Семена имеют большое значение для человека и как посевной материал, и как источник питательных веществ.
Чтобы зародыш семени тронулся в рост и достаточно хорошо развивался, необходимы не только благоприятные условия, но и нормальное «питание» его за счет запасных веществ. Часто плохая всхожесть семян и низкий урожай обусловлены недостатком в них запасных веществ. Хлеборобы давно знают, что крупное, полноценное семя дает более кустистое растение, лучший колос и повышенный урожай. Недаром старинная пословица гласит: «От худого семени не жди доброго племени».
На важное значение запасов в семени для развития зародыша указывает такой факт. При недоразвитии эндосперма, который, например, у пшеницы составляет 80% от веса целого семени, нарушается нормальное поступление питательных веществ в зародыш, что приводит к торможению процессов роста и даже к гибели проростка. Поэтому важно знать о тех изменениях, которые происходят в содержании запасных веществ семени (сахаров, жиров, белков и других соединений), в процессе старения при хранении.
Старение можно охарактеризовать как процесс в жизнедеятельности семян, связанный с нарушением метаболизма в клетках, приводящий к таким изменениям, которые на определенном этапе становятся необратимыми. Это приводит к ухудшению посевных и пищевых качеств зерна. Расскажем о тех изменениях, которые претерпевают различные вещества при хранении семян, а также о факторах, которые снижают всхожесть.
Углеводы. В процессе длительного хранения в семенах существенным образом изменяется содержание углеводов.
Использование углеводов на дыхание, на образование органических кислот и других жизненно необходимых соединений снижает их содержание в семенах при хранении. Так, при хранении в течение года соевых бобов наблюдается уменьшение содержания сахаров. Аналогичное явление отмечается и у семян пунцового клевера и многолетнего райграса и многих других растений. Эти и другие факты побудили некоторых исследователей объяснить потерю жизнеспособности снижением содержания сахаров в семенах. Но есть данные другого характера. Подсчитано, что в нежизнеспособных семенах сосны, хранившихся при пониженной температуре (+10° С) и влажности 5%, запасов углеводов столько, что для жизнедеятельности семени их хватило бы на 1607 лет, однако они теряют всхожесть в течение нескольких лет.
Нами было установлено, что у нежизнеспособных семян кукурузы (срок хранения 20 лет) с исходной повышенной влажностью (14,1%) общее содержание сахаров в зародыше, щитке и эндосперме в 2,3 и 5 раз меньше по сравнению с семенами с нормальной и пониженной всхожестью.
Хлеб — это продукт, который нам дают зерновые культуры. Однако 5—6 тыс. лет назад дуб был пищевым растением. Из высушенных и растертых в муку желудей тогда и пекли хлеб. Оказывается, сухие желуди содержат 4,1% белка, около 4,2% жира и до 40—60% крахмала. С 1 га дубового леса собирают 2— 8 т желудей. Таким образом, урожай дубрав европейской части СССР (8,9 млн. га) составляет 4—5 млн. т крахмала. Пшеница такое количество крахмала дает нам с площади не менее 7,5 млн. га. Интересны и такие факты. Если зерно хлебных злаков хорошо хранится в сухом состоянии, то желуди при подсыхании быстро теряют всхожесть. Известно много способов хранения желудей. Один из них — старинный — заключается в том, что их кладут в корзину и закрывают ее крышкой, а затем опускают на дно реки в проточную воду, чтобы была достаточная аэрация. Так и удается их сохранить до будущей весны.
У семян со всхожестью 12% содержание сахаров в щитке и эндосперме почти такое же, как и у семян с нормальной всхожестью. Обращает на себя внимание то, что содержание сахаров в зародыше даже выше по сравнению с зародышами семян с нормальной всхожестью. Расчет содержания сахаров в мг на 100 штук показал, что во всех частях нежизнеспособных семян сахаров содержится в достаточном количестве для нормального прорастания. Следовательно, потеря жизнеспособности этими семенами, связана не с низким общим содержанием сахаров, а с недостатком каких-либо определенных соединений.
Хроматография на бумаге позволила установить, что в зародыше и щитке нежизнеспособных семян практически отсутствует сахароза и рафиноза, которые есть в жизнеспособных семенах. Они уступают место глюкозе и фруктозе, которых нет у жизнеспособных семян в зародыше и щитке. Помимо этого, было установлено, что и в эндосперме нежизнеспособных семян очень мало сахарозы и рафинозы.
В качестве метчиков (образцов) мы брали известные вещества, растворы которых наносили на хроматограмму наряду с экстрактами еще не определенных веществ. По метчикам судили о наличии тех или иных сахаров в разных частях семени.
Создается впечатление, что зародыши нежизнеспособных семян не обеспечены сахарозой. Снижение содержания сахарозы по мере хранения наблюдается и у семян других растений. Если после 4-месячного хранения, например, в семенах саксаула содержалось 5,5% сахарозы, то после 14-месячного — всего 2% на абсолютно сухой вес. Но расход ее на дыхание был гораздо больше, так как за время хранения в семенах совсем исчез крахмал и значительно снизилось содержание гемицеллюлоз и жиров, которые могли бы дать начало образованию сахарозы (для дыхания в первую очередь используется сахароза, затем крахмал и гемицеллюлозы. Когда же углеводы исчезают, то в качестве энергетического материала используются жиры).
На важную роль сахарозы в жизнедеятельности семян по сравнению с другими углеводами указывают интересные данные, полученные в 1955 г. французским ученым Р. Дюпероном. Оказалось, что сахароза присутствует во всех исследованных семенах 81 вида растений из 31 семейства, тогда как рафиноза — у 70 видов, а стахиоза — только у 35 видов. Эти данные говорят о том, что между содержанием сахарозы и жизнеспособностью семян имеется определенная коррелятивная взаимосвязь. Академик А. Л. Курсанов отметил, что сахароза присуща всем растениям, что она является у них главным транспортным соединением. Она встречается во всех органах и во все периоды вегетации растений, это наиболее употребляемая форма углеводов. Корни и другие органы в изолированной культуре (культивирование органов растений или их отдельных частей на питательной среде — агар-агаре) значительно лучше растут, если в питательной среде находится сахароза. Очевидно, это преимущество сахарозы вызвано тем, что она гораздо лучше по сравнению с другими источниками углерода обеспечивает энергией жизненные процессы: например, она богаче глюкозы свободной энергией. Кроме того, при фосфорилировании сахарозы образуются фосфорные эфиры, обладающие весьма высоким энергетическим уровнем, причем для их синтеза требуется меньшая затрата энергии, чем для образования фосфорных связей у глюкозы и других гексоз.
Жиры. Глубокие изменения наблюдаются в содержании и составе жиров. У многих хранившихся семян установлено увеличение содержания свободных жирных кислот. Так, у семян хлопчатника, хранившихся в стальных камерах при влажности 85—90% и температуре 24—36° С в течение месяца, увеличивалось содержание свободных жирных кислот и значительно снижалась всхожесть семян. Накопление этих кислот при хранении происходит и при- комнатной температуре в условиях повышенной влажности. Установлено, что семена хлопчатника, содержащие свыше 1% свободных жирных кислот, обычно не прорастают.
Повышается кислотное число и при длительном хранении семян злаков, сосны, конопли и некоторых других культур. Кислотное число масла за время четырехлетнего хранения семян подсолнечника, периллы и горчицы увеличивалось более чем в 1,5 раза, кунжута — в 2,5, клещевины — более чем в 3, в семенах арахиса — в 4 раза. Увеличение кислотного числа связано с гидролизом липоидной части семян липазой, активность которой в течение всего периода хранения сохраняется на высоком уровне. За время хранения семян уменьшилось йодное число и содержание токоферолов, увеличилась сумма неомыляемых веществ. Все это говорит о том, что в процессе хранения семян существенным образом изменяется не только глицеридная часть масла, но и содержание в масле других веществ.
По мнению А. Г. Малышевой, одной из причин потери всхожести семян масличных культур является изменение липоидной фракции. Ею установлено, что свободные жирные кислоты, образовавшиеся в процессе гидролитического расщепления, а также имеющийся в семенах витамин Е подвергаются окислению, в результате чего происходит накопление окисленных продуктов и уменьшается содержание жизненно необходимых веществ. Отсюда следует вывод, что все факторы, способствующие ускорению процессов окисления и гидролиза липоидной фракции, обусловливают снижение всхожести семян. Так, большое содержание глицеридов высоконепредельных жирных кислот (линолевой и линоленовой) в семенах периллы и арахиса способствовало более интенсивному окислению липоидной фракции и более быстрой потере всхожести семян. В этих семенах снижено и содержание токоферолов.
Американский исследователь Д. Харрингтон (1973 г.) считает, что самоокисление липидов, представляющее собой неферментативные реакции, состоит из следующих этапов:
- Ненасыщенные жиры световое и др. облучение→металлические ионы Свободные радикалы
- Свободные радикалы + O2 → Гидропероксиды
- Гидропероксиды → Карбонилы
- Карбонилы и белки → Инактивация ферментов, поврежденных мембран и денатурация гистонов
- Карбонилы и нуклеиновые кислоты → Хромосомная мутация
Образование свободных радикалов и гидропероксидов является следствием аутокаталитического самоокисления, так как каждый разрыв в двойной цепи липидов дает два свободных радикала, каждый из которых может в свою очередь вызвать разрыв в другой двойной цепи.
Самоокисление липидов в процессе хранения семян возрастает не только в результате снижения содержания токоферолов, являющихся антиокислителями липидов, но и под влиянием высокой температуры, так как повышается активность ферментов, особенно если семена пересушены. Это связано с тем, что при высушивании их ниже 5% мономолекулярный слой воды вокруг каждой макромолекулы становится таким, как в ферментах, что приводит к прямому контакту между липидами и макромолекулами, окисляющими липиды. Это и вызывает снижение всхожести.
Следует отметить, что липиды являются составной частью не только клеточных оболочек, но и составных частей клетки (ядра, митохондрий и др.), поэтому самоокисление липидов приводит к отмиранию клеток. Со снижением содержания липидов связано и более интенсивное выделение из семян, потерявших жизнеспособность в процессе длительного хранения, фосфорных соединений, сахаров, аминокислот и других жизненно необходимых соединений.
В зерне имеются все необходимые для питания вещества: белки, углеводы, жиры, витамины и различные минеральные элементы. Самым ценным питательным веществом является белок. Кроме того, растения поставляют организму незаменимые аминокислоты, которые в нем сами не синтезируются. Основной источник растительных белков — злаки. Особенно богата белками пшеница, содержание которых достигает у некоторых сортов 17—20%. Зернобобовые содержат обычно больше белка, и он является более полноценным. Повышение белковости зерна — одна из главнейших задач сельскохозяйственного производства. Следует отметить, что только повышение белковости на 1% у всех наших зерновых дало бы возможность обеспечить полноценным питанием дополнительно 30 млн. человек в течение года.
Нарушения в обмене проявляются не только в накоплении продуктов обмена, токсически действующих на ткани семян, но и в синтезе фитогормонов и других жизненно необходимых соединений. Не случайно, что обработка старых семян сельдерея гибберелловой кислотой, а гороха, люпина, ячменя цитокининами повышала всхожесть и улучшала рост проростков.
Белки и аминокислоты. По мнению ряда исследователей, распад хромосом является основной причиной старения семян, снижения их посевных качеств при длительном хранении, но этот распад — следствие или только одна из причин старения. Дело в том, что при старении семян наблюдается распад кодирующего механизма ДНК—РНК, принимающего участие в синтезе белков и ферментов, что приводит к нарушению других сторон обмена. О том, что имеется взаимосвязь между содержанием белка в семенах и их всхожестью, говорит такой факт. Обработка семян пшеницы пуромицином, задерживающим новообразование белка, тормозит и прорастание семян.
В период хранения белки также претерпевают изменения, что может быть одной из причин потери жизнеспособности семенами. Установлено, что в кукурузе, пшенице, саксауле при длительном хранении уменьшается содержание белка, а у клевера и сои в первую очередь снижается содержание растворимых его форм. Подобные изменения наблюдаются и у семян хлопчатника. Так, при хранении в течение 1—2 лет в них происходят медленный распад белков и накопление в зародышах аспарагина, аспарагиновой кислоты, серина, глютаминовой кислоты, цистина и других аминокислот. Изменяется и качественный состав аминокислот. Например, в свежих семенах отсутствует лейцин и фенилаланин, тогда как в семенах, закончивших период покоя, эти аминокислоты имеются в заметных количествах.
Следует отметить, что при хранении наибольшие нарушения в обмене наблюдаются в зародыше; в меньшей степени они наблюдаются и в эндосперме. Это подтверждается тем, что на эндосперме семян пшеницы, хранившихся в течение ряда лет, пересаженный зародыш растет значительно медленнее, чем на эндосперме из свежеубранных семян. Определена и очередность отмирания отдельных частей семени при длительном хранении семян. У семян кукурузы в первую очередь отмирает щиток, затем корешок и почечка.
При хранении семян с высокой влажностью при повышенной температуре снижается не только содержание белков, но и изменяются их физико-химические свойства. Многие белки с ферментативной активностью исчезают. Это все отрицательно сказывается на многих сторонах нормального обмена, в том числе и на использовании оставшихся запасных веществ.
Это подтверждается следующим опытом. Сначала семена кукурузы выдерживались в воде при 20° С на протяжении 20 ч, а затем их помещали на 1 ч в горячую воду (70° С). Такие семена не прорастали. Понятно, что количество белков в них за сутки почти не изменилось. И все же семена оказались нежизнеспособными, так как под воздействием горячей воды произошли глубокие изменения в структуре белков, особенно в тех из них, которые обладают дегидрогеназной активностью. Ферменты, обладающие такой активностью, принимают непосредственное участие во многих реакциях, в том числе и в дыхании. Поэтому для хранения используются семена с влажностью ниже критической (для злаков и бобовых она равна 14—15%, а для масличных — 8—9%).
В семенах, потерявших жизнеспособность при длительном хранении, значительно снижено содержание аминокислот, входящих в состав белка. У нежизнеспособных семян кукурузы содержание аспарагиновой и глютаминовой кислот, пролина, лизина и гистидина значительно снижено по сравнению с семенами с нормальной всхожестью.
Следует отметить, что аспарагиновая и глютаминовая кислоты — важнейшие источники аминной группы в реакциях переаминирования. Отсюда становится понятным, что в семенах с пониженной всхожестью эти реакции при прорастании нарушаются.
Известно, что биосинтез аргинина осуществляется путем конденсации цитрулина с аспарагиновой кислотой, и он наряду с аспарагином и глутамином является одним из резервов азота в семенах. Важная роль его состоит в том, что он входит в состав гистонов ядра, участвующих в процессах наследственности. Можно допустить, что с такого рода нарушением связаны морфологические изменения наследственных признаков растений у длительно хранившихся семян.
Обращает на себя внимание значительное снижение содержания лизина. Лизин, входящий в состав белка, соединяясь с биотином, принимает участие в реакциях карбоксилирования, а, следовательно, и в синтезе органических кислот. Ясно, что нарушение процесса карбоксилирования приводит к нарушению других сторон обмена веществ.
Заслуживает внимания и тот факт, что у семян, потерявших жизнеспособность, почти отсутствует в составе белка метионин, а он и его производные, как известно, являются основными акцепторами и передатчиками метальных групп при синтезе нуклеиновых кислот.
Изменение аминокислотного состава белка у семян, потерявших жизнеспособность, представляет интерес не только с точки зрения ухудшения пищевой ценности белка, но и понимания изменения белковых компонентов и их каталитических свойств. Как показало электрофоретическое изучение белков в семенах, потерявших жизнеспособность, как в зародышах, так и в эндосперме снижается количество белковых компонентов щелочных и кислотных белков. Так, если у жизнеспособных семян кукурузы сорта Миннезота содержится 5 компонентов в щелочных белках и 6 в кислых, то у потерявших всхожесть — соответственно 3 и 1. Такое резкое уменьшение компонентов, обладающих каталитическими свойствами, приводит к нарушению многих реакций, нормальное течение которых необходимо для процесса прорастания семян.
Эти и другие имеющиеся факты позволяют высказать предположение о тесной взаимосвязи жизнеспособности семян с наличием не столько суммарного белка, сколько с каталитическими свойствами белковых молекул.
Фосфорные соединения, нуклеиновые кислоты и другие. Большие изменения происходят и в составе фосфорных соединений. В зародышах нежизнеспособных семян содержится несколько больше неорганического фосфора за счет гидролиза фитина, но снижено содержание фосфора эфиров гексоз и триоз, свободных нуклеотидов и особенно липидного фосфора. Учитывая важную роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белков и других метаболитов, а также в процессах формирования клеточных структур при прорастании семян, можно предположить, что одной из причин потери жизнеспособности семян при длительном хранении является нарушение обмена нуклеиновых кислот.
В зародышах жизнеспособных семян кукурузы содержание РНК увеличивается по мере их развития, в то время как у нежизнеспособных оно не растет как в период набухания, так и при дальнейшем нахождении семян в условиях, благоприятных для прорастания. В процессе прорастания жизнеспособных зерен наблюдается и значительное увеличение содержания ДНК, тогда как у потерявших всхожесть оно возрастает, но незначительно. Эти факты говорят о том, что при длительном хранении снижается не только количество нуклеиновых кислот в семенах, но и подавляются системы, участвующие в их новообразовании.
У семян, потерявших всхожесть при длительном хранении, уменьшено содержание органических кислот, но в разной степени. По мере снижения жизнеспособности семян зерновых культур в них уменьшается количество лимонной кислоты. То же наблюдается и у гороха, нута, фасоли, тыквы, арбуза, дыни, льна, арахиса и подсолнечника. Для них характерно и низкое содержание яблочной, винной и янтарной кислот. В некоторых семенах в больших количествах накапливается молочная кислота. Возможно, что потеря всхожести семян связана с токсическим действием высоких концентраций молочной кислоты на эмбриональные ткани зародыша.
Витамины. Жизненно необходимыми веществами являются и витамины. Они в качестве активной группы входят в состав многих ферментов. Но витамины играют положительную роль, если их количество достигает уровня, необходимого для нормального обеспечения тканей. Как известно, недостаток или избыток витаминов приводит к существенным нарушениям физиологических процессов в вегетирующих частях растений и в семенах.
В процессе хранения семян одновременно со снижением всхожести уменьшается и количество витаминов. Так, в семенах пшеницы со всхожестью 30% содержалось витаминов B1, В2 и РР соответственно 1,8; 1,5 и 13,4 мкг/г, а со всхожестью 90% — 3,2; 3,4 и 15,8 мкг/г. То же наблюдается и в семенах риса. При хранении семян пшеницы в течение 3 лет содержание фосфорилироваиной формы витамина В6 — пиродоксал 5-фосфата уменьшается в 4 раза. О том, что витамин В6 играет большую роль в нормальной жизнедеятельности семян, говорит тот факт, что при введении его в старые семена увеличивается накопление пиродоксал 5-фосфата и повышаются всхожесть и рост проростков.
Значительное уменьшение количества витамина РР и амида никотиновой кислоты установлено и в невсхожих семенах гороха, дыни, тыквы, арахиса, сои, сосны, подсолнечника, кукурузы, чечевицы.
При хранении снижается и содержание витамина E. Например, у пшеницы за 6 месяцев хранения количество витамина E уменьшилось на 5—10%. Еще больше оно снижается с потерей всхожести. Так, содержание этого витамина составляло (в расчете на сухой вес) в семенах пшеницы 30—40%-ной всхожестью 2,5 мг% и кукурузы — 7,1 мг%, а в семенах со всхожестью 90% — соответственно 4,6 и 7,6 мг%. Аналогичное явление в отношении этого витамина установлено в семенах пустынных растений.
Так как токоферолы являются естественными антиоксидантами, уменьшение их количества открывает пути для окисления каратиноидов и жирных кислот в семенах, что может быть одной из причин снижения жизнеспособности семян.
Если содержание витаминов В1, В2, РР и витамина Е по мере хранения семян уменьшается, то количество витамина Р увеличивается. Так, в семенах пустынных растений особенно интенсивно витамин Р накапливается в начальные периоды хранения. К годичному сроку его накопление прекращается. Одновременно с этим наблюдается снижение жизнеспособности. Если у свежесобранных семян саксаула и кейреука, имеющих 100%-ную всхожесть, содержание витамина Р составляло 669 и 315 мг%, то у потерявших всхожесть — соответственно 1713 и 1122 мг%.
Можно сделать вывод, что уменьшение содержания витаминов при хранении не только снижает пищевые качества зерна, но и сказывается на процессах обмена веществ, так как витамины являются часто активной группой ряда весьма важных ферментов. Их недостаток снижает ферментативную активность соответствующих белков. Если же дополнительно обеспечить семена витаминами (замачивание в растворах этих соединений), то активируется деятельность дегидрогеназ, аминофераз и других ферментов, что стимулирует прорастание семян и рост проростков. Недавно получены новые данные о благоприятном влиянии этих метаболитов на жизнедеятельность семян ряда культур. Предпосевная обработка семян ржи и пшеницы витаминами B1 и РР улучшала рост и развитие растений, повышала урожай озимой ржи на 11,1—32%, а озимой пшеницы — на 20—25%. Установлено стимулирующее действие и других витаминов на прорастание семян винограда, цитрусовых, хлопчатника, сахарной свеклы, моркови, ячменя, гороха, сорго, огурцов и др.
Микрофлора. Действие микрофлоры также значительно снижает всхожесть семян при хранении, особенно в условиях повышенной влажности и температуры. Даже небольшое повышение влажности семян многих культур способствует развитию микроорганизмов, причем при различной влажности развиваются разные виды грибов. На пшенице главные виды — это аспергиллус, пенициллиум и микрококки.
Сравнительное изучение развития микрофлоры на зародыше и эндосперме зерна пшеницы показало, что грибы развиваются особенно интенсивно на зародыше. Между тем известно, что даже незначительное травмирование зародышей приводит к резкому снижению всхожести семян.
Для предотвращения развития микрофлоры на семенах при хранении применяют ультрафиолетовые лучи, ультразвук, высокочастотное электромагнитное поле, инфракрасные лучи, повышенные или пониженные температуры. Однако наиболее эффективным способом борьбы является использование фунгицидов в качестве протравителей. Их применяют в виде порошка, растворов или эмульсий и в газообразном состоянии. Наиболее широко в сельскохозяйственной практике используют следующие препараты: гранозан, меркуран, ТМТД, метилбромид, хлорпикрин, металлилхлорид, дихлорэтан и др.
Дыхание. Очень важным показателем при хранении семян является дыхание. Этот процесс, протекающий в каждой живой клетке, сопровождается выделением энергии. При этом происходит распад запасных органических веществ, который обеспечивает приток энергии, необходимой для нормальной жизнедеятельности организма. Исходными продуктами дыхания в семенах являются главным образом свободные или получаемые при гидролизе крахмала сахара и жиры у семян масличных культур.
В зерне в зависимости от того, в каких условиях оно находится, могут протекать два типа дыхания: аэробное (с доступом воздуха) и анаэробное (брожение). При таком типе дыхания происходит неполный гидролиз сахаров и образуется в большом количестве этиловый спирт, что ведет к отмиранию живых тканей семени.
Интенсивность дыхания зависит от целого ряда факторов. В первую очередь на интенсивность дыхания влияет проницаемость оболочки семян для газов. Помимо этого, на дыхание оказывает большое влияние влажность семян и температура тканей. Чем выше влажность зерна, тем интенсивнее оно дышит. При этом дыхание семян, поврежденных действием высокой температуры, более интенсивное, чем дыхание нормального зерна.
При повышенной влажности, особенно при высокой температуре, интенсивно протекают процессы обмена в семенах. Дыхание свежесобранных семян довольно значительное, что связано с большой влажностью семян. Действительно, у семян с повышенной влажностью дыхание протекает более интенсивно, чем у сухих.
Важно отметить, что усиление дыхания семян начинается тогда, когда влажность достигает критической величины. Пока влажность не превышает 14—15%, интенсивность дыхания незначительна. Как только влажность превышает эту величину, резко возрастает интенсивность дыхания. Это связано с тем, что при влажности до 14—15% влага в зерне находится в виде так называемой связанной воды. Связанная вода очень прочно соединена с коллоидами, в первую очередь с белками, поэтому не является растворителем и той средой, которая необходима для протекания всех биохимических реакций. При увеличении влажности выше 14—15% появляется свободная вода, в результате чего резко увеличивается скорость биохимических реакций, а, следовательно, и скорость дыхания. Именно поэтому сухое зерно хорошо хранится и ре подвергается самосогреванию, тогда как зерно влажное, имеющее высокую интенсивность дыхания, быстро согревается и подвергается порче. Критическая влажность для семян злаков и бобовых культур (за исключением сои) составляет 14—15%.
Масличные культуры в этом отношении отличаются от зерновых. Их семена начинают интенсивно дышать уже при влажности выше 8—9%. У хлопчатника подъем интенсивности дыхания начинается, когда в семенах 12—13% влаги, и продолжает возрастать по мере повышения ее содержания. Это объясняется тем, что семена масличных культур имеют высокое содержание жира. Жиры — гидрофобные вещества и поэтому не-связывают воду.
Особенно резко увеличивается интенсивность дыхания при одновременном повышении влажности семян и температуры их хранения. Так, при повышении влажности семян пшеницы на 1,6% (с 14,4 до 16%) дыхание возрастает в 5 раз, на 6,6% — более чем в 250 раз, а у овса — более чем в 400 раз. При повышении влажности семян капусты с 8 до 9,5% интенсивность дыхания увеличилась в 3 раза, огурцов — в 2 раза, помидоров с 9,5 до 11,5% — в 8 раз. Интенсивность дыхания семян овса при повышении температуры с 15 до 25° С возрастает в 10—20 раз.
В. Л. Кретович и А. П. Прохорова установили, что наиболее энергичное дыхание влажных семян пшеницы наблюдается при 50—55° С. Более высокая температура приводит к сильному снижению дыхания семян и к их гибели. Если семена находятся при температуре 50—55° С более длительный срок, то они начинают отмирать, что снижает активность дыхательных ферментов и интенсивность дыхания. По мере хранения в результате постепенной потери семенами жизнеспособности интенсивность дыхания падает. Так, у пшеницы, хранившейся в течение 20 лет и потерявшей всхожесть, дыхание практически отсутствовало. Аналогичное явление наблюдается и у других растений.
Если при влажности выше критической происходит интенсивное использование углеводов и жиров для дыхания, то при низкой влажности зерна и пониженной температуре его хранения потери сухого вещества на дыхание настолько уменьшаются, что практически не поддаются учету. В этих случаях жизнеспособность сохраняется в течение долгого времени и семена дают полноценные растения. Например, при влажности овса 17% и температуре хранения 25° С за 3 месяца на дыхание израсходовано 0,26% сухого вещества, а при влажности 15% и температуре 5° С — всего 0,001%.
Кроме влажности и температуры, на интенсивность дыхания семян важное влияние оказывают доступ к ним воздуха, а также содержание углекислого газа и кислорода. Например, установлено, что усиленное вентилирование хранящегося зерна значительно повышает интенсивность его дыхания, так как возрастает концентрация кислорода. В то же время повышенное содержание в воздухе углекислого газа сильно снижает ее, особенно у влажного зерна. Углекислый газ не только снижает уровень дыхания семян, но и оказывает на них токсическое действие, вызывая падение жизнеспособности. Именно поэтому хранящееся семенное зерно необходимо систематически проветривать.
Приведенные факты говорят о том, что высокая влажность семян, особенно при повышенной температуре, усиливает в них процессы дыхания, что ускоряет потерю их жизнеспособности. Таким образом, интенсивность дыхания может быть одним из факторов, определяющих долговечность хранящегося зерна.
Ферменты. Как отмечалось выше, при хранении семян, особенно с повышенной влажностью, происходят глубокие изменения в обмене: растет интенсивность дыхания, снижается содержание сахаров, жиров, белков и других соединений, изменяется и их качественный состав. Нарушения ведут к накоплению продуктов обмена, токсически действующих на ткани семян. Это не может не сказаться на активности ферментного аппарата. Так, в процессе хранения зерна заметно уменьшается активность протеиназ. Например, в пшенице, хранившейся в закупоренных бутылках при 18° С и высокой влажности в течение 2 лет, активность протеиназ снизилась на 67%. Отмечается также снижение активности липазы. Например, в процессе 10-летнего хранения клещевины активность липазы снизилась на 25%, а это ведет к падению всхожести.
Еще в начале нашего века было установлено, что потеря всхожести семян непосредственно связана с ферментативной активностью. В связи с этим многие исследователи пытались использовать активность ферментов как критерий жизнеспособности семян. При работе с семенами овса и гороха, потерявшими всхожесть при длительном хранении, выяснилось, что чем жизнеспособнее семена, тем активнее фермент каталаза. Но этот способ определения жизнеспособности семян оказался ненадежным, так как результаты определения зависят от физиологического состояния семян и от условий, в которых проводится анализ. Кроме того, нежизнеспособные семена некоторых растений обладают каталазной активностью.
Для определения жизнеспособности семян было предложено использовать также активность пероксидазы, фосфатазы, амилазы, фенолазы и других ферментов. Оказалось, что активность этих ферментов снижается по мере потери семенами жизнеспособности. Однако эти показатели нельзя было использовать для определения жизнеспособности семян, так как во всех случаях не удается ответить на вопрос, какие семена в партии живые и какие мертвые.
Впервые разработал надежный метод определения жизнеспособности семян с помощью индигокармина Д. Н. Нелюбов в 1925 г. Помещая семена на 2—5 ч в 0,2%-ный раствор этого красителя, он установил, что клетки мертвых семян легко пропускают краску из-за нарушения структуры протоплазмы, и они окрашиваются в синий цвет. В живые же семена краска не проникает. Подсчитав в пробе количество неокрашенных зерен, Д. Н. Нелюбов определил всхожесть. Одновременно для контроля он устанавливал всхожесть и по общепринятому методу проращивания.
В качестве примера приведем некоторые данные из его замечательной работы. Так, при определении проращиванием всхожести у гороха она составляла 98%, у овса — 97—99, у пшеницы — 8, у клевера — 12—15%, а при окрашивании индигокармином — соответственно 95, 90, 3 и 16—19,5%. На основании этих опытов Д. Н. Нелюбов пришел к заключению, что индигокармин дает вполне надежные показания относительно всхожести и уже через несколько часов можно получить определенный результат.
Работы Д. Н. Нелюбова не только опровергли сомнения в возможности определения жизнеспособности семян биохимическим методам, но и побудили к поиску новых, еще более удобных для этой дели красящих веществ.
А. А. Гуревич (1935, 1936 гг.) предложил использовать для определения жизнеспособности семян динитробензол. Всхожие семена, восстанавливая динитробензол, окрашиваются в темно-пурпурный цвет. Но этот метод не нашел практического использования, так как динитробензол — сильноядовитое вещество.
Было предложено для этой цели использовать также бесцветные соли селена. Они живыми клетками семян восстанавливаются до красноватого или черноватого цвета. Однако метод окрашивания семян с помощью солей селена не в полной мере отвечал требованиям практики, а к тому же эти соли обладали токсическими свойствами и имели неприятный запах.
Доктор Г. Лакон из Германии в 1942 г. показал, что если семена овса, пшеницы, ржи и ячменя поместить на несколько часов в 0,5%-ный раствор 2,3,5-трифенилтетразола (тетразол), то бесцветный раствор в присутствии живых семян превращается в ярко-красное соединение, называемое формазаном. Зародыши таких семян окрашиваются в красный цвет, а у неживых остаются неокрашенными. Таким образом, в течение нескольких часов можно точно определить всхожесть семян. В настоящее время этот метод стал одним из распространенных для ее определения у самых различных культур. Например, в нашей стране этим методом проверяется несколько миллионов тонн семян пшеницы, ржи, ячменя, овса, кукурузы, риса, гороха, фасоли, сон, люпина, вики, подсолнечника, льна, конопли, арбуза, огурцов, капусты и многих других.
Ученые изучили ферменты, участвующие в превращении бесцветного красителя. Было установлено, что восстанавливают бесцветный тетразол в формазан дегидрогеназы — ферменты, катализирующие реакции дегидрирования, т. е. передачи водорода органических соединений другим веществам, выполняющим роль акцепторов водорода. Соли тетразола имеют низкий окислительно-восстановительный потенциал и потому являются чувствительными индикаторами восстановительных систем. С помощью тетразольного метода удалось определить активность различных дегидрогеназ.
Ослабление жизненных функций и полная потеря всхожести зерна в процессе его длительного хранения связаны прежде всего со снижением активности окислительно-восстановительных ферментов, в частности дегидрогеназ. Это коррелирует с жизнеспособностью семян. Следует заметить, что при воздействии на семена неблагоприятных факторов (действие высокой температуры, фторида натрия, сорбиновой кислоты и др.), подавляющих активность дегидрогеназ, снижается и жизнеспособность семян.
По мере снижения жизнеспособности изменяется и электрофоретическая подвижность изоферментов дегидрогеназ. В зародышах жизнеспособных семян кукурузы активность изоферментов увеличивается по мере набухания семян. В семенах же, потерявших всхожесть в процессе длительного хранения, активность изоферментов резко снижена.
К сожалению, до сих пор отсутствуют обстоятельные исследования о причинах потери активности дегидрогеназ при хранении. Выяснение их имеет важное значение для понимания тех изменений, которые ответственны за снижение жизненности семян.
Для определения жизнеспособности семян в настоящее время наряду с тетразолом применяют индигокармин и кислый фуксин. В противоположность тетразолу эти вещества окрашивают мертвые ткани семени, а живые остаются неокрашенными. Индигокармин дает синее окрашивание, а кислый фуксин — розово-красное. Для окрашивания используют 0,1%-ный раствор этих красителей. Этот метод определения жизнеспособности применяют для многих зерновых, овощных и бобовых культур.
Приведенные факты говорят о том, что биохимические методы определения жизнеспособности семян не только позволяют быстро и легко определить посевные качества семян, но и помогают приблизиться к пониманию причин, обусловливающих потерю их всхожести. Это, в свою очередь, открывает широкие возможности к поиску новых эффективных приемов, улучшающих прорастание и всхожесть семян возделываемых культур.