Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей коллектива авторов из Китайской академии сельскохозяйственных наук, в которой приводятся доказательства пользы глюкозы для пшеницы.
Углеводы широко применяются в сельскохозяйственном производстве в качестве экзогенных регуляторов для повышения роста растений и урожайности.
Глюкоза, простой, но высокореакционноспособный углевод, играет фундаментальную роль в росте растений и как питательное вещество, и как сигнальная молекула. Она регулирует ряд метаболических процессов, включая рост корней, фотосинтез, цветение и старение.
Производные глюкозы, в которых замещены определенные атомы или группы в глюкозе, могут аналогичным образом регулировать метаболизм растений и проявлять свойства, аналогичные свойствам глюкозы, включая высокую биоактивность, биосовместимость, биоразлагаемость и хелатирующую способность.
Некоторые производные продемонстрировали более высокую растворимость, стабильность, антибактериальные свойства и антиоксидантную активность, чем просто глюкоза, что позволяет предположить, что структурные различия могут существенно влиять на их функцию.
Например, сахарные спирты (например, сорбит) усиливают осмотический потенциал и повышают устойчивость растений к стрессу, что объясняется наличием в них множественных гидроксильных групп (-ОН). Сахарные кислоты (например, глюконовая и глюкуроновая кислоты) содержат карбоксильные группы (-СООН), которые обеспечивают отрицательный заряд, способствующий катионному хелатированию.
Эти достижения открывают новые возможности для разработки биостимуляторов на основе углерода с заданной структурой; однако комплексные и систематические оценки эффективности различных производных глюкозы до сих пор отсутствуют.
Было показано, что экзогенное внесение глюкозы заметно увеличивает биомассу сельскохозяйственных культур и поглощение питательных веществ. Агрономические эффекты производных глюкозы определяются кислородсодержащими функциональными группами, которые они несут.
Альдегидные группы (-CHO) могут служить акцепторами или донорами электронов в дыхательных путях и поставлять углеродные скелеты для биосинтеза ауксина, тем самым быстро модулируя ветвление корней и метаболизм CN. А ненасыщенные карбонилы дополнительно образуют ковалентные аддукты с тиолами белков, запуская защитную сигнализацию. Гидроксильные группы (-OH) устанавливают обширные сети водородных связей с водой, повышают водный потенциал клеток и стабилизируют мембраны, обеспечивая устойчивость к засухе и засолению; их способность отдавать водород лежит в основе активности по улавливанию радикалов, а полиолы, содержащие только -ОН (например, сорбит), как было показано, облегчают транспорт нитрата по флоэме на большие расстояния и способствуют синтезу хлорофилла.
Карбоксильные группы (-COOH) диссоциируют с образованием отрицательно заряженных видов, которые хелатируют Fe3 + , Zn2 + и другие катионы, одновременно буферизуя pH ризосферы, тем самым увеличивая биодоступность микроэлементов.
Глюконовая кислота и глюкуроновая кислота также, как было показано, улучшают физиологические процессы растений и рост корней. Следовательно, конфигурация функциональной группы является основным химическим фактором, определяющим действие биостимуляторов на основе углеводов. Тем не менее, большинство исследований посвящено одному углеводу, а систематические сравнения производных с преобладанием -ОН, -СНО и -СООН в рамках одной системы сельскохозяйственных культур отсутствуют, что ограничивает механистическое понимание и сдерживает рациональное использование производных глюкозы в устойчивом сельском хозяйстве.
Концентрация углеводов является ключевым фактором, влияющим на физиологические эффекты роста сельскохозяйственных культур. Предыдущие исследования показали, что концентрации глюкозы 1%, 3% и 5% оказывают двухфазное действие на корни Arabidopsis, при этом длина корней и количество боковых корней достигают пика при 3%, но снижаются при более высоких уровнях.
В целом, высокие концентрации углеводов имеют тенденцию оказывать дозозависимое ингибирующее действие, тогда как более низкие концентрации более эффективно стимулируют фотосинтез, развитие корней и цветение. Кроме того, оптимальная концентрация также зависит от типов углеводов. Например, в одном исследовании 30 мг/л глюкозы способствовали пролиферации органов банана, тогда как сорбит подавлял рост при всех протестированных концентрациях. Однако механизмы, посредством которых концентрация и структурная специфичность глюкозы и ее производных совместно влияют на развитие растений, остаются неясными. Устранение этого пробела имеет важное значение для оптимизации стратегий роста на основе углеводов в сельском хозяйстве.
«Чтобы выделить влияние функциональных групп на один и тот же остов C6, мы выбрали глюкозу, сорбит, глюконовую и глюкуроновую кислоты, представляющие структуры -CHO, поли-OH, -COOH и -COOH + -CHO соответственно. Был проведён полностью рандомизированный гидропонный эксперимент для количественной оценки их различного влияния на рост пшеницы и усвоение питательных веществ при различных концентрациях, что позволило выяснить, как различные функциональные группы модулируют биостимулирующую активность производных углеводов», - отмечают авторы работы.
Глюкоза (Glc), сорбит (Sbt), глюконовая кислота (GlcA) и глюкуроновая кислота (GroA) применялись к проросткам пшеницы в концентрациях 10, 25 и 50 мг/л, поскольку этот диапазон лежит в пределах физиологического «безопасного окна» растворимых в ризосфере сахаров (0,01–0,5 ммоль/л), улучшает усвоение питательных веществ и не вызывает осмотического стресса или токсичности. Питательный раствор Хогланда без Glc, Sbt, GlcA или GroA был использован в качестве контроля.
Таким образом, в качестве факторов обработки использовались глюкоза (Glc, -CHO), сорбит (Sbt, -OH), глюконовая кислота (GlcA, -COOH) и глюкуроновая кислота (GroA, -COOH; -CHO), тем самым максимизируя вариации кислородсодержащих функциональных групп при сохранении постоянной основной цепи углерода C6. Был проведен полностью рандомизированный гидропонный эксперимент с четырьмя уровнями концентрации (0, 10, 25 и 50 мг/л ) для систематического выяснения того, как глюкоза и ее производные влияют на рост пшеницы и усвоение питательных веществ, а также для выяснения роли химии функциональных групп в эффективности биостимуляторов на основе углерода.
Все углеводные обработки значительно улучшили сухое вещество пшеницы (17,50–35,00%) и усвоение питательных веществ (N: 17,12–32,18%, P: 21,73–36,97%, K: 12,28–30,51%) по сравнению с контролем, в первую очередь за счет стимулирования корневой силы и усвоения питательных веществ.
Среди четырех углеводов вариант с Glc показал наибольший стимулирующий эффект, значительно повысив корневую силу. Вариант Sbt в первую очередь способствовал удлинению корней и площади поверхности, тогда как GlcA и GroA были немного менее эффективны, но все еще способствовали усвоению питательных веществ. Оптимальные концентрации составили 10 мг/л для Glc и 25 мг/л для его производных.
Эти результаты служат практическим руководством для повышения эффективности использования питательных веществ и продуктивности сельскохозяйственных культур с использованием структурно-целевых углеводов для устойчивого сельского хозяйства.
Источник: Agronomy 2025, doi.org/10.3390/agronomy15092054
