7,3 71,1 75,6*

НІР 05 30 0,3

Уладівська однонасіннева-35

Контроль 360 19,4 8,5 69,5 69,8

Емістим С 420* 19,1 7,5 71,8 80,2*

Бетастимулін 420* 19,4 7,4 72,4 81,5*

НІР 05 20 0,1

Український ЧС-70

Контроль 560 15,4 9,2 62,6 86,2

Емістим С 615* 16,0* 8,9 64,2 98,4*

Бетастимулін 550 16,6* 7,8 68,0 91,3*

НІР 05 25 0,2

*Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю.

Отримані нами експериментальні дані і випробування, що проводяться на
полях дослідних станцій, свідчать про те, що емістим С і бетастимулін є
ефективними для практичного використання препаратами, які в низьких
концентраціях як при обприскуванні посівів, так і при допосівній обробці
насіння цукрових буряків інтенсифікують метаболічні процеси і підвищують
продуктивність культури.

МЕТАБОЛІЗМ САХАРОЗИ В КОРЕНЕПЛОДАХ ЦУКРОВИХ БУРЯКІВ ПРИ ЗБЕРІГАННІ

Одним із факторів, які знижують вихід цукру при переробці цукрових
буряків, є підв’ялення коренеплодів, пов’язане з їх несвоєчаcною
переробкою і несприятливими умовами зберігання. Втрата води призводить
до змін метаболізму, одним із етапів якого є розщеплення сахарози
сахарозосинтазою і інвертазою. Вивчення особливостей функціонування
ферментів розщеплення і гідролізу сахарози в коренеплодах цукрових
буряків показало, що при підв’яленні, в основному, активується СС,
оскільки активність нейтральної інвертази низька, і її активація
виявлена тільки в периферичній зоні при 6 і 14 % втрати води (табл. 14)
(Сакало, Тылту, 1997(.

Таблиця 14

Активність сахарозосинтази і нейтральної інвертази коренеплодів цукрових
буряків при підв’яленні (фруктоза, мкмоль / мг білка ( год)

Час збирання корене-плодів Втрата маси,

% Сахарозосинтаза Нейтральна інвертаза

Периферична зона Центральна зона Периферична зона Центральна зона

6.09 0

(контроль)

6

14 4,1( 0,1

100

8,9(0,1*

217

6,8( 0,2*

166 3,4( 0,4

100

6,2 (0,8*

182

5,2( 0,4*

153 1,75( 0,25

100

2,5( 0,3*

143

2,1( 0,3*

120 1,9( 0,1

100

2,15( 0,1*

113

1,45 (0,15

76

29.09 0

(контроль)

13

20 3,8( 0,2

100

5,7( 0,1*

150

6,2( 0,2*

163 5,2( 0,4

100

7,2 (0,6*

138

7,2 (0,4*

138 1,6 (0,2

100

1,7(0,2

106

1,2( 0,2

75 1,5( 0,2

100

1,15( 0,15

76

1,4( 0,2

93

* Різниця достовірна при Р = 0,05 відносно до контролю

Підв’ялення викликає активацію СС не тільки в периферичній зоні, але і
поширюється по всій товщині коренеплоду, хоча активація ферменту в
центральній зоні менш інтенсивна. У підв’яленних коренеплодів знижується
співвідношення реакцій синтез/розщеплення сахарози. Втрата сахарози
виражається у зниженні коефіцієнта сахароза/нецукри, який у вегетуючих
рослинах є показником фізіологічної зрілості коренеплодів (Павлинова,
1976(, а при їх зберіганні свідчить про використання сахарози на
дихання. Одночасно збільшується частка моносахаридів. З огляду на те, що
активність інвертази підтримується на низькому рівні, вважаємо, що саме
СС є ферментом, який включає сахарозу в метаболізм при зберіганні
коренеплодів.

Оскільки при підв’яленні коренеплодів активуються енергетичні процеси, а
сахароза є основним субстратом для гліколізу (Sung et all., 1988(,
першим кроком включення продуктів її розщеплення є фосфорилювання
фруктози. Активація СС при зберіганні і пов’язане з нею вивільнення
фруктози корелює з активацією специфічної фруктокінази, утворений при
цьому фруктозо-6-фосфат є першим у ланцюгу реакцій гліколізу і дихання.
Гексокіназа, яка фосфорилює глюкозу при незначному підв’яленні,
активувалась дуже слабо, а при більш глибокому (13 %) – інактивувалась.
Перетворення фруктозо-6-фосфату в глюкозо-6-фосфат
глюкозофосфатізомеразою, а також використання глюкозо-6-фосфату в ПФЦ,
що здійснюється глюкозо-6-фосфатдегідрогеназою, при підв’яленні
інгібується. Таким чином, СС, яка розщеплює сахарозу з утворенням
фруктози і фруктокіназа, що її фосфорилює, визначають включення
дисахариду в процеси гліколізу і дихання.

Регуляція фізіологічно активними речовинами активності сахарозосинтази і
інвертази при короткотерміновому зберіганні коренеплодів. Для
запобігання втрат сахарози, які мають місце при короткотерміновому
зберіганні коренеплодів на цукрових заводах, виникла потреба пошуку ФАР,
які здатні інгібувати фермент СС. Проведений скринінг ФАР дав можливість
виділити із 25 речовин три – метіур, триман, оксалін ( похідні
метилпіридіну, які в концентраціях 0,01 – 0,1 – 0,2 % інгібували СС і
інвертазу при безпосередній взаємодії з ферментним препаратом. Ці
препарати більше інгібували розщеплення сахарози сахарозосинтазою, а її
синтетична направленність або залишалась без змін (оксалін), або
активувалась (триман), що в кінцевому результаті приводило до збільшення
відношення синтез/розщеплення з 2,1 у контролі до 6(10 в досліді. Метіур
і оксалін у концентраціях 0,01 – 0,1 – 0,2 % інгібували і нейтральну
інвертазу.

Вплив ФАР на ізольовані ферменти дає обгрунтування для практичного
застосування їх на коренеплодах з метою зниження втрат цукру при
зберіганні. Обробка коренеплодів 0,2 % оксаліном знижувала активність СС
у реакції розщеплення сахарози (табл. 15) (Сакало, Пономаренко,
Боровикова, 1998(, на нейтральну інвертазу вона не впливала, а кисла
інвертаза, дуже низька активність якої виникла при зберіганні, була
повністю інгібована.

Таблица 15

Активність ферментів розщеплення сахарози в коренеплодах цукрового
буряка, оброблених при зберіганні оксаліном (мкмоль сахарози / мг білка
( год)

Варіант Сахарозосинтаза Синтез/

розщеплення Нейтральна інвертаза Кисла інвертаза

Розщеплення Синтез

Контроль

(29.10) 3,55(0,05 4,2(0,1 1,2 0,9(0,02 0,0

Контроль

(02.12) 2,3(0,02

100 4,9(0,2

100 2,1 0,8(0,01 0,5(0,01

Оксалін 0,2% 0,56(0,01

76 2,5(0,05

49 3,8 1,0(0,05 0,0

Примітка: над рискою – активність, під рискою ( % інгібування

В оброблених ФАР коренеплодах падіння вмісту сахарози при зберіганні
уповільнювалось. Так, уже після 1 доби зберігання коренеплодів втрати
сахарози на суху речовину становили 4,2 %, а при обробці 0,2 % оксаліном
– 2,4 %, 0,1 % триманом – 2,3 %. Після 10 діб зберігання в контрольних
коренеплодах зниження сахарози становило 8,2 %, в оброблених оксаліном –
4,9 %, триманом – 5,9 %. При цьому в оброблених ФАР коренеплодах
доброякісність цукросировини (відношення вмісту сахарози до сухої
речовини) висока, на 30(50 % знижується вміст моносахаридів, які
негативно впливають на цукровиробництво.

Випробування показали, що ФАР ( триман і оксалін здатні інгібувати СС,
яка включає сахарозу в метаболізм при зберіганні коренеплодів і, таким
чином, зменшувати втрати цукру.

ВИСНОВКИ

Установлено ряд закономірностей, які поглибили і уточнили наші знання
про функціонування ключових ферментів синтезу сахарози, її подальшого
метаболізму і утворення запасних продуктів у найважливіших для України
сільськогосподарських рослинах – картоплі, кукурудзі і цукрових буряках.
Розвинута концепція про те, що функція цукронакопичення в різних сортах,
гібридах та видах дикого буряка пов’язана тільки з кількісною регуляцією
синтезу і активності сахарозосинтази та забезпечується регуляторною
взаємодією двох метаболічних шляхів – сахарозофосфатсинтази і
сахарозосинтази, здійснюваною сахарозою. Експериментально обгрунтована
можливість регуляції цукронакопичення через вплив фізіологічно активними
речовинами на ферментні системи, які відповідають за синтез і метаболізм
сахарози, що дало можливість розробити практичні рекомендації з
підвищення продуктивності цукрових буряків. Отримані експериментальні
дані і зроблені на їх основі теоретичні узагальнення роблять суттєвий
внесок у пізнання механізмів регуляції крохмале- та цукронакопичення,
розробку нових технологій ефективного застосування фізіологічно активних
речовин в сільському господарстві.

Експериментально обгрунтована участь сахарозосинтази в регуляції
крохмального синтезу в крохмальзапасаючих рослинах – бульбах картоплі,
насінні кукурудзи. Інтенсивний синтез крохмалю може забезпечити тільки
взаємодія двох ферментів, синтезуючих АДФГ – сахарозосинтази і
пірофосфорилази.

Метаболітний і білковий склад строми амілопластів, його варіабельність в
онтогенезі і при зберіганні бульб картоплі, здатність включати глюкозу
із глюкозо-1-фосфату і сахарози в крохмаль, свідчить про можливість
синтезу в амілопластах не тільки крохмалю, а і його попередників – НДФЦ
і активну роль пластид в біосинтезі крохмалю.

Очищена сахарозосинтаза із коренеплодів цукрових буряків. Установлено,
що фермент є олігомером, що складається із різного числа ідентичних за
молекулярною масою субодиниць: основна форма – тетрамер з молекулярною
масою 400 кД, дві інші – високомолекулярні форми з молекулярною масою
550 і 750 кД, молекулярна маса субодиниці – 95 кД.

Молекулярні форми СС відрізняються за питомою активністю, вмісту в
клітині, спрямованістю реакції, оптимуму рН і відношенню до іону Mg.
Дослідження кінетики молекулярних форм сахарозосинтази свідчать, що
тетрамер має гіперболічні, а високомолекулярні форми – сигмоподібні
криві залежності швидкості реакції від концентрації субстратів.

Виявлені відмінності за вмістом, питомою активністю і кінетикою
молекулярних форм сахарозосинтази в онтогенезі цукрових і кормових
буряків. Функція цукронакопичення пов’язана, в основному, із збільшенням
вмісту і активності тетрамеру, а високомолекулярні форми, скоріш за все,
виконують регуляторну роль у процесах синтезу і розщеплення сахарози.
Незважаючи на біохімічну гетерогенність, молекулярні форми СС
імунохімічно ідентичні, що передбачає їх структурну гомологію.

Сахарозосинтаза сортів, гібридів та видів диких буряків, які
відрізняються рівнем накопичення сахарози, імунохімічно ідентична,
тобто, підвищення функції цукронакопичення не пов’язано із структурними
змінами сахарозосинтазного білка, а здійснювалось тільки за рахунок
кількісної регуляції його синтезу та активності.

Сахарозосинтаза рослин, що накопичують крохмаль (бульби картоплі,
насіння кукурудзи) або інулін (топінамбур) імунохімічно має лише
часткову гомологію з ферментом коренеплодів цукрових буряків, а
значить фермент із рослин, які відрізняються складом запасних
вуглеводів, структурно не ідентичний.

Установлена гормональна регуляція активності сахарозофосфатсинтази. В
період інтенсивного цукронакопичення екзогенні БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д
активували фермент як при обробці листків, так і при безпосередній
взаємодії з ним.

Обробка посівів цукрових буряків РРР – емістимом С і бетастимуліном
стимулювала розвиток і функціонування листкового апарату, синтез
сахарози сахарозофосфатсинтазою і її відтік у коренеплоди, що, в свою
чергу, активувало сахарозосинтазу, ріст коренеплодів і виражалось у
підвищенні продуктивності при збереженні доброякісності цукросировини.

Залежно від сорту та термінів обробки посівів цукрових буряків емістим С
підвищував урожайність на 11(24 %, збір цукру на 10(26 %, бетастимулін –
на 3,3(35,7 % та 10(33 % відповідно, що було основою для практичних
рекомендацій з вирощування культури [Деклараційні патенти: № 39662,
2001; № 39663, 2001].

Сахарозосинтаза при прямій взаємодії з гормонами (БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д)
та РРР (емістимом С і бетастимуліном) не активувалась, а процес
цукронакопичення забезпечувався регуляторною взаємодією двох ферментів –
СФС і СС, яка здійснювалась сахарозою, синтезованою в листках.

При старінні листків цукрових буряків відбувалось зниження активності
СФС, вмісту хлорофілу і білків. Активуючи біосинтетичні процеси,
екзогенні гормони (БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д) і регулятори росту рослин
(емістим С та бетастимулін) стимулювали функціональну активність листків
у кінці вегетації.

Допосівна обробка насіння емістимом С і бетастимуліном активувала
ростові процеси, сахарозофосфатсинтазу, відтік сахарози, її метаболізм у
коренеплодах, що підвищувало продуктивність цукрових буряків,
збільшувався збір цукру на 13(14 % [Деклараційний патент № 34684, 2001].

При зберіганні коренеплодів цукрових буряків у несприятливих умовах
відбувалась активація сахарозосинтази, що призводило до втрат сахарози і
включенню продуктів її розщеплення в гліколіз і дихання. Установлена
можливість інгібування ферменту фізіологічно активними речовинами: 0,2 %
оксалін і 0,1 % триман знижували втрати цукру в 1,5 ( 2 рази.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ

Лобов В.П., Бондарь П.И., Сакало В.Д. Амилопласты. — Киев: Наукова
думка. — 1982. — 139 С.

Сакало В.Д., Горовая Л.П. Ферменты биосинтеза нуклеозиддифосфатсахаридов
и крахмала в клубнях картофеля // Физиология и биохимия культ. растений
. — 1979. — 11, № 1. — С. 147-152.

Сакало В.Д. Крахмалсинтезирующие ферменты запасающих тканей растений //
Физиология и биохимия культ. растений. — 1979. — 11, № 5. — С. 493-504.

Сакало В.Д., Лобов В.П. Активность ферментов углеводного метаболизма в
эндосперме семян кукурузы// Физиология и биохимия культ. растений. —
1983. — 15, № 2. — С. 116-121.

Сакало В.Д., Чибисова Н.Н., Лобов В.П. Метаболиты стромы амилопластов
клубней картофеля // Физиология и биохимия культ. растений . — 1984. —
16, № 1. — С. 12-17.

Лобов В.П., Сакало В.Д., Подгаецкий А.А. Особенности крахмалообразования
в онтогенезе двух сортов картофеля // Физиология и биохимия культ.
растений. — 1984. — 16, № 5. — С. 424-429.

Лобов В.П., Сакало В.Д. Белки амилопластов клубней картофеля //
Физиология и биохимия культ. растений. — 1985. — 17, № 3. — С. 242-249.

Сакало В.Д., Лобов В.П. Молекулярные формы сахарозосинтазы корнеплодов
сахарной свеклы // Физиология растений. — 1988. — 35, № 4. — С. 747-755.

Сакало В.Д., Лобов В.П. Характеристика молекулярных форм сахарозосинтазы
корнеплодов сахарной свеклы // Физиология растений. — 1992. — 39, № 2. —
С. 290-299.

Сакало В.Д., Лукашова Р.Г. Иммунохимическая характеристика
сахарозосинтазы из запасающих органов растений // ДАН Украины. Сер. Б.
-1992. — № 6. — С. 148-150.

Сакало В.Д. Активация сахарозосинтазы в “стареющих” тканях корнеплодов
сахарной свеклы // Физиология и биохимия культ. растений. — 1993. – 25,
№ 1. -С. 66-72.

Сакало В.Д. Активность и ммунохимические свойства сахарозосинтазы из
различных органов свеклы // Физиология и биохимия культ. растений. —
1993. — 25, № 2. — С. 164-169.

Сакало В.Д., Лукашова Р.Г. Активность и ммунохимическое сравнение
сахарозосинтазы из запасающих органов растений // Физиология растений. —
1993. — 40, № 2. — С. 265-270.

Сакало В.Д. Роль сахарозосинтазы в метаболизме растений // Физиология и
биохимия культ. растений. — 1993. — 25, № 6. — С. 523-533.

Сакало В.Д., Дульнев П.Г., Лаврентович Д.И., Савченко Н.П., Нагорная
Р.В. Влияние предпосевной обработки семян физиологически активными
веществами на активность ферментов метаболизма сахарозы и продуктивность
сахарной свеклы // Физиология и биохимия культ. растений. – 1995. – 27,
№ 1-2. – С. 35-41.

Сакало В.Д., Князев В.А., Фень С.А., Тылту А.С., Швецова Л.А.
Расщепление сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы при подвяливании //
Физиология и биохимия культ. растений. — 1995. – 27, № 1-2. — С.
86-92.

Сакало В.Д. Транспорт, биосинтез и отложение в запас хозяйственно-ценных
соединений у важнейших сельскохозяйственных культур // Физиология и
биохимия культ. растений. — 1996. — 28, № 1-2. — С. 89-101.

Сакало В.Д., Князев В.А., Швецова Л.А., Тылту А.С., Борисова Л.Т.
Метаболизм сахарозы в корнеплодах сахарной свеклы при подвяливании //
Физиология и биохимия культ. растений. — 1997. – 29, № 1. — С. 56-62.

Сакало В.Д., Тылту А.С. Ферменты углеводного обмена в корнеплодах
сахарной свеклы при их краткосрочном хранении в неоптимальных условиях
// Физиология растений. – 1997. – 44, № 1. – С. 83-90.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Киризий Д.А., Курчий В.М. Влияние
регуляторов роста растений на метаболизм сахарозы в сахарной свекле //
Физиология и биохимия культ. растений. — 1998.- 30. — № 4. — С.
271-278.

Сакало В.Д., Киризий Д.А., Курчий В.М. Особенности биосинтеза и
метаболизма сахарной и дикой свеклы // Физиология и биохимия культ.
растений. — 1999. — 31, № 5. — С. 333-339.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Курчий В.М. Регуляция эмистимом С и
бетастимулином метаболизма сахарозы и продуктивности сахарной свеклы //
Агрохимия. – 2001. — № 10. – С. 49-55.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П. Регуляція фізіологічно активними
речовинами синтезу і метаболізму сахарози в цукрових буряках (Beta
vulgaris L). Глава монографії // Фізіологія рослин в Україні на межі
тисячоліть. – т. 1. – Київ, 2001.– с. 388-391.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Курчий В.М. Влияние экзогенных
регуляторов роста на сахарозосинтезирующую способность сахарной свеклы
(Beta vulgaris L). // Физиология и биохимия культ. растений. — 2001. –
33, № 1. — С. 20-27.

Сакало В.Д., Курчий В.М. Влияние предпосевной обработки семян сахарной
свеклы регуляторами роста на метаболизм сахарозы и продуктивность //
Физиология и биохимия культ. растений. — 2002. – 34, № 2. — С. 113-120.

Сакало В.Д. Роль и регуляция ключевого фермента биосинтеза сахарози —
сахарозофосфатсинтазы // Физиология и биохимия культ. растений. — 2002.
– 34, № 6. – С. 463-474.

Сакало В.Д., Курчий В.М. Влияние физиологически активных веществ на
синтез и метаболизм сахарозы при старении листьев сахарной свеклы //
Физиология и биохимия культ.растений. – 2003. — 35, № 5. — С. 441-446

Сакало В.Д., Курчий В.М. Гормональная регуляция сахарозофосфатсинтазы и
сахарозосинтазы сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) // Физиология
растений. – 2004. — № 2.- С. 205-210.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Курчий В.М. Влияние сроков обработки
сахарной свеклы эмистимом С и бетастимулином на метаболизм сахарозы и
продуктивность // Агрохимия. — 2004. – № 5. — С. 59-65.

Сакало В.Д. Изменения метаболитного состава амилопластов клубней
картофеля при хранении // Сб. Регуляция физиологических функций
растений. – 1986. – К. Изд. Наукова думка. – С. 142-147.

Сакало В.Д., Лобов В.П. Очистка и иммунохимические свойства
сахарозосинтазы корнеплодов сахарной свеклы // Физиолого-биохимические
основы продуктивности сахарной свеклы / Сборник трудов. — Киев: ВНИС,
1989. — С. 95-103.

Князев В.А., Сакало В.Д., Швецова Л.А., Фень С.А., Тылту А.С. Потери
сахарозы при неблагоприятных условиях хранения // Сахарная свекла. –
1994. — № 10. – С. 16-17.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Курчий В.М., Черемха Б.М., Пантелусь Н.Н.
Влияние обработки посевов сахарной свеклы регуляторами роста на
метаболизм сахарозы и продуктивность культуры. // Сб. Елементи регуляції
в рослинництві. – К.: ВВП “Компас”, 1998. – С. 51-61

Сакало В.Д., Курчий В.М., Пантелусь Н.Н., Пономаренко С.П. Потенциал
продуктивности поддается регулированию // Сахарная свекла. – 1998. № 8.
– С. 14-16.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П., Боровикова Г.С. Дія регуляторів росту на
ферментну систему цукрового буряка. // Зб. Регулятори росту рослин в
землеробстві. – Київ. — 1998. – С.48-53.

Пономаренко С.П., Сакало В.Д., Курчий В.М. Регуляторы роста растений и
повышение продуктивности // Сахарная свекла. – 2000. — № 3. – С. 13-14.

Тищенко Е.Н., Сакало В.Д. Молекулярно-генетические и биохимические
изменения при старении листьев сахарной свеклы (Beta vulgaris L.). – Сб.
Приемы повышения урожайности растений : от продуктивности фотосинтеза к
современным биотехнологиям. – Киев: НАУ, 2003. – С. 169-172.

Деклараційний патент 34684 України, Спосіб вирощування цукрового буряку,
Пономаренко С.П., Сакало В.Д., Герасименко С.М., № 99020605, заявлено
02.02.1999; Опубліковано 15.03.2001. — Бюлл. № 2. — С. 1.6.

Деклараційний патент 39662 України, Спосіб підвищення продуктивності
цукрового буряку Пономаренко С.П., Сакало В.Д., Боровикова Г.С., Курчій
В.М., Герасименко С.М., № 2000126919, заявлено 04.12.2000; Опубліковано
15.06.2001. — Бюлл. №5. — С.1.8.

Деклараційний патент 39663 України, Спосіб підвищення продуктивності
цукрового буряку Пономаренко С.П., Сакало В.Д., Боровикова Г.С., Курчій
В.М., Герасименко С.М., № 2000126920, заявлено 04.12.2000; Опубліковано
15.06.2001. — Бюлл. № 5. — С. 1.8.

Лобов В.П., Сакало В.Д. Сахарозосинтаза корнеплодов сахарной свеклы //
Сб. “Транспорт ассимилятов в растениях и проблема сахаронакопления”. –
III Всесоюзная конференция. Изд-во “Илим”, Фрунзе. – 1983. – С. 64.

Sakalo V., Tiltu A. Sucrose metabolism in sugar beet root during a short
time storage under unfavourable condition // 10th FESPP Congress. Plant
Physiology and Biochemistry. Special issue. – 1996. – P. 116.

Sakalo V.D. Sucrose biosynthesis and metabolism in sugar and wild beets
// Bulgarian J. Plant Physiol. Special issue. -1998. “The 11th Congress
of the Federation of European Societies of Plant Physiology, September
1998, Varna (Bulgaria). S10-14. -P. 180.

Сакало В.Д., Курчий В.М. Влияние регуляторов роста на ферменты
метаболизма сахарозы и продуктивность сахарной свеклы // V Международная
конференция “Регуляторы роста и развития растений”, Москва, МСХА, 1999.
Ч. 1. — С. 128-129.

Сакало В.Д., Курчий В.М. Влияние регуляторов роста растений на
метаболизм сахарозы в сахарной свекле // IV Съезд физиологов растений
РАН, Москва,1999. II т.– C. 681-682.

Сакало В.Д., Пономаренко С.П, Боровикова Г.С. Регуляторы роста растений:
от предпосевной обработки семян до переработки корнеплодов сахарной
свеклы // Труды V Международной конференции “Регуляторы роста и развития
растений”, Москва, МСХА, 1999. Ч. 2. — С. 233-234.

Sakalo V.D., Kurchii V.M. Phytohormonal regulation of sucrose phosphate
synthase and photosynthetic activity in the sugar beet leaves //
International Conference «Photosynthesis and Crop Production», 7-11
October, 2002, Kyiv, Ukraine. Program and Abstracts, Р. 94-95

Сакало В.Д. Регуляция физиологически активными веществами метаболизма
сахарозы в онтогенезе сахарной свеклы (Beta vulgaris L.) // Труды V
съезда общества физиологов растений России. – Пенза, 2003. – С. 429-430.

Сакало В.Д. Метаболізм сахарози і його регуляція в рослинах з різним
складом запасних вуглеводів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук за
спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин. Інститут фізіології рослин і
генетики НАН України, Київ, 2004.

Вивчено особливості функціонування ключових ферментів метаболізму
сахарози в онтогенезі рослин, що синтезують крохмаль (картопля – Solanum
tuberosum L., кукурудза – Zea mays L.) та запасають сахарозу (цукровий
буряк – Beta vulgaris L.). Наведені докази регуляторної ролі
сахарозосинтази в біосинтезі крохмалю, установлено, що інтенсивність
крохмалеутворення може забезпечити тільки сумісна дія двох ферментів, що
синтезують АДФГ – сахарозосинтази і пірофосфорилази.

Очищена сахарозосинтаза коренеплодів цукрових буряків, установлена
наявність молекулярних форм ферменту. Виявлені відмінності за вмістом і
кінетикою молекулярних форм сахарозосинтази в цукровому та кормовому
сортах буряків, свідчать про їх регуляторну роль у цукронакопиченні.
Установлена імунологічна гомологія молекулярних форм сахарозосинтази
коренеплодів цукрового буряка та ферменту різних сортів, гібридів та
видів дикого буряка.

Виявлено активацію сахарозофосфатсинтази листків цукрових буряків
екзогенними гормонами (БАП, ІОК, ГК3, 2,4 Д) та уповільнення під їх
впливом руйнування хлорофілу і білків у ході старіння. Обгрунтована
можливість підвищення продуктивності цукрових буряків шляхом дії
регуляторів росту рослин (РРР) – емістиму С та бетастимуліну на
ферментні системи синтезу і метаболізму сахарози.

Виявлена різна реакція сортів цукрових буряків на РРР – емістим С та
бетастимулін і оптимізовані терміни їх обробки для підвищення
продуктивності. Експериментально обгрунтовано, що основні втрати
сахарози при зберіганні коренеплодів цукрових буряків у несприятливих
умовах відбуваються за рахунок активації СС і установлена можливість
інгібування ферменту фізіологічно активними речовинами.

Ключові слова: картопля (Solanum tuberosum L.), кукурудза (Zea mays L.),
цукровий буряк (Beta vulgaris L.), сорти, гібриди і види диких буряків,
вегетативні і запасаючі органи, ферменти вуглеводного обміну,
амілопласти, гормони, регулятори росту рослин.

Сакало В.Д. Метаболизм сахарозы и его регуляция в растениях с различным
составом запасных углеводов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по
специальности 03.00.12 – физиология растений. Институт физиологии
растений и генетики НАН Украины, Киев, 2004.

Изучены особенности функционирования ключевых ферментов синтеза и
метаболизма сахарозы в онтогенезе растений, синтезирующих крахмал
(картофель – Solanum tuberosum L., кукуруза – Zea mays L.) и запасающих
сахарозу (сахарная свекла – Beta vulgaris L.).

Представлены доказательства регуляторной роли сахарозосинтазы в
биосинтезе крахмала в клубнях картофеля и семенах кукурузы, установлено,
что интенсивность крахмалообразования может обеспечить только совместное
действие двух ферментов, синтезирующих АДФГ – сахарозосинтазы и
пирофосфорилазы. На основании изучения метаболитного и белкового состава
стромы амилопластов клубней картофеля, их способности включать в крахмал
меченые предшественники, высказывается мнение о возможности синтеза АДФГ
непосредственно в пластидах.

Очистка сахарозосинтазы (СС) корнеплодов сахарной свеклы дала
возможность установить, что фермент является олигомером, состоящим из
разного числа идентичных субъединиц, основной формой является тетрамер с
молекулярной массой 400 кД, две другие ( высокомолекулярные формы с
молекулярной массой 550 и 750 кД, молекулярная масса субъединицы ( 95
кД. Особенности функционирования молекулярных форм сахарозосинтазы, их
отношение к рН среды и концентрации ионов магния, активность и
содержание в онтогенезе сахарной и кормовой свеклы, кинетика реакций
свидетельствуют об их регуляторной роли в процессах сахаронакопления.
Иммунохимическая идентичность молекулярных форм СС свидетельствует о
структурной гомологии их белковых молекул.

Исследования сахарозосинтазы различных сортов, гибридов и видов дикой
свеклы в онтогенезе показало, что удельная активность фермента, его
направленность на синтез или расщепление сахарозы не постоянны на
протяжении вегетации и не всегда имеют сортовую специфику.
Иммунохимических отличий СС из корнеплодов разновидностей свеклы не
обнаружено, т.е. повышение функции сахаронакопления не связано со
структурными изменениями сахарозосинтазного белка, а определяется
количественной регуляцией его синтеза и активности. Вместе с тем,
сахарозосинтаза растений, запасающих крахмал или инулин (семена
кукурузы, клубни картофеля, топинамбур) имеет частичную гомологию с
ферментом корнеплодов сахарной свеклы.

Показана активация сахарозофосфатсинтазы (СФС) листьев сахарной свеклы
экзогенными гормонами (БАП, ИУК, ГК3, 2,4 Д) как при обработке листьев,
так и при непосредственном взаимодействии с ферментным препаратом.
Установлено снижение активности СФС, содержания хлорофилла и белков при
старении листьев сахарной свеклы и возможность продления их
функциональной активности при помощи экзогенных гормонов. Обоснована
возможность повышения продуктивности сахарной свеклы путем воздействия
РРР – эмистима С и бетастимулина на ферментные системы синтеза и
метаболизма сахарозы – СФС и СС, на развитие и функционирование
листового аппарата, отток сахарозы в корнеплоды. Показана сортовая
специфика в реакции свеклы на применяемые РРР и установлены оптимальные
сроки обработки посевов, повышающие сбор сахара на 10(26 % (обработка
эмистимом С) и 10(33 % (обработка бетастимулином). Предпосевная
обработка семян эмистимом С и бетастимулином также активирует СФС, отток
сахарозы, ее метаболизм в корнеплодах, что повышает сбор сахара на 14
%. Экспериментально обосновано, что как гормональные препараты, так и
регуляторы роста непосредственно активируют только СФС, без прямой
активации СС. Особенности регуляции СФС и СС физиологически активными
веществами позволило сформулировать концепцию регуляторного
взаимодействия в функционировании двух ферментов, которая заключается в
том, что сахарозосинтазу корнеплодов регулирует сахароза,
синтезированная в листьях, и повышение продуктивности сахарной свеклы
возможно через воздействие физиологически активными веществами на
ферментные системы синтеза сахарозы.

Экспериментально обосновано, что основные потери сахарозы при хранении
корнеплодов сахарной свеклы в неблагоприятных условиях происходят за
счет активации СС, с последующим фосфорилированием освобожденной
фруктозы фруктокиназой и включением ее в гликолиз и дыхание. Установлена
возможность ингибирования фермента физиологически активными веществами –
оксалином и триманом, что снижает потери сахара в 1,5 ( 2 раза.

Ключевые слова: картофель (Solanum tuberosum L.), кукуруза (Zea mays
L.), сахарная свекла (Beta vulgaris L.), сорта, гибриды и виды дикой
свеклы, вегетативные и запасающие органи, ферменты углеводного обмена,
амилопласты, гормоны, регуляторы роста растений.

Sakalo V.D. The Sucrose metabolism and its regulation in the plants
with different composition of storing carbohydrates. ( Manuscript.

Thesis for a doctor’s degree by speciality 03.00.12 – plant physiology.
Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciences
of Ukraine, Kyiv, 2004.

The dissertation is devoted to the study of the peculiarities in
functioning the key enzymes of sucrose metabolism in plant ontogenesis,
which both synthesize starch: potato (Solanum tuberosum L.), corn (Zea
mays L.) and store sucrose: sugar beet (Beta vulgaris L.).

It is presented evidence of the regulating role of sucrose synthase in
starch biosynthesis. It has been established that the intensity of
starch forming may supply only a joint activity of two enzymes, which
synthesize ADPG – sucrose synthase and pyrophosphorylase.

Sucrose synthase of sugar beet roots has been purified. The presence of
molecular forms of the enzyme have been also established. The
differences in the content and kinetics of molecular forms of sucrose
synthase in sugar beet varieties have been revealed. Their
immunological homology has been found as well. It have been revealed
both the activation of sucrose phosphate synthase of sugar beet leaves
by exogenous hormonal preparations (BAP, IAA,GA3, 2,4-D) and the
retarding of catabolic processes in plant aging. The possibility of the
increase in the sugar beet production when using the plant growth
regulators (emistim C and betastimulin) on the enzyme systems of sucrose
synthesis and metabolism is proved. Different response of sugar beet
cultivars on plant growth regulators (emistim C and betastimulin) has
been determined. The terms of plant treatment for increasing their
productivity have been optimized. It has been experimentally grounded
that the main losses in sucrose in the process of storing the sugar beet
roots under unfavorable conditions occur at the expense of the sucrose
synthase activation. The possibility of enzyme inhibition by
physiologically active substances has been also established.

Key words: potato, corn, sugar beet, genetic type, vegetative, storing
organs, enzymes of carbohydrate metabolism, amiloplasts, hormonal
preparations, plant growth regulators.

PAGE 1

Похожие записи