Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ХЛОРОПЛАСТОВ В СВЯЗИ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ РАСТЕНИЙ К ТЕМНОТЕ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ ХЛОРОПЛАСТОВ В СВЯЗИ С УСТОЙЧИВОСТЬЮ РАСТЕНИЙ К ТЕМНОТЕ"

: МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ нменн К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи Галина Михайловна НОВИКОВА

функциональная активность

хлоропластов в связи

с устойчивостью растений к темноте

(Специальность № 03.00.12 — физиология растений)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА - 1073

/

с*?

Г

Диссертационная работа выполнена на кафедре физиологии растений Московской ордена Ленина и ордена- Трудового Красного, Знамени сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева, ^

Научный руководитель— доктор сельскохозяйственных наук В. М. Леман:

Официальные ; оппоненты: доктор биологических наук-А.,Ф. Клешник, кандидат биологических наук И. С. Малкнна.

Ведущее предприятие — Московский-государственный университет имцМ. В: Ломоносова:

Автореферат разослан «/У» .0Л4744/Н-'. . 1973 г.

Защита диссертации состоится < 1$ ъ ./шам 1973 г, в . ¡й час. на заседании Ученого совета агрономического факультета ТСХА. " ^

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ-ТСХА. Просим Вас принять личное участнг в работе указанного Сонета или прислать письменный отзыв на данный автореферат по адресу: Москва 125008, Тимирязевская ул., 47, кор-. пус 8, Ученый совет ТСХА.

^ Отзывы, заверенные печатью, просьба направлять, в двух экземплярах.

Ученый секретарь ТСХА С-^-О-^—^--

Ф. А. Девочкшг

' гв-< (0) [ Ю/590-000000£05Е и

¿zu гв'ю-ео има —

и 1еен(-г8| эш«* ш*лг и гее яэггт

б-гзг^

(гге^о) 90*9*319

•вндоэои н ннмноэьд — аинэтгэяо<1е я г>_[_ — »овохэ^у

*3 'видоэои н ияинд^ь^ — аинэтгэяойввох — ениншХц ■ | — —

*еие 000*53 и 58 : д

из zz -ч™

¿82 — "5861 'еяииононе : — * [яокХяннхэх иоом В1/1Г миндэь/;| : вя<1иэ о^нохэм-онтХн эинэчгэяоиево! -

'вняэнсЦниЧ/ Е|11Гнвэяэ1*у 'воэсйэаэйэи

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь зеленого растения неразрывно связана со светом, который регулирует множество физиологических функций растительного организма. Действие его на растения постоянно сменяется действием темноты, а так как эти факторы среды в теченне суток и года изменяются строго закономерно растения в ходе эволюционного развития выработали к ним специфические требования. Отсюда вытекает необходимость знания реакции растений как на каждый из этих факторов, так и на их определенные сочетания.

В литературе представлен обширный материал о роли света в жизни растений- Влияние длительного полного отсутствия света на растения исследовано еще недостаточно. Как показали исследования последних лет, изучение реакции растений на длительную темноту может быть плодотворным при установлении фотопериодическон природы растении (Баврина, 1965; Агаев. 1970), биохимических особенностей растений, различающихся устойчивостью к неблагоприятным воздействиям (Толмачев,- 1946), исследовании взаимосвязи структуры и функции хлоропластов {Годнее, 1969; Оснпова, 1970), механизмов регулирующего действия света на ростовые и формообразовательные процессы у растений (Шманаева, 1970).

Исследование реакции растений на длительное затемненнг представляет также самостоятельный интерес в связи с проблемой выживаемости и устойчивости организмов в неблагоприятных условиях внешней среды. . #

В изучении влияния длительной темноты на зеленые растения важным является исследование состояния фотосннтетиче-ского аппарата, формирование и функциональная активность которого связаны со светом.

Целью нашей работы было изучение действия длительного затемнения и.поелетемнового освещения на состояние фотосинтетического аппарата зеленых растений огурцов, показателями которого служили рост листьев, фотохимические реакции н фототаксис хлоропластов. Эти показатели исследованы при

иадлействш ил растения ряда факторов, п связи с чем были использованы 2 метода статистического планирования многофакторных экспериментов—дисперсионный и регрессионны Г: анализы. Действие темноты на фотосинтетический аппарат исследовано в зависимости от интенсивности предтемнового освещения растений, температуры воздуха в темноте и продолжительности затемнения; последействие темноты—в зависимости от интенсивности предтемнового освещения, температуры воздуха при затемнении, а также интенсивности и продолжительности послетемнового освещения. Метод,, многофакторных экспериментов можно считать весьма перспективным методом исследования фотосинтеза растений (Мичипоро-вич, 1966; Хит, 1972).

МЕТОДИКА

Работа проведена в лаборатории искусственного климат«-! кафедры физиологии растений ТСХА, Объект исследования— 15—18-дневные растения огурцов сорта Тепличный многоплодный, Растения выращивали в водной культуре на питательной смеси Кнола (концентрация солей 0,25—0,5 от. полной нормы) в условиях регулируемой температуры воздуха-* днем 20°, ночью 16°, при фотопериоде 16 часов и освещении люминесцентными лампами ЛДЦ-30. Схему опытов мы задавали согласно теории планирования экспериментов (Налимов, Чернова, 1965; Максимов, Федоров, 1969). Экспериментальную работу условно можно разделить на 2 части; А— \ действие темноты, Б — последействие темноты на фотосинте* тпческий аппарат. В этих экспериментах постоянными уело* ■ внями были: возраст исследуемых растений, состав питательной среды, температура воздуха при выращивании растении, фотопериод,: Уровни этих факторов приведены выше.

Изучаемые (регулируемые) факторы: 1) интенсивность света при выращивании растений—1 тыс, лк (16000 эрг/см2-сек), 8 тыс. лк (32000 эрг/смг*сек), 14 тыс. лк (56000 эрг/см^-сек); 2) температура воздуха в темноте — 14", 20°, 32®; 3) продолжительность затемнения—2, 4, б суток; 4) интенсивность света при Поелетечновом освещении растений — 4 тыс. лк (16000 эрг/смг-сек); 8-тыс. лк (32000 эрг;см1-сек), 14 тыс. лк (56000 эрг/см2-сек); 5) продолжительность поелетемнового освещения — 2,„4, 6 суток.

Для изучения действия темноты растения помешали в воздухопроницаемые яшики, где создавали требуемые температурные условия. Последействие темноты изучали при после-темновом освещении растений при тех же уровнях постоянных факторов — состав питательной среды, температура воздуха и фотопериод.

Во всех вариантах опытов 'пород помещением растений в темноту при воздействии темнотой и послстемновом освещении растений проводили визуальные наблюдения за состоянием растении, определяли сухой вес листьев, фотохимическую активность изолированных хлоропластои по,реакции Хилла с КэРе(С\')6 и фотосинтетннескому фосфорилйрованию с ФЛШ (Лгиоп. 1956; Бабицкий, 1969; Быков, Соловьева, 1969; Люто-па, 1971), Изучали движение хлоропластов—подсчитывали число клеток с определенным 'положением хлоропластом нл поперечных срезах листьев при увеличении в 600 раз. Для регистрации положения хлоропластов использовали также микрофотографию (Богачева, 1963), Пробы брали всегда в од^о и то же время суток — 11 часов, чтобы не учитывать влияния эндогенных ритмов на изучаемый процесс.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

А, Действие темноты на состояние фотосинтетического

аппарата

I. Дисперсионный анализ

Нам предстояло найти кат и чест венные закономерности действия исследуемых факторов на фотосинтетическнп аппарат растении..

Использовали 2 подхода: 1-й подход — планировали эксперименты по схеме дисперсионного анализа (Ашмарин, Васильев, Амбросов, 1971) с целью нахождения уровня факторов, при которых изучаемые показатели значимо отличаются в смысле статистического критерия дисперсионного анализа с тем, чтобы эти уровни факторов использовать в более сложных многофакторных экспериментах с применением планирования по принципу регрессионного анализа (2-й подход) (Максимов, Федоров, 1969),

Результаты исследования содержания сухого вещества в листьях, фотохимической активности и фототаксиса хлоропла-стов в зависимости от интенсивности освещения при выращивании растений показали существенные различия изучаемых показателей только у растений, выращенных при высокой (14 тыс. лк) и низкой (4 тыс, лк) ннтенсивностих света. Варьирование интенсивности света от 4 тыс. лк до 8 тыс, л к вызывает недостоверное изменение этих показателей. Статистически недостоверные изменения изучаемых показателей (исключая фототаксис) 'Показаны также при воздействии на растения темноты при 32° и продолжительности затемнения 4 суток. Это позволило нам исключить из числа изучаемых факторов интенсивность света при выращивании растений

8 тыс. лк., продолжительность темноты 4 суток и температуру при затемнении 32°, так как эти факторы не оказывали достоверного влияния на изучаемые показатели. Экспериментальный материал по данному разделу содержится в 12 таблицах.

2. Регрессионный анализ

С целью получения количественных оценок и направленности независимого действия факторов, а также их взаимодействия мы применили планирование экспериментов по ме-трду регрессионного анализа. Результаты таких экспериментов дают возможность рассчитать уравнение, по виду которого можно судить о величине и направленности действия исследуемых факторов. В табл. 1 приведены исходные условия для планирования'экспериментов при изучении действия темноты на фотосинтетический аппарат.

Таблица I

Начальные условна для планирования 3-фа к торных экспериментов

» Название X,—интенсивность света, тыс. л к. Хг—число суток TC4HOTU X}—температура поздула в темноте, "С

Нулевой' уровень...... 9 4 17

Интервал варьирования . 5 2 3

Нижний уровень..... 4 '> 14 •

Нермнш! уровень , . . . ■ . ". 14 6 21)

Для решения нашей задачи план экспериментов строится с использованием только 2-х уровней каждого фактора (Налимов, .Чернова, 1965; Максимов, Федор'ов, 1969).

Один из планов экспериментов по методу регрессионного анализа представлен в табл. 2. Каждый, из 8 опытов {см. Табл. 2) ставили в 3-кратной повторности, вычисляли среднее значение показателя, дисперсию, стандартную ошибку. На основании этих экспериментальных, данных рассчитывали регрессионное уравнение, адекватность которого оценивали,по статистическим критериям (F и t — критерии).

а) Рост листьев.: t

■ ч

Известно, что растения, находящиеся длительное время в темноте, постепенно теряют сухой вес {Hewitt, Curtis,- 1948; Moyse, 1950; Днлоз л др., 1962; Шманаева, 1970),

4

Та б .1 и Ц я 2 Сухой вес листьев- в зависимости от 3-х'факторов:

Л», X) — интен- X) — число Ха—темпера- У*—г/1

сивность света. тура воздуха

(>п и та тыс. ли. суток темноты в темноте, 'С растение

■ , 14. 6 20 0.30 ±0,054

О , • 14 2 14 <>,38*0.04

3 14 о 20 0.37 ±0.05

4 4 2 20 0,1Э±0.03

5 ■ 4 6 14 0,13^0,025

6 , 4 2 14 0,16^:0,004

7 4 6 20 0,16-0,02

8 14 6 14, ■ 0,32 ±0

У=0,25+0.09 Х1—0,02 Х^+0,004 .X»—0,0к Х,г—0,01 Х«—0,001 Хп (!)

Это явление наблюдалось и в наших опытах, на что указывает отрицательный коэффициент— 0,02 Х2 уравнения (!)•

У растений, выращенных при высокой интенсивности света, быстрее совершается распад сухого вещества в темноте, о чем свидетельствует отрицательный коэффициент регрессионного уравнения— 0,01 Хи, отражающий взаимное влияние интенсивности света прн выращивании растений и продолжи^ тельности затемнения на содержание сухого вещества в листьях. Взаимодействие факторов обычно.свидетельствует о том, что в сложных системах, какими являются растения, не наблюдается простого суммирования воздействия нескольких, факторов на показатель этой системы. Коэффициенты взаимодействия указывают на существование изменении показателей исследуемого процесса при изменении уровнен 2-х и более факторов.

Убыль сухого вещества в темноте определяется также температурой воздуха и временем пребывания растений в темноте. При оценке действия каждого из этих факторов на содер^ якание сухого вещества листьев с учетом уровня других действующих факторов показало, что потеря листьями сухого вещества усиливается при увеличении продолжительности* затемнения и температуры воздуха в темноте, на что указывает коэффициент при Хгз'уравнения (1).

Таким образом, в результате темнового метаболизма происходит убыль сухого вещества листьев, причем скорость этого процесса увеличивается при переходе от низких уровней исследованных нами взаимодействующих факторов к высоким;

б) Фотохимические реакции изолированных хлоропластов.

Функциональную активность хлоропластов при длительном затемнении было интересно связать с интенсивностью света, при которой они формировались.

Фотохимическая активность хлоропластов, о которой можно судить по скорости реакции Хилла и фотосинтетическою фосфорилирования, зависит от условии освещения при выращивании растении (Чесноков, Рахимов, 1964;,Никитина, 1969; Мухин и др., 1970; Осипова и др., 1971; Eagles, Treharne, 1969). Наши опыты показали (уравнения 2, 3 табл. 3), что пластиды, сформировавшиеся при низкой освещенности (4 тыс. лк), обладают повышенной скоростью фотовосстановления феррицианида (реакция Хилла), но пониженной способностью к циклическому фотофосфорилированию {в присутствии ФМН) по сравнению с хлоропластамн, сформированными при высокой освещенности (14 тыс. лк). Эти данные согласуются с представленными в литературе (Осипова, 1971; Чесноков, Рахимов, 1964),

При помещении растений в темноту фотохимическая активность хлоропластов падает. Подобное явление наблюдалось в других исследованиях (Kumm, French, 1945; Оетктп^. Gorham, 1950; Margulies, Jafjendorf, 1958; Годнее, Шабель-ская, Гвардиян, 1969; Кислюк, Васьковский, 1972; Postius,

Т а 6.1 it цл J -

Ре-кшия Хилла (У|( н активность ф от о ф осфор ил ир о ва н и я ' -(Уг) в зависимости от 3-х 'факторов

опыта Xi-оскс-щенность, тыс. ЛИ. Xj — числи суток Tt?VIIO гы Xj —температура воздуха в гечноте, X У|- ЧКМОЛЬ KiFetCNU мг хлорофилла -час У»- мкмпль T'u мг хлорофилла • час

, 1 11 6 20 II 1.52:6.« 3!) ±1.5

2 14 Н 237 -17,СГ 99,4 ±17

3 14 о 20 124,0 ±10,0 Sfi ±5,3

4 4 20 212.fi tr>«,0 Г>5 ± 4,7

5 i / fi 14 1М,5±26,5 21,4±7,0

6 4 о * 14 243,5 ±31,8 63,5 ±3,0

7 4 f. 20 226 ±21,0 22 -3,1

8 14 , 6 14 H0,G±13,8 22,4 ±60

У,-185-32.5 Xi-17,5Xt-l7,5 Xj-10,0 + 20.0 Хг;1-20,0 Х[3 (2! ■

F = 2<f-' г»«.,. =3. a=±10 У»«51.5+10,0Х,—30,0Xi + l J Xj—6,2 Xutli Х«-1.2Хи (3)

F = 0,4<Frae.i -=3;

б

^соЫ, 1972). В этих работах влияние затемнения на активность хлоропластов рассматривалось без связи с условиями предтемиового освещения растений. Как показали наши опыты (табл. 3, уравнения 2, 3), выращивание растений перед помещением их в темноту при сравнительно высокой интенсивности света приводит к более значительному уменьшению активности фотохимических реакций при увеличении срока выдерживания в темноте. Этот вывод следует из значений коэффициентов взаимодействия — ЮХц; — 6,2 Х12, которые отр-1-жают влияние интенсивности света при выращивании растений и продолжительности затемнення на реакцию Хиллз и фо-тофосфорнлирование.

При изучении устойчивости фотохимических реакции хлоропластов к затемнению в связи с температурными условиями в темноте получено, что изменение скорости фотофосфори-лирования при затемнении не зависит от температуры в изучаемых пределах (коэффициент при Х3 в уравнение 3 [+1,2Хл] не входит в доверительный интервал а = ±:8). В отношении реакции Хнлла обнаружено, что степень падения ее активности в темноте при 204 больше, чем при 14°, одн^коу(как показали опыты по схеме дисперсионного анализа) эта разница заметна только на 1-й 2-е сутки темноты, при увеличении продолжительности затемнения уменьшение скорости реакции Хилла примерно одинаково как при 14а, так и при 20\

В соответствии с существующими и настоящее время представлениями о механизме повреждающего действия темноты на хлоропласты снижение их активности при затемнении может быть связано с нарушением структуры и инактивацией ферментов хлоропластов (Годнев, Шабельская. Гвардиян, 1969), В наших экспериментах наиболее вероятной причиной снижения'функциональной активности хлоропластов является нарушение активности ферментов — участников цепи фотоенн-тетических реакции. Отсутствие существенных структурных изменений хлоропластов подтверждается быстрой регенерацией их активности под действием света и согласуется с результатами других исследователей (Годнев, Шабельская, Гвардиян, 1969; РобНиа, ЛасоЫ, 1972)< Сравнение чувствительности к затемнению отдельных звеньев цепи фотосин тети чески х реакпиГ. на-основании результатов наших опытов {табл. 4) показало, что участок, соответствующий активности фотосистемы II (реакция Хилла) повреждается в меньшей степени, чем участок цепи переноса электронов, включающий фотосистему I (циклическое фотофосфорилирование). Эти результаты согласуются с данными РойИиз, ,1асоЫ (РочИиэ, ^соЫ, 1972), которые интерпретируют это явление как результат того, что реакционная иепь фотосистемы II состоит из менее водораствори-

мых белков и. следовательно, ее активность связана с более высокой степенью структурной организации.

Таким образом, в результате темнового голодания зеленых растений огурцов происходит падение функциональной активности изолированных хлоропластов в большей степени при высоком уровне 2-х факторов—интенсивности свега при выращивании растений и продолжительности воздействия темноты. Температура воздуха в изучаемых пределах существенного влияния на данные процессы не оказывала (см. уравнения 2, 3),

Т а б л и ц а' 4

Сравнение активности реакции Хилла и фотофосфорилировакил при затемнении, %

Темпе- Про.юллительность темноты.

Показатель ратура сутки

eso i.чух а

в темноте, 'С 0 1 о 4 6

Реакция Хилла »...... Н . 20 100 1Ш 70 61 07 52 62 И 4!) 52

Циклическое фотифосфорили-росанне . ...... 14 20 10'J НЮ 41 39 29 33 20 22 11

в) Фототаксис.

Функциональные особенности хлоропластов в известной мере определяются их положением в клетке, В зависимости от условий освещения в результате движения хлоропласты способны менять свое положение, соответственно изменяя при этом усвоение СО?. Благодаря связи между фототаксисом и фотосинтезом по топографии пластид можно в какой-то степени судить об их функциональной активности, а, кроме того, сохранение способности хлоропластов к фототаксическим1перемещениям при воздействии неблагоприятных факторов может служить показателем жизнеспособности'л иста (Бабушкин, 1955; гиггиски гиггиска, 1957; Богачева, 1969; Ломагин, 1967), В нашей работе устойчивость аппарата фототаксиса к затемнению мы проанализировали в связи с условиями освещения растений до затемнения, температурой воздуха во время затемнения и его продолжительностью (табл. 5, уравнение 4).

При затемнении растений хлоропласты сосредотачиваются на двух полюсах клеток. Сохранение хлоропластамн способности к перемещениям зависит от интенсивности предтем^овогс освещения и продолжительности затемнения.

Затемнение вызывает падение числа клеток с хлоропласта-ми, расположенными на боковых стенках, причем чем меньше ■9 ■

интенсивность света до затемнения и дольше растения затем,-нены, тем меньше клеток указанного типа содержится в листьях (см. уравнение

Изучение, влияния температуры воздуха при затемнении на расположение хлоропластов показало, что действие темноты на данный процесс при 14° и 20" не отличается (а«=±б> >1,25.Х3). По-видимому, отсутствие различий в темноусгон-чивости аппарата фототаксиса при изменении температуры в пределах 14—20° связано с тем, что степень варьирования темперзтуры была стишком мала. При увеличении интервала варьирования температуры до 32° повреждающее действие темноты усиливается (данные опытов по схеме дисперсионного анализа).

6 Таблица 5

Фототакнс (парастрифня) в зависимости ог 3-х факторов (действие темноты) '

№ опита Х1 — интенсивность света, тыс. ли. Хг — число суток темноты Хз — температура воздуха в те ч ноте, СС У —% ог числа просмотренных клеток

1 14 6 20 21.2 — 10,4

г 2 14 . 2 14 35,9±3.0

3 14 2 20 39.0 ±5,1

'4 4 2 20 26,4 ±5,3

Г) 4 6 14 10,1 ±2,7

6 4 14 16.8 ±4.2

7 4 . 6 П.6±3,1

8 14 6 И 27,7±6,8

У—21,0-у-7,73 Х(—5.50 1,23 Хз 1-0,23 Хц—1,73Хи—1,.*0 Х^ (*|

К = 0,6<Р гай,. =3,0; а«~6

Полагая, что основным источником 'анергии для движения хлоропластов-служит распад ДТФ (Тагеева, 1965), более длительное сохранение способности к передвижению у хлоропластов растений, предварительно освещавшихся светом высокой интенсивности, можно объяснить высокой интенсивностью фотосинтеза и фотофосфорилирования у этих растений, что приводит к образованию большего количества веществ, богатых макро^ргическимн связями, используемых для энергетических процессов клетки, в том числе и для движения пластид. Этс: свидетельствует о том, что условия предтемнового освещения, как активного фактора - функционального состояния хлоропластов, оказывают весьма существенное влияние на подвижность хлоропластов при выдерживании растении в темноте. Увеличение времени пребывания растений в темноте вызыва-

ет подавление способности хлоропластов к движению из-за ■ сокращения энергетических запасов клетки.

Результатом длительного пребывания растении в темноте является нарушение механизма передвижения хлоропласгои в клетках палисадной паренхимы. Повреждение усилинзетси при увеличении продолжительности затемнения и температуры воздуха в темноте. Высокая интенсивность свста в пред-темновой период ослабляет повреждающее действие темноты на указанный процесс.

- Б. Последействие темноты на состояние фотосинтетического аппарата"

Устойчивость клеток к повреждающим воздействиям и значительной степени определяется их репараторной способностью после прекращения воздействия (Александров, 1956). В наших опытах репарирующим фактором было освещение растении после пребывания их в полной темноте.

Начальные условия плана экспериментов для исследования последействия темноты на фотосинтетический аппарат бы-' -ли те же, что н в таблице 1. Интенсивность поелетемнового освещения растений была такая же, как и пред тем нового (4 и 14 тыс. лк).

а) .Рост листьев;

Освещение растении после длительного затемнения восстанавливает синтетические процессы в листьях, о чем свидетельствует рост_сухого веса листьев в росл етем но пой период.

Степень восстановления"зависнт от ряда факторов.

Более активное протекание синтетических процессов в пос-летемновом периоде характерно для растений, освещавшихся до и после затемнения светом высокой интенсивности. Повышение температуры воздуха при затемнении влияло отрицательно на восстановление синтетических процессов после снятия затемнения (табл. 6, уравнение 5).

Следовательно, восстановление роста листьев после темпового голодания растений указывает на то, что подавление роста в темноте — процесс обратимый.

* б) Фотохимические реакции изолированных хлоропластов.

Изменения скорости фотохимических реакций, вызванные отсутствием света, имеют также обратимый характер. Работы ряда авторов, изучавших воздействие различных экстремальных факторов на процесс фотосинтеза, показали, что он является одной из наиболее чувствительных и вместе с тем легкорепарируемых функций растительных клеток (Жолке-10

t Сухой вес листьев в зависимости от 4-х факторов

Xi — исход- X}—интен- Х3- ЧИСЛО X»—темпе-

Ле. ная интен- сивность ДЬ'СЙ ратуря У — п\

сивность сьета после послетем- v мял уха

опыта света. теуноты, нового в те ч но те, растение

тыс. лк. тыс. л к. освещения СС

1 4 4 г» 14 0,21 ±0,025

о 14 It п И Л,65± 0,054

3 14 4 0 Н 0,4 6 ±0,030

4 14 4 2 20 0.34 ±0,035

О 4 14 6 14 0.67 ±0.102

Г, 4 14 '2 20 0.2 Г± 0.024

•1 4 4 6 20 0,34 ± 0.033

ь 14 14 6 20 0,78 ±0,050

У-U,46+0,<# Xj-MU3 Xj + 0,10 Xз~0,03 X,+0.U3 X, г - 0.01 Xц-l-D.O-l Х„

Ff2,l<FH«. э-.s =3; J- iO.'HXKS <*>)

вич, 1955; Monfort, ReUl and Reid. 1955,' 1957; Лютова, 1958; Семнхатода, Сааков, Горбачев, 1962; Сечихатоаа, Кислюк. 1964).

Мы нашли (табл, 7, уравнения'6, 7), что восстановление функциональной активности хлоропластов после освещения затемнявшихся растений зависит от интенсивности света при выращивании растений и во время его репариругошего действия. Другие изучаемые факторы существенного влияния на регенерацию исследуемых функций не оказывали.

Восстановление активности реакции Хнлла при освещении затемнявшихся растений интенсивнее происходит у растении, освещавшихся до Затемнения светом низкой интенсивности, что свидетельствует о большей темноустойчивостн этой реакции у растений слабосветового варианта. Способность к регенерации фотофосфорилирующей активности выше у хлоропла-стов, выделенных из растений, освещавшихся до помещения их в темноту светом высокой интенсивности.

Участок цепи фотосннтетнческого аппарата, связанный с реакцией Хнлла, обнаруживает некоторую консервативность к восстановлению функциональной активности при послетем-новом освещеннн по сравнению с реакционной цепью, находящейся в связи с фотофосфорилированием.

Таким- образом, мы показали обратимость повреждений фотохимических реакций хлоропластов. вызванных затемнением растений- Высокая интенсивность послетемнового освещения ускоряет восстановление как активности реакции Хнлла, так и фотофосфорнлирования,

И

Реакция Хил да (У]) и активность фоюфосфорилирования (У5) в зависимости от 4-х факторов

.\г» опыта 0 ^ х 1 ¿В ё-= \а к С о с; и т* И <с ж 0 % X 1 X 3 ^ « 2 2 г СО V иг *-Р А V С е^ V г-г о о X X V 3 и »г и гХ 0 - 3 X у 1 ** £ к , Ц Е г 3 О 4" £ Ь- о о с * Ч - О С— ^ „ 0 ^ V С ^ Н- - г О 2 * ^ СС — - Е ' 1 2 ** "<-> X 1- »в м к моль К»Ре<М)( У*- МКМОЛЬ Р)|

мг хлорофилла • час мг хлорофилла - час

1 4 4 2 14 262,3 ±24,0 68,4 ±8.0

2 * 14 14 2 14 269 * 29.8 214±15,2

3 ! 14 4 6 14 133 ±4,0 18<)±9.7

4 14 ' 4 2 20 113 +1,7 100±21,6

' 5 4 14 6 14 312 ±6.0 10б±8,8

6 4 14 2 20 236 +15,8 126±:10,0

7 4 4' 6 20 3(4 ±20,0 134±17,4

8 14 14 6 20 221 ±5.6 215 = 21,0

У,-250.0— 53.7Х,+36,2 Х»+3.7 Ха-6,2 Х,+-73.0 Хи—11,2 Xи-11,2 Х„

Р«2<Р гэйл. 954, —3; а = ±18 1в>

Уа—143,0 +34,5 Х| + 10,0 Х»+15,7 Х3 + 1,0 Х« +15,0 Хц + (7)

+ 4,2Хи~20,7Х„ Р«0,4<Ри«.1. «иь -3. а = ^12

Способность к регенерации реакции Хиллз выше у хлоро-■ пластов слабосветового варианта, а к регенерации фотофос-форнлнрования—сильносветового (см. уравнения б, 7)-

в) Фототаксис.

Из рассмотренных нами процессов, характеризующих состояние фотосинтетического аппарата, фототаксис является одной нз наиболее легкорепарируемых функций после повреждающего действия темноты. Движение хлоропластов в послетемновой период изучено в зависимости от трех факторов: Х|—исходная интентивность света; Х2—интенсивность света после темноты; Х3 — температура воздуха в темноте (табл. 8). Время послетемнового освещения было исключено из числа изучаемых факторов в связи с тем, что пребывание, на свету после темноты свыше 2-х суток не вызывало изменений в данном процессе по^ сравнению с незатемнявшимися растениями.,

Все изучаемые факторы оказали существенное влияние на восстановление движения хлоропластов после прекращения действия темноты. Способность-к восстановлению движения выше у растений, освещавшихся до темноты и после нее све-12

Фотогакснс (парастрофня) в зависимости от 3-х факторов

(последействие темноты!

.V? опита X,—исходная интенсивность света, тыс. лк. \ Ха—интенсивность света после темноты, тыс. лк. X!—температура воздуха в темноте, С У — % от числа просмотренных клеток ' »

1 14 14 ' ■ 20 59.7 9,0

о 14 4 14 62,9 ±2,6

3 14 4" 20 58,7 ±6.2

1 4 4 20 54,9 ±2,2

4' и 14 66,6 ^г 2.0

6 ■ ■ ' 4 4 14 ' Г>6.8±12.2

7 4 11 , 20 53,3 ±6.0

« 14 14 14 82.3 г 8,0

У "62.6 + 3.4X1 +4.1 X,—4,6 Хэ + 1.0 Х|}-3.1 Хц-2.0 Х1Э (8)

Р=0.1<Рт»бл.95%-3; а =

том высокой интенсивности. Повышение температуры воздуха во время пребывания растений в темноте оказывает отрицательное влияние на способность хлоропластов к возобновлению движения после снятия затемнения (см. уравнение 8).

Обратимости повреждений механизма фототаксиса при освещении затемнявшихся растений выше в сильносветовом варианте, она повышается во всех случаях при высокой интен? сивности иослетемнового освещения.

Выводы

1. Реакция зеленых растений огурцов на длительное затемнение выражается в образовании некротических пятен на листовых пластинках. Появление первых признаков и глубина повреждений зависят от условий предварительного освещения, температуры воздуха при затемнении и его продолжительности. Более ранние и глубокие повреждения характерны для растений, выращенных до темноты при низкой интенсивности света. Повышение температуры воздуха в темноте г удлинение срока затемнения усиливают повреждающее действие темноты,

2. У вегетирующих растений огурцов временная темнота вызывает изменение состояния фотосинтетического аппарата, которое находит свое выражение в потере листьями сухого вещества, снижении функциональной активности (реакция Хил-ла, фотофосфорилирование) изолированных хлоропластов и остановке их движения.

3. Применение методов математического планирования экспериментов позволило найти качественную и количественную оценку независимого действия и взаимодействия факторов на устойчивость фотосинтетического аппарата к темноте. Высокая интенсивности света перед затемнением ускоряет в темноте расход сухого вещества листьев и падение фотохимической активности хлоропластов, но ослабляет чувствительность аппарата фототаксиса к повреждающему действию темноты. Пребывание растений в темноте при умеренно пониженной температуре задерживает распад сухого вещества и повреждение аппарата фототаксиса, но не влияет на темноустойчн-вость фотохимических реакций хлоропластов.

По мере удлинения срока пребывания растений в темноте признаки повреждения фотосинтетического аппарата усиливаются.

4. »Математические модели, полученные на основании экс пернментов, показали, что реакция Хилла и фотосинтетнче-ское фосфорнлирование имеют разную чувствительность к условиям освещения. Снижение интенсивности свега приводит к усилению скорости реакции Хилла, но подавляет способность хлоропластов к циклическому фотофосфорилированню.

5. Реакция Хилла отличается большей устойчивостью к действию темноты,/чем фотофосфорилирование, катализируемое ФМН.

6. Пребывание растений в темноте в течение 6 суток вызывает обратимое повреждение фотосинтетического аппарата, на что указывает факт репарации повреждений после перенесения растений на свет. На способность к восстановлению нарушенных функций влияет совокупность факторов, действующих в предтемновой период, во время темноты и при последующем освещении.

7. Из всех изучавшихся нами факторов наибольшее значение в репарации повреждений фотосинтетического аппарата имеют условия предтемнового н поелетемнового освещения. Высокая интенсивность света в предтемновой период усиливает способность к регенерации всех изучавшихся нами функций, исключая реакцию Хилла. Тот же эффект без исключении вызывает высокоинтенсивный репарирующий свет.

8. Восстановление функциональной активности фотосинтез тнческого аппарата в послетемновой период зависит от длительности воздействия повреждающего и репарирующего факторов. Удлинение срока действия первого подавляет, а второго, наоборот, ускоряет репарацию повреждений.

9. Репарация фотохимических реакций хлоропластов не зависит от варьирования температуры при затемнении в пределах изучаемых уровней. Повышение температуры воздуха

'14 I

при затемнении замедляет скорость восстановления' роста листьев и движения хлороплостов.

10. Следствием сравнительно длительного пребывания растений в те л г ноте являются функциональные нарушение фотосннтетнческого аппарата. Вероятно, при данной продолжительности затемнення эти нарушения можно рассматривать как следствие"инактивации ферментов — участников фотосинтетической электронтранспортной цепи, что подтверждается фактом быстрой регенерации нарушенных функций под .действием света- Структурные нарушения хлоропластов, по-видимому, играют роль в изменении их функциональной .активности лишь при более длительном затемйении.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Последействие затемнения растений огурца на активность фотосннтетнческого аппарата в зависимости от интенсивности света в предтемновой период. Доклады ТСХА, 1972, вып. 176. Совм. с В. м! Леманом.

2. О фотофосфорнлнрующен активности фотосинтетического аппарата огурцов при длительном затемнении. Известия ТСХА, 1973, вып. 1. Совм, с В. М. Леманом. ^

Обгем I п. л._Заказ 1092._Тираж 150

Типография Московской с.-х. академии им, К. Л. Тимирязева Москва 125005» ТкииЕяэеаская лл., 14