Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сезонные изменения активности фотосинтетического аппарата феллодермы древесных растений

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Сезонные изменения активности фотосинтетического аппарата феллодермы древесных растений"

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н.В.ЛОМОНОСОВА

Биологический факультет

На правах рукописи

АЛЕКСЕЕВ Александр Алексеевич

УДК 581.133.I

СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ АКТИВНОСТИ ЙЮТОСИНГЕПГЧЕСКОГО АППАРАТА ФШОДЁРШ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ

Специальность СЮ.СЮ.02 - биофизика

Азтореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1992

Работа выполнена на кафедре Сиофазккн Биологического факультета МГУ.

Научный руководитель доктор биологических наук, ст.и.сотрудник П.С.Венедиктов

Официальные оппоненты доктор биологических наук Д.А.Даанумов кандадат биологических наук й.Е.Павлова

Ведущее учревдение-йнститут физиологии растений им. К.А.Тимирязева АН СССР

Защита состоится "о?1 « >лихЛ 1992 г. в № час. на заседании специализированного Совете К.053.05.68 по защите диссертаций аа соискание ученой степени кандидата наук по специальности "биофизика" в Московском государственном университете им.М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горн, МГУ, Биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор биологических наук, доцент

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1 Актуальность тем«. Одной из актуальных проблем в ■ исследовании фотосинтеза является выяснение путей и механизмов регуляции первичнш: процессов запасания энергии света при адаптации растительной клетки к изменяющимся условиям среда. Важность этой проблемы определяется также тем, что изменения состояния фотосинтетического аппарата могут быть обнаружены с помощью биофизических методов и использованы для оценки устойчивости растений к экстремальным условиям среда.

Ватеейшм фактором в жизни растений умеренного климата, влияющим на их географическое распространение, является температура. Хлорофиллсодеряаоде ткани растений, как правило, отмирают в зимний период; исключением являются вечнозеленые хвойные порода, а также хлоропласта содержащиеся в феллодврме коры и древесине всех пород. Такие внелистовые зимующие хлоропласта играют вавдую роль в лизни побегов в весенний и зимний периода, обеспечивая энергией процессы перехода в состояние покоя и выхода из него, а сезонные изменения их активности могут служить показателем способности растений адаптироваться к воздействию низких температур.

Функциональная активность фотосинтетического аппарата зимующих хлорсфшюодержшда: тканей в значительной степени снижается в осенний период при переходе растений в состояние органического покоя; такая инактивация хлоропластов обратима, поскольку эти ткани приспособлены к переживанию низких температур. В настоящее время показано, что многие стрессовые воздействия, такие как избыточное освещение, дефицит минерального

питания в др.. приводах » обратимой инактиваций реакциощьГх центров фоюааотвш 2 (ЮЗ 2) хлороштстов, что является способом регуляции активности первичных реакций фотосинтеза в неблагоприятных условиях. В то ке время, отсутствуют систематические данные о характере изменения состояния фотосинтетического аппарата коры при перехода растений в состояние покоя.

Цели и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось

изучение изменений состояния фотосинтетического аппарата в зимующих хлорофшюодераащшс тканях древесных растений при переходе их в состояние зимнего покоя.

В связи с этим, в работе били поставлены следующие задачи:

1. Изучать сезонную динамику параметров быстрой и замедленной флуоресценции хлорофилла в коре побегов древесных растений и в хвое.

2. Исследовать характеристики люминесценции хлорофилла в изолированных хлоропласта* из корм и хвои.

3. Сравнить изменения фотосинтетического аппарата в период зимнего покой с изменениями его при действии других стрессовых факторов.

Научная новизна. Впервые систематически изучены сезонные изменения ряда характеристик бнстрой н замедленной флуоресценции хлорофилла в федлодерме различных видов древесных растений. Установлено, что переход в состояние покоя сопровождается комплексом специфических изменений параметров лшинесценции хлорофилла, отражающих инактивацию реакционных центров ФС 2. Выявлены различия в сезонной динамике и степени инактивации ФС 2 у различных пород.

Показано, что второй максимум на температурной зависимое?!

постоянной флуоресценции, расположенный около 80°0 и значительно возрастающий я состоянии покоя, усиливается при обезвояивании побегов в растворе полиэтилвнгликоля, сохраняется при выделении хлорапластов из коры и хвои и появляется в клетках водорослей при действия таких стрессовых воздействий как дегидратация или дефицит минерального питания. Получены данные о связи флуоресценции в атом максимуме с пигментным комплексом ОС 2.

Обнаружено, что резкое увеличение выхода флуоресценции, происходящее при нагревании коры до 80°С, сопровоядащейся исчезновением полос каротиноидоа в спектре возбуждения низкотемпературной флуоресценции хлорофилла. Это означает, что структурные изменения тялакоидиой мембраны при 80°0, ответственные за появление высокотемпературного максимума флуоресценции сопрововдаются нарушением переноса энергий от каротиноидов к хлорофиллу; такое нарушений слабо выражено при нагревании фотосинтетическн активных тканей, но резко усиливается при действии на хлоропласта стрессовых факторов.

Научное и практическое значение работы. Полученные в работе данные об изменениях характеристик люминесценции хлорофилла в коре древесных растений в период зимнего покоя расширяют й углубляют представления о механизмах адаптации фотосинтетического аппарата к экстремальным условиям среда.

Результаты исследования могут служить основой для разработки методов диагностики состояния древесных растений и объективной 'оценки фенологических фаз их сезонного развития.

.Апробация работы. Основные результаты работы обгуядены на научных семинарах кафедры биофизики Биологического факультета МГУ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения« обзора литературы, описания объектов и методов исследования, двух глав экспериментальной часта, обсуадения результатов и выводов, сциска литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава X. Представляет собой обзор литературы. В ней изложены современные представления о механизмах первичных процессов фотосинтеза зеленых растений и о регуляции этих процессов при адаптации растений к условиям среды. Приведены также необходимые сведения о связи параметров быстрой и замедленной флуоресценции хлорофилла с первичными реакциями фотосинтеза.

Глава 2 содержит описанию объекта к методов исследования.

Объектами исследования служили листья, почки й высечки коры из

побегов собранных с 12 пород деревьев, растущих в естественных

условиях в окрестностях биологического факультета МГУ. Длительные

наблюдения, в точение 2-3 лет, были проведены на коре березы,

каталыщ и хвое сосна. Ряд экспериментов был выполнен на

изолированных хлоропласта* из хвои сосни, коры березы и листьев в

uгороха, а также на двух штаммах одноклеточной зеленой водоросли Chlorella vulgaris S-39/64688 из коллекций Биологического института Ленинградского государственного университета и Chlorella pyrsnoldosa штамм с-2 из коллекций Института физиологии растений Alt СССР (ippas).

Интенсивность постоянной флуоресценции (В'о), которая отражает излучательнуга потерю энергии возбуждения за время перекоса ее к- открытым, реакционным центрам ФС 2, измеряли на импульсном флуорометрз, . яри Еозбукдеки вспышками света

(2-Ю-6 Да-см-2, 60 ш?с, 0,5 Гц). Интенсивность максимальной флуоресценции (Ут) при закрытых реакционных центрах 2С 2 измеряли таким же образом, но. в присутстнии 10 ^ М диурона и при дополнительной постоянной подсветке 7 Вт-м-2. Относительный выход переменной флуоресценции рассчитывали как отношение Ру/рш, где

Ру- Рт - Ро.

Спектры излучения и спектра возбуждения низкотемпературной Олуоресценцки хлорофилла записывали на спектрофотометре НИ;аоЫ.-850

Интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла регистрировали с помощь» фосфороскопической установки с механическим разделением во времени освещения объекта н измерения свечения. Длительность периодов освещения и регистрации составляла около 2 мс.

В главе 3 описаны результаты изучения сезонной динамики параметров быстрой и замедленной флуоресценции хлорофилла у различных пород деревьев.

Порайонная ©Е^орзсцотдая хлорофилла. Освещение Бысечек коры б присутствии Ю"5 М диурона приводит к возрастанию Еыхода флуоресценции хлорофилла -от значения ?о, соответствующего открытым реакционным центрам, до величины йп, соответствующей закрыты?,! реакционным ; центрач ФС 2. После выключения постоянной подсветки выход флуоресценции снижается за 1-2 с в результате переноса электрона от первичного хинонного акцептора электронов (<За) на донорную сторону фотосистемы 2 (переход з20~ -> з1оа). Однако, некоторая часть переменной флуоресценции релаксирует за значительно большее время, порядка нескольких минут. Такой медленный компонент характерен для релакеащш переменной флуоресценции у хлоропластов с инактивировашюй кислород-

внделявдей системой, так как в этом случае невозможен возврат электрона от о" в кислородвнделяодув систему.

В летний период, отношение Ру/Ре, которое характеризует квантовую эффективность восстановления <эа, было равнш 0,7-0.8 в коре различных пород, а вклад медленного компонбта релаксации Т7 составлял не более 20%. Такие значения типичны для активного фотосинтетического аппарата. Зимой относительный выход переменной флуоресценции в коре и в почках снижался до величина 0,1-0,4, а вклад медленного компонента в релаксацию переменной флуоресценции увеличивался до 45-903! в зависимости от года и от порода дерева.

Динамика изменения в течение года интенсивности постоянной и максимальной флуоресценции хлорсфшга в коре березы, отношения ?ч/?т и вклада медленного компонента в кинетику релаксацш переменной флуоресценции показана на РисЛА. Как видно иг рисунка, интенсивность постоянной и максимальной флуоресценцш увеличивается весной, и вновь снижается к началу зквд; при в тог уо изменяется примерно в 2 раза, а Рт более чем в 8 раз. 1 результате, относительный выход переменной флуоресценцш увеличивается от 0,4 зимой до 0.8 летом.

Обращают на себя внимание различия в сезонной динамик постоянной флуоресценции и относительного выхода переменно флуоресценции. Интенсивность возрастает о апреля, достига максимального значения в июле, в затем сразу же начинается е уменьшение. Минимальный уровень То достигался в октябре-ноябре Из того факта, что содержание хлорофилла в феллодерме там изменяется примерно в той хе степени, от 0.18 зимой до 0.44 нг/ летом, следует что выход постоянной флуоресценции практически I изменяется в течение года, а изменения ее интенсивности связа)

изменением содержания хлорофилла в коре.

В отличие от Го, относительный выход переменной флуоресценции сохраняет постоянное высокое значение с мая по октябрь, во время увеличения и послэдувдаго снижения ?о. Снижение и увеличение отношения ?у/Тш происходит, соответственно, в октябре - январе и в марте - апреле; эти изменения связаны с тушением в зимний период флуоресценция закрытых реакционных центров ССС 2. Вклад реакционных центров К 2 с медленной ролаксаиией переменной флуоресценции (Г®/Р ) изменяется весной и осеньэ в противофазе с изменениями отношения Тг/Тт.

Г.огн.ед, к

Р,отн.ед. Б

—I—I—I—I—I—I—I—I—I—г

2 4 6 8 10 12 ВРЕИЯ,ИЕС

10

ТЕМПЕРАТУРА, иС

Рис.1. Сезонная динамшса параметров флуоресценции хлорофилла в коре побегов березы (А) и их корреляция со среднемесячной температурой (Б). 1950 г. I - Ро, 2 - 3 - Рт/Рш, 4 - Р®/Т"7.

Разница в сезонной динамике различных параметров флуоресценции-хлорофилла отчетливо проявляется на графике корреляции их со

средней температурой месяца (РисЛБ). Pv/Pm практически линейно коррелирует с температурой при снижении еэ в течешэ осени - зимы шше +10°С, и соответствующем увеличении ее весной; при изменениях среднемесячной температуры между +10 и +18°С, с мая по сентябрь, относительный выход переменной флуоресценции не изменяется. Примерно таким же образом, только с обратным знаком, изменяется вклад медленного компонента переменной флуоресценции. Напротив, постоянная флуоресценция почти не изменяется при изменениях температуры шош +Ю°С, и линейно зависит от температуры в диапазоне выше +Ю°С.

Сроки и степень зимнего подавления активности и сроки весеннего восстановления активности хлоропластов в коре березы изменялись от года к году (Рис.2А). Так зима 1986-1987 г. была холодной, средняя температура января -17,2°С, и переход через 0° температуры воздуха произошел только 26 апреля. Это вызвало задерзеку в развитии древесных растений на 2-3 недели по огношениг к средним многолетним срокам. Отношение Fv/im в коре березь снизилось в феврале - марте до 0,1-0,15 и начало увеличиваться только в апреле. Напротив, зима 1983-1990 г. относится к рекорднс теплым зимам. Средняя температура января составила -5,6°c; i феврале 70$ дней были с положительной температурой, а в конце февраля температура устойчиво перешла через 5°0, вследствие чег( у березы началось сокодвюиение. В ату зиму отношение Pv/ft снизилось к январе до 0,3, что близко к величине 1987 г., но уже в феврале оно начало увеличиваться и в марте достигло значена 0,7. Вклад медленного компонента в релаксацию переменно! флуоресценции этой зимой был ве Солее 50%, в то время как ] другие года он достигал 65$. Максимальное значение отношэни.

1У/Рт во все года достигалось к началу мая, что соответствует средней дате набухания а раскрывания почек у березы (I и 7 мая, соответственно), а снижение отношения начиналось в конце сентября, сразу после листопада (средняя дата массового сброса листьев у березы 28 сентября).

Fv/Fm

À

FVFjj

Б

•| Г I I I I I I I I

8 10 12 1 4 6 ВРЕЙЯ.ИЕС

■ | | | I iai 1 г I I

8 10 12 2 4 6 ВРЕМЯ,МЕС

Рис.2. Сезонная динамика относительного выхода переменной флуоресценции хлорофшла в коре побегов: А - береза В 1987 г. (I) и 1990 г.(2). Б-сосна (I), липа (2) и черемуха Ыаака (3) в 1987 г

В течение одного года, различные породы деревьев отличаются по глубине и продолжительности подавления отношения ?7/Рт в кора в аимннй период (Рис.2Е). В 1936-1987 г. у большинства исследованных пород относительный выход переменной флуоресценции снижался постепенно, в период с сентября по январь, достигая значения 0,3-0,4. У черемухи Наака, ивы козьей и липы сердцевидной подавление переменной флуоресценции начиналось уа:е в

августе в заканчивалось за 1-2 месяца, достигая значения 0,1-0,15. Вклад медленного компонента в релаксацию переменной флуоресценции у березы не превышал 65%, а у катальпы, даке в теплую зиму 1990 г достигал 90%. Позже других пород (с ноября) и в наименьшей степени (Р?/Рт=0.45) . подавлялась переменная флуоресценция в коре сосны. Весной переменная флуоресценция быстро восстанавливалась в течение марта - апреля; у большинства

к

Fv/F

0.8 -

0.7

о и.

О

а а

о

п

о

6 7 8 ВРЕМЯ,НЕС

-20 -10. О 10_ 20 ТЕШ1€РАТУРЛ» С

Рис.3. А - Корреляция мекду относительным выходом переменной флуоресценции хлорофилла в коре побегов в летний период и продол-_ жительностью ее зимнего подавления. Б - Корреляция относительного выхода переменной флуоресценции хлорофилла в коре сосны (I), дуба (2) и черемухи Маака (3) со среднемесячной температурой.

пород максимальное значение Еу/Тгп достигалось в мае. Раньше других, п'фзврале, начиналась реактивация переменной флуоресценции в коре листветиицы и, в основном, завершалась ухе в

апреле, в то время как у туи и кагальпы реактивация начиналась в • апреле и завершалась только к шиш. Следует, также отметить определенную корреляцию мевду величиной отношения Ру/Рт в летний период и продолжительностью зимнего подавления переменной флуоресценции (Рис.ЗА).

Щ графиках корреляции отношения ?у/Рт со среднемесячной температурой (Рис.ЗБ) видно, что для различных пород имеется характерный диапазон температур в котором подавляется переменная флуоресценция хлорофилла в коре. Так у черемухи Маака перемэпная флуоресценция в коре начинает подавляться от +15°С, и достигает минимального значения (около 0,1) при +5°С; близкие характеристики имеют липа, и ива. У сосны подавление начинается при температуре около 0°С и дат при -17°С отношение сохраняется на уровне 0,4. Наиболее близка к сосне, по характеру корреляции переменной флуоресценцшш со среднемесячной температурой, лиственница; у остальных пород зимнее подавление переменной флуоресценции имеет промежуточные характеристики мезду описанными здесь крайними вариантами.

Температурная зависимость флуоресценции хлорофилла. При повыиении температуры интенсивность постоянной флуоресценции хлорофилла возрастает и достигает максимального значения около 55°С. Данный максимум №55) обусловлен тепловой инактивацией ФС 2, которая уменьшает фотохимическое тушение возбуждения реакционными центрами, а при более высоких температурах снижает выход флуоресценции в результате повреждения светособирающей антенны ФС 2. Нагревание коры до 80°С приводит к дальнейшему возрастанию интенсивности флуоресценции; природа этого высокотемпературного максимума, описанного ранее Кузнецовой

(1882), в настоящее время не установлена.

У исследованных пород, интенсивность флуоресценции хлорофилла в первом максимуме (Р55) была немного шкэ интенсивности а отношение Г55=(Р5>5-?20)/Р55, коррелировало с величиной Рт/Ут, Таким образом, измерения относительного выхода переменной флуоресценции и отношения 155 дают практически одинаковую информацию о сезонных изменениях активности ФС 2.

F80/F20

А

•4

г

о

V

Vy

|Д 1W \ V

Ю 12 2 4 6 8 ВРЕЙЯ,ЛЕС

i

0.8 -0.6: 0.4 0.2-1

0

2 4 б 8 10 12 ВРЕМЯ,ПЕС

Рис.4. Сезонные динамики: А - отношения Р80/Р20 в коре побегов каштана (I), ивы (2) и лиственницы (3); Б - параметров замед-

ч,

ленной флуоресценции хлорофилла в коре побегов березы.

Исследование изменений максимума Р55 в хвое сосны первого и второго года, где измерения максимального выхода флуоресценции были невозможны, вследствие низкой проницаемости хвои для диурона, показало,что летом отношение 155 выше в хвое (0,8), чем в коре (0,7). в 'зимнее время максимум Г55 подавлялся в хвое

примерно в той же степени, что и в коре, но продолжительность периода снижения активности была значительно меньшей: отношение (F55-F20)/F55 оставалось меньшим чем 0,7 не дольше одного - двух месяцев.

Амплитуда максимума F80 варьировала в широких пределах в зависимости от порода. Он полностью исчезал, по крайней мере в один из летних месяцев, у туи, яблони, дуба и ивы, в у других пород проявлялся в течение всего года.

Сезонная динамика отношения F80/T20 у разных пород (Рис.4А), в целом, характеризуется высокими значениями Р80 в период с октября по апрель. У ивн, лиственница и туи F80/F2о возрастало в эти месяцы от I до 3-4; у Других пород, особенно у черемухи Ыаака и березы, оно достигало значительно больших значений, возрастая от 1-3 до 8 и более. Период возрастания F80 был, как правило, менее продолжительным, чем период подавления переменной флуоресценции, и, кроме того, характеризовался временным спадом F80 в декабре - январе, который особенно сильно проявлялся у каштана, лиственницы и сосны. У сосны отношение F80/F20 опускалось в эти месяцы ниже минимального летнего значения.

У сосны, в хвое второго года, динамика изменения максимума тео сходна с таковой у коры; здесь такке отношение F80/F20 сохраняет высокое значение в течение всего года, и зимой это отношение подавляется сильнее чем летом.. У хвои первого года, максимум F80 заметно меньше и значительно сильнее снижается в июле. Кроме того, у хвои первого и второго года заметно небольшое кратковременное подавление F80 в марте - апреле.

Замедленная флуоресценция хлорофилла. При освещении растений, интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла

возрастает до максимального значения Шп) и, затем снижается до стационарного уровня (Ls). Относительная амплитуда индукционного максимума - {Im-Ls)/Jjn, обычно коррелирует с фотосинтетической активностью растений. В присутствии диурона свечение обусловлено рекомбинацией акцептора Qa с окисленными донорами электрона в ФС 2. а значение интенсивности света, при которой достигается его световое насыщение (I) и максимальная интенсивность (Ы) отражают, соответственно, эффективность восстановления Qa и количество активных реакционных центров ФС 2.

У всех, пород отношение (ln-Ls)/Is в летний период составляло около 0,8 и сезонная динамика его, в целом, совпадала с таковой относительного выхода переменной флуоресценции. Основное отличие заключается в меньшей степени подавления индукционного максимума замедленной флуоресценции, по сравнению с переменной флуоресценцией. Так у сосны, лиственницы и туи, амплитуда индукционного максимума замедленной флуоресценции незначительно изменялась в течение года. Кроме того, у березы и каталыш, для которых были проведены наблюдения в течение 2-3 лет, обнаружено кратковременное подавление индукционного максимума замедленной флуоресценции в шале-августе (рис.4Б).

В присутствии даурона, интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла возрастает при увеличении интенсивности света, достигая половины максимального значения при интенсивности света (1) равной, приблизительно, I Вт-м-2 в летнее время. Зимой, интенсивность света, необходимая для насыщения замедленной флуоресценции, возрастает в 6-8 раз. Увеличение I отражает инактивацию реакционных центров, связанную с нарушением переноса электронов на донорной стороне ФС 2. Сезонная динамика параметра

I близка к таковой медленного компонента релаксации переменной флуоресценции хлорофилла. '

Максимальная интенсивность замедленной флуоресценции в коре, измеренная при насыщающей интенсивности света в присутствии диурона (Ь4), увеличивалась летом более, чем в 20 раз, по сравнению с зимшш периодом. Первая, самая большая, фаза увеличения интенсивности свечения в апреле - мае, соответствует, восстановлению активности йнактивированных зимой реакционных центров ФС 2, которое проявляется в увеличении относительного выхода переменной флуоресценции . и снижении параметра I замедленной флуоресценции в этот период. Вторая фаза двукратного возрастания интенсивности свечения в июле-августе, соответствует, возрастания интенсивности То и огрэжаэг, очевидно, летнее увеличение концентрации реакционных центров ФС 2.

В главе 4 представлены результаты исследования высокотемпературного максимума флуоресценции хлорофилла у различных объектов - коры и листьев древесных пород, водорослей, изолированных хлоропластов из листьев гороха, из корн березы и из хвои сосны. Амплитуда этого максимума в листьях дровэшшх пород меньше, чей в коре; он отсутствует в изолированных тилакоидних мембранах хлоропластов, выделенных из проростков гороха. У зеленых водорослей хлореллы и хлашдомонаса, растущих на твердой среде, флуоресценция при температуре выше 80°С в несколько раз превышала интенсивность постоянной флуоресценции при комнатной температуре, но при пересеве на кидкую среду высокотемпературной максимум резко подавлялся. Также, как и в коре деревьев холодное время года, появление гао у водорослей при росте на твердой среде может бить связано с недостаточным обеспечением

минеральным питанием или с частичным обезвоживанием. Поэтому, в дальнейшем исследовали влияние дефицита азота и понижения водного потенциала среда в присутствии полиэтиленгликоля на температурную зависимость постоянной флуоресценции кидких культур водорослей.

Температурная зависимость флуоресценции водорослей при дефиците азота. В наших экспериментах, азотное голодание крахмалнакапливаодего штамма Chlorella vulgaris 5-39/64688 в течение суток приводило к снижении относительного выхода

Рис.5. А - Кинетика изменения параметров флуоресценции лшшдиакашшавдай хлореллы при азотном голодании. Б — Зависи мость спектра возбуждения флуоресценции хлорофилла коры побего березы при 77 К от температуры нагревания.

переменной флуоресценции хлорофилла до 0,3. Отношение Р95/Р20 первые сутки голодания также снижалось, но в последующий перис возрастало, не достигая, однако, значений характерных для клеток

растущих на твердой среде. Это, очевидно, связано с преимущественным увеличением выхода постоянной флуоресценции клеток в ходе голодашм. С другой стороны, эксперименты о лшиднакапливащим штаммом Chlorella pyranoidosa С-2 показал!, что у данного штамма отсутствует мэтабодитнвя инактивация <fG 2, и отношение Fv/Fa остается вшзе 0,6 дако чероз трое суток азотного голодания. У этого штамма отношение высокотемпературного максимума к флуоресценции при 20°С достигало 7, значения, типичного для коры деревьев в зимние месяцы (Рис.БА).

Температурная зависимость флуоресценции водорослей при водасы стрессе. Добавление в среду выращивания полиэтиленгликоля (ПЭГ) приводило к торможению роста и возрастанию амплитуда высокотемпературного максимума флуоресценции у хлореллы. Степень увеличения зависела от концентрации ПЭГ и, при 2%, через двое суток"роста отношение F95/F20 было более 6. Относительный выход переменно» флуоресценции у клеток, растущих в среда с ПЭГ не изменялся, а отношение F55/T20 несколько увеличивалось.

ПЭГ индуцировал появление высокотемпературного максимума флуоресценции как при автотрофном роста, так и при гэтеротрофюм росте на глшозэ. у автотрофво растущих клеток, появление высокотемпературного максимума флуоресценции, индуцировалось ПЭГ даже в отсутствие С02, но подавлялось диуроном или метиламином. В гетеротрофной культуре индукция ПЭГ высокотемпературного максимума подавлялась йодацетамвдом, но была нечувствительна к данитрофенолу.

Таким образом, как дефицит минерального питания, так и осмотический стресс индуцируют высокотемпературный максимум флуоресценции у водорослей. Неясно, однако, связана ли индукция

этого максимума с изменением организации самих тилакоидшя мембран хлоропластов, либо с изменениями их окружения в клотко. Дальнейшие эксперимента были выполнены на изолированных хлоропластах из коры березы и хвои сосны.

Теыпоратурпая зависимость флуорвсцэнщш изоорозоших хлоропластов. В целых листьях проростков гороха и в изолированных из них хлоропластах высокотемпературный максимум флуоресценции хлорофилла отсутствует; при нагревании выае Б5°С интенсивность флуоресценции уменьшается, опускаясь ниже исходного уровня (при 20°0). У хлороплвстов, выделенных из хвои сосны или из коры березы интенсивность высокотемпературной флуоресценции несколько меньше, чем в соответствующих тканях, но значительно выше, чем в листьях Гороха шш изолированных из них хлоропопластах (рис.бА). Это означает, что появление высокотемпературной флуоросцэнции обусловлено изменением состояния самих тилакоидных мембран, но в штактных растениях, в том числе и у гороха интенсивность флуоресценции в области 70-90°С заметно выше, чем в изолированных из них хлоропластах. По-видимому, в тканях растений имеются факторы, усилив а щиа флуоресценцию при высоких температурах. В качестве таких факторов могут выступать криопротекторы, накашгивещаеся в зимующих тканях. В последующих экспериментах было изучено влияние на высокотемпературную флуоресценцию хлоропластов ПЗГ, который используют в модельных системах для стабилизации мембран.

Высокотемпературная флуоресценция усиливается в присутствии концентрированных растворов ПЭГ. Как видно из Рис.бБ в хлоропластах из хвои, имеющих самую большую интенсивность Г85, ©Г усиливает ее в наименьшей степени. У хлоропластов из корн

березы флуоресценция F85 усиливается в значительно больней степени, а у хлоропластов гороха, которые в отсутствие ПЭГ не обнаруживают флуоресценции при 70-90°С, Ш5 появляется, достигая интенсивности, сравнимой с таковой у хлоропластов из коры березы в зиынео время. Однако, максимальный эффект ПЭГ у хлоропластов гороха проявляется только при концентрации его выше 40$. Таким образом, изолированные хлоропласта переходят в присутствии ГОГ в состояние с высоким выходом F85, которое характерно для зшуняих

F0 Pot

Рис.6. Тераограмма постоянной флуоресценции хлоропластов (А), выделенных из листьев гороха (I), коры побегов березы (2), хвои сосны (3) и зависимость высокотемпературной флуоресценции при 85°С от концентрации полиэтиленгликоля (Б).

тканей в холодное время года. Причем, чем ниже уровень высокотемпературной флуоресценции в исходной ткани и в выделенных из нее хлоропластах, тем большая концентрация ПЭГ требуется для

достижения максимального уроки флуоросцвщщк.

В настоящэо время неизвестна природа высокотемпературного максимума флуоресценция хлоропластов. Согласно одному из предположений он кокет быть связан с усилением флуоресценции ФС I, с другой стороны, имеются данные об участии ФС 2 в этой флуоресценции . Для того, чтобы выяснить вклад £С 2 в максимум ШЪ было изучено влияние фотоингибирования и ионов меда на температурную зависимость фяуоресцзтцш хлороаяастов, выделенных ЕЗ гороха и хвоя, так как эта агенты избирательно ингивируют реакции SO 2 увеличивай вероятность безналучательпого туаэнкя возбуждений. Оба воздействия в одинаковой степени подавляли перемешаю флуоресценцию и максимума 155 к FQ5 в изолкрованша хлоропласта*. Это указывает на значительный вклад 00 2 в высокотемпературный максимум флуоресценция хлорофилла.

Дополнительные данные о природе высокотемпературного максимума флуоресценции были получены . при изучении спектров флуоресценции хлорофилла при 77К. Нагревание хзюрофшшсодеркадах тканей до температуры вше 70°С вызыввет, как известно, уменьшение интенсивности флуоресценции хлорофилла в длинноволновом максимуме J735 , а также усиление коротковолнового максимума флуоресценции и сдвиг его от 685 до 681 нм. Отншэние интенсивностей коротковолнового и длинноволнового максимумов флуоресценции увеличивается в большей степони в коре березы, имеющей Еысокое отношение F80/P20 в зушее время , а также в клетках хлореллы у которых это отношение увеличено в результате роста в присутствии ПЭГ.

Исследование спектров возбуждения флуоресценции хлорофилла при 77К показало также, что увеличение выхода флуоресценции,

происходящее при нагревании коры до 80°С, сопровождается исчезновением полос каротиноидоа е спектрах возбуждения флуоресценции (рис.БВ). По-видимому, структурные изменения, вызыващив увеличение интенсивности флуоресценции при высоких температурах сопровождаются с нарушением связи мекду квротйноидами и хлорофиллом; такое нарушение слабо выракено при нагревании фотосинтетически активных тканей, но резко усиливается при действии на хлоропласты стрессовых факторов.

Заютете.

. Тагам образом, исследование характеристик лшотесценшш хлорофилла в коре древесных растений позволило выделить сезонные изменения трех типов.

К первому относятся количественные изменения фотосинтетического аппарата связанные с его ростом и разборкой, которые происходят только в теплый период года; в этот период хлоропласты сохраняют высокую активность реакционных центров ФС 2. При температуре ниже определенного порогового значения, характерного для каждой породы, эта процессы, прекращаются, и Количество фотосинтетического аппарата сохраняется постоянным, что по-йидимоМу, отражает переход растения в состояние покоя.

После прекращения ростовых процессов проявляются изменения второго типа, связанные с переходом реакционных центров ФС 2 в неактивное состояние. Инактивация проявляется в потере частью центров способности к фотоиндуцированному восстановлению хинонного акцептора Оч в присутствии диурона, и в ингибировании прекоса электронов от кислородвыделявдей системы к ФС 2. Постепенное накопление неактивных петров можно, по-видимому,

связать с замедлением реоинтеэа поврэидензшх толипэптидов ЮЗ 2 в состоянии покоя. Интересно, что динамика снижения активности ФО 2 в коро березы чрезвычайно сходна с динамикой изменения морозоустойчивости побегов березы, изученной ранее в работе Оголевца. Возмокно, что повышение морозоустойчивости также каким-либо образом связано с тормокением синтеза белка.

Изменения третьего чипа, проявляются в увеличении амплитуды высоко темпера турного максимума флуоресценции хлорофилла й состоянии покоя. При высокой температуре пигментные комплексы денатурируют и выход флуоресценции хлорофилла при этой температуре, очевидно, не может быть связан с функциональной активностью комплексов. Шесте с тем, изменения выхода флуоресценции при денатурации оказываются зависящими от физиологического состояния клетки. По-видимому, молекулы хлорофилла оказываются посла денатурации в различном окружении в зависимости от структурного состояния мембран хлоропластов. Как показали эксперименты, изменения состояния мембран приводящие к увеличению выхода высокотемпературной флуоресценции могут быть обусловлены частичным обезвоживанием , которое характерно для тканей в состоянии покоя.

ВЫВОДЫ

I. Изучена. сезонная динамика параметров лкшнесценцщ хлорофилла в коре и почках двенадцати древесных пород и в хво( сосны. .Показано, что во всех изученных объектах обнаруживаете! комплекс характерных изменений быстрой и замедленной флуорес ценцш, обусловленных изменениями состояния фэтосинтетическог* аппарата в течение года.

2. Концентрация хлорофилла, интенсивность постоянной флуоресценции и максимальная интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла, возрастающие в период с мая по июль и снижающиеся с июля по сентябрь, отранают количественные изменения фотосинтетического аппарата феллодерш в теплый период года,

3. Подавление переменной флуоресценции хлорофилла, уменьшение . амплитуда индукционного максимума замедленной флуоресценции и интенсивности максимума при 55°С на температурной зависимости постоянной флуоресценции, возрастание вклада медленного (т>10 мин.) компонента темновой релаксации перемзпной флуоресценции и параметра светового насыщения замедленной флуоресценции обусловлены инактивацией реакционных центров ФО 2 в холодай период года.

4. Характер корреляции активности ФС 2 со среднемесячной температурой свидетельствует связи снижения ее активности при температурах ниже некоторого порогового значения, различающегося в зависимости от породы, с торможением процессов репарации инактивированных реакционных центров ФС 2.

5. Увеличение вклада медленного компонента а кинетику темновой релаксации переменной флуоресценции и возрастание параметра светового насыщения замедленной флуоресценции, указывают на то, что в зимнее время, у большинства реакционных центров ФС 2, сохранивших способность к восстановлению хинонного акцептора Оа, нарушены реакции восстановления первичного донора электрона от кислородвыделяющей системы и переноса электронов от первичного (Ца) ко вторичному (аь) хинонному акцептору электронов.

6. Показано что высокотемпературный максимум постоянной

флуоресценции (при температуре выше 70°С), характерный для вимуицих тканей в холодный период года, может бить индуцирован в клетках водорослей при стрессе, вызванном дефицитом азота ила снижением водного потенциала в присутствии ЮГ; в побегах деревьев усиление этого максимума такае может быть вызвано обезвоживанием.

7. В хлоролластах, выделенных в зимнее время из коры барези или хвои сосны, высокотемпературный максимум флуоресценции сохраняется и может быть усилен в среде с высокой концентрацией ПЭГ. Исследование спектров возбуждения флуоресценции хлорофилла при 77К показало, что увеличение выхода флуоресценции в высокотемпературном максимуме сопрововдается нарушением связи мевду хлорофиллом и каротиновдами, которое резко усиливается при действии стрессовых факторов.

ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЩУПЩЕ РА60ТЫ:

Ортоидзе Т.В., Нафаров P.C., Марченко И.Ф., Алексеев А.А Первичные процессы нелистового фотосинтеза виноградной лозы //Изв. АН ГССР. Серия биологическая. 1989. T.I5. N.I.C.66-7I.

Кривошеева A.A., Венедиктов П.С., Алексеев A.A. Высокотем пературная флуоресценция хлорофилла в тканях растений ■ выделенных из них хлоропластах. // Фиэиол. раст. 1992. Т.32 ВЫП.1. С.73-77.

Кривошеева A.A., Алексеев A.A., Венедиктов П.С. Исследоваш высокотемпературной флуоресценции хлорофилла. // ВЕСТ. КШ УН-ТА. сер. 16. Биология. 1992. N.3.