Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Устойчивость ценозов Cyperus esculentus L. к супероптимальной температуре в зависимости от основных факторов внешней среды

ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Устойчивость ценозов Cyperus esculentus L. к супероптимальной температуре в зависимости от основных факторов внешней среды"

На правах рукописи

00501

Шклавцова Екатерина Сергеевна

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕНОЗОВ Сурегив с?,си1епш Ь. К СУПЕРОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БТСЖО)

03.01.05 - физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 0 м^"1

Красноярск - 2012

005017453

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биофизики Сибирского Отделения РАН.

Научный руководитель: кандидат биологических наук, старший научный

сотрудник,

Ушакова Софья Аврумовна.

Официальные оппоненты: Судачкова Нина Евгеньевна, доктор биологиче-

ских наук, профессор, Институт леса СО РАН им. В Н. Сукачева, отдел физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений, г.н.с.

Табаленкова Галина Николаевна доктор биологических наук, доцент, Институт биологии Коми научного центра Уро РАН, лаборатория экологической физиологии растений, в.н.с. Ведущая организация ОГБОУ ВПО «Национальный исследовательский -

Томский государственный университет»

л" 3®

Защита состоится «яЬ » мая 2012 года в/Г часов на заседании диссертационного совета ДМ212.099.15 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»: 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. Р8-06 Факс: (391)244-86-25.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»:

Автореферат разослан « и » Сит^гвД ¿С 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^УоЫ^^- Гаевский Николай Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ: температура воздуха является одним из основных факторов регулирования процессов роста и развития растений. При функционировании биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО), в состав фотосинтезирующего блока которых входит звено высших растений, важно поддержание температуры в зоне оптимума. Для удовлетворения потребности человека в растительных жирах в состав звена высших растений предполагается включить растения чуфы (Гительзон и др., 1975; ОкеЬоп е1 а1. 2003). В связи с тем, что устойчивость фотосинтезирующего звена к воздействию экстремальных факторов среды определяется устойчивостью входящих в него звеньев, необходимо экспериментально оценить устойчивость растений чуфы к действию тех или иных стресс-факторов. Одним из таких факторов может быть повышение температуры воздуха в БТСЖО (из-за отказов в системе регулирования температуры воздуха) до значений, приводящих к необратимым нарушениям фотосинтетических процессов. Так как одним из возможных способов повышения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО может быть использование минерализованных плотных и жидких выделений человека в качестве основы для приготовления питательных растворов для выращивания растений, необходимо знать, как это может повлиять на устойчивость растений к действию стресс-фактора. Поэтому важно оценить устойчивость ценозов чуфы к действию повреждающей температуры воздуха в зависимости от условий предварительного выращивании и выяснить возможные способы повышения термоустойчивости.

ЦЕЛЬ: исследование устойчивости ценозов чуфы {Сурегш езсгйепШ Ь.) к воздействию супероптимальной температуры воздуха 45 °С в зависимости от условий минерального питания, интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) во время стресса и длительности действия стресс-фактора.

ЗАДАЧИ:

1). Оценить устойчивость ценозов чуфы к кратковременному ступенчатому повышению температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время стресса.

2). Оценить влияние воздействия высокой температуры воздуха различной длительности на С02-газообмен и состояние фотосинтетического аппарата ценозов чуфы.

3). Оценить влияние условий минерального питания на СС>2-газообмен и состояние фотосинтетического аппарата ценозов чуфы во время ТШ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Показано, что в ответ на повреждающее воздействие высокой температуры у ценозов чуфы возникает фаза реакции, длительностью не менее 1 ч. По величине и характеру фазы реакции нельзя судить об адаптационных возможностях ценозов чуфы в фазе реституции.

Показано, что ценозы чуфы, выращенные в условиях интенсивной светокультуры при оптимальных условиях внешней среды, способны выдерживать воздействие температуры воздуха 45 °С в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

Показано, что повышение интенсивности ФАР во время действия стресс-фактора, вне зависимости от условий минерального питания и исследуемой длительности экспериментов, снижает повреждающее воздействие повышенной температуры воздуха.

Установлено, что выращивание ценозов чуфы на питательных растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота, повышает их устойчивость к действию супероптимальных температур по сравнению с ценозами чуфы, выращенными на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные результаты вносят вклад в представления о физиологии устойчивости ценозов растений к повышенным температурам воздуха в зависимости от условий предварительного выращивания и внешних факторов среды.

Полученные результаты могут быть использованы при создании биолого-технических систем жизнеобеспечения высокой степени замкнутости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1) Ценозы чуфы способны выдерживать воздействие повышенной температуры воздуха в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

2) Повышение интенсивности ФАР от 150 до 250 Вт/м2 и увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата увеличивает термоустойчивость ценозов чуфы.

3) Устойчивость ценозов чуфы к действию температуры воздуха 45°С зависит от условий минерального питания. Выращивание ценозов чуфы методом гидропоники на керамзите с использованием растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека, содержащих азот в аммонийной и амидной формах, понижает устойчивость ценозов к действию температуры 45°С по сравнению с ценозами, выращенными на растворах, содержащих азот в нитратной форме.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований были доложены на VI-й Международной научной конференции, г. Минск, Белоруссия в 2009 г; на 38-й Международной конференции Коспар в г. Бремен, Германия в 2010 г; на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького, г. Екатеринбург, Россия в 2010 г; на конференции молодых ученых Института биофизики СО РАН, г. Красноярск, Россия в 2010 г; на Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс», Москва, Россия в 2010 г; на VII Съезде Общества физиологов растений России, г. Нижний Новгород, Россия 2011 г.

По теме диссертационной работы было опубликовано 9 печатных работ, из них 4 печатные работы опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (2 статьи в журналах, издаваемых в России, и 2 в журналах, издаваемых за рубежом).

ВКЛАД АВТОРА. Проведение экспериментов, обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа изложена на 127 страницах, состоит из введения, обзора литературы (1 глава), методики (1 глава), результатов собственных исследований (2 главы), заключения и выводов. В работе содержится 18 таблиц и 21 рисунок. Список цитируемой литературы насчитывает 125 источников, в том числе 53 иностранных.

Работа выполнена в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН г. Красноярска под руководством к.б.н. Ушаковой С.А. Автор выражает благодарность Волковой Э.К., Паршиной О.В., сотрудникам аналитической лаборатории Института биофизики СО РАН (заведующая лабораторией к. б. н.

Калачева Г.С.), а также всем сотрудникам лаборатории УБФ, способствовавшим выполнению данной работы. Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю Ушаковой Софье Аврумовне за поддержку и ценные советы при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Введение. Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи, показана научная новизна и практическая значимость проведенных исследований.

Глава 1. Обзор литературы содержит основные сведения об устойчивости растений к повышенным температурам на уровне клетки, целого растительного организма и на уровне ценоза. Также приведены сведения об изучаемом виде, об его особенностях и распространении в природе.

Глава 2. Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования был взят 28 или 30 суточный ценоз растений чуфы (Cyperus esculentus L.), выращенный в условиях светокультуры методом гидропоники на керамзите. Плотность посева составляла 190 растений на 1 м2, высота растений в 30-суточном возрасте составляла 30 - 40 см. Освещенность уменьшалась в % от значения на поверхности ценоза: в глубине ценоза составляла 30%, а у корня - 10-12%.

Для выращивания растений чуфы использовали следующие типы растворов: 1 - раствор Кнопа (заменяли на новый каждые 2 недели); 2 - раствор на основе минерализованных по методу Куденко Ю.А. экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формами азота; 3 - раствор на основе минерализованных по методу Куденко Ю.А. экзометаболитов преимущественно с нитратной формой азота (Kudenko et al, 2000; Ushakova et al, 2009).

До 30 суточного возраста растения были выращены при 150 Вт/м2 ФАР, круглосуточном освещении, температуре воздуха 25°С±1° и естественной концентрации СО2 - 0,034 %. Для освещения использовались лампы ДМ-3000.

Условия проведения ТШ. Измерения для получения температурных кривых видимого фотосинтеза были проведены при 150 Вт/м и 250 Вт/м2 ФАР у ценозов чуфы в возрасте 28 суток, выращенных как на растворе Кнопа, так и на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов, длительность воздействия определенной температуры составляла 1ч. Длительное воздействие в течение 44 ч при

150 Вт/м2 ФАР повышенной температурой воздуха 45°С±1° проводили в возрасте 30 суток у растений, выращенных на растворе Кнопа. Воздействие повышенной температурой в течение 20 ч проводили у растений чуфы выращенных на растворе Кнопа и на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов при ин-тенсивностях ФАР: 150 и 250 Вт/м2. Во время ТШ полив осуществляли через 6 ч или 3 ч, при поливе температура субстрата понижалась с 37°С до 28°С. Методы оценки состояния растений. Термоустойчивость растений чуфы оценивали по следующим показателям:

по параметрам внешнего С02 газообмена, по содержанию фотосинтетических пигментов, по показателям импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла ФС 2, по интенсивности перекисного окисления липидов листьев растений, по содержанию макроэлементов в листьях растений, по биохимическому составу листьев растений.

Полученные результаты статистически обработаны. Достоверности отличий при 5% уровне значимости (а) были оценены с помощью критерия t - Стьюдента (Ла-кин, 1990).

Глава 3. Оценка временных пределов устойчивости ценозов чуфы (С'yperus escu-lentus L.) к воздействию температуры воздуха 45°С

Температурные кривые видимого фотосинтеза ценозов чуфы. Для выбора величины теплового воздействия и сравнительной оценки устойчивости ценозов чуфы к действию повышенных температур в зависимости от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время стресса были сняты температурные кривые видимого фотосинтеза при 150 Вт/м2 и 250 Вт/м2 ФАР. Длительность экспозиции при постоянной температуре воздуха составляла 1 ч.

При кратковременном повышении температуры воздуха от 20°С до 40°С при 150 Вт/м2 ФАР наблюдалось снижение интенсивности Рвид: у растений, выращенных на растворе Кнопа в 12,3 раза, на растворе, приготовленном на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота, в 4,5 раза и на растворе, приготовленном на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой азота, в 2,6 раза.

Повышение интенсивности ФАР во время ТШ приводило к увеличению интенсивности Рвид и к увеличению термоустойчивости фотосинтетических процессов, что отразилось на сглаживании температурной кривой (рис.1).

Температура воздуха, °С

Рис. 1. Зависимость интенсивности Рв„д ценозов чуфы от температуры воздуха и интенсивности ФАР (в % от Рвид при 25°С). а). 150 Вт/м2 ФАР; б). 250 Вт/м2 ФАР. 1- раствор Кнопа; 2-раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N;

3- раствор на основе минерализованных экзометаболитов с преимущественно нитратной

формой N.

Кроме того, наиболее устойчивыми к повышению температуры оказались растения, выращенные на растворе с добавлением экзометаболитов с преимущественно нитратной формой азота (рис 1 а, б). Наименьшая термоустойчивость при 150 Вт/м2 ФАР оказалась у растений, выращенных на растворе Кнопа, а при 250 Вт/м2 - у растений, выращенных на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.

Влияние 44 ч ТШ на С02-газообмен ценозов чуфы. На основании полученных кривых зависимости Рвид. от температуры воздуха, было предположено, что длительное воздействие температурой воздуха 45°С может привести к значительным повреждениям фотосинтетического аппарата растений чуфы. Поэтому в следующей серии экспериментов была исследована устойчивость растений чуфы к длительному воздействию повреждающей температуры воздуха 45°С. Воздействие повреждающей температуры воздуха 45°С в течение 44 ч при 150 Вт/м2 ФАР и поливе растений через 6 ч приводило к необратимым повреждениям фотосинтетического аппарата (ФСА). Как видно из рис.2 интенсивность выделения С02 на свету в начале воздействия по абсолютной величине была близка к интенсивности Рв„д до стресса.

g 150

о

I 100

о

5 ,10 15 20 25 М^З»

-50 ■

Длительность ТШ,ч

-100

-150

Рис. 2. Видимый СО2 газообмен 30-суточных ценозов чуфы в течение 44 ч воздействия температуры воздуха 45'С, при поливе через каждые 6 часов (интенсивность ФАР 150 Вт/м2)

Через 30 ч ТШ интенсивность выделения С02 на свету уменьшилась до 30% от абсолютных значений интенсивности Рвид до стресса. В конце ТШ интенсивность выделения С02 оставалась примерно на том же уровне (рис. 2). К моменту окончания ТШ листья почти полностью засохли, но через несколько суток после окончания ТШ от точки роста начали отрастать новые листья. Следовательно, корневая система растений чуфы и точка роста остались жизнеспособными, и поэтому было возможно восстановление роста даже после такого длительного теплового стресса.

Влияние 44 ч ТШ на С02-газообмен ценозов чуфы при регулярном поливе через 3 ч. При нарушении терморегуляции в БТСЖО увеличение частоты полива, при поддержании температуры питательного раствора на оптимальном для растений уровне, должно облегчить состояние растений в период воздействия супероптимальной температуры. Поэтому в следующей серии экспериментов частота полива была увеличена: поливать стали через каждые 3 часа.

При интенсивности ФАР 150 Вт/м2 в начале воздействия повышенной температуры наблюдалось выделение С02 на свету с интенсивностью, на 28 % превышающей исходную величину интенсивности Рв1Ш. Затем, через 4 часа фактический фотосинтез (Рфакт) стал преобладать над дыханием, в результате чего интенсивность Рвнд стала положительной. Через 20 ч ТШ интенсивность РВ1Ш стала на 36%, а через 44 ч на 27% ниже исходного значения (рис. 3).

1

о

350 300

250 Вт/м"

6 200 -SS 150-

150 Вт/м1

100500 ■ -50-100 --150-

15 20 25 30 35 40 45

Длительность ТШ, ч

-200

Рис.3. Видимый СС>2 газообмен

30-суточных растений чуфы в течение 44 ч воздействия температуры воздуха 45°С при поли-

При интенсивности ФАР 250 Вт/м2 в начале ТШ интенсивность выделения С02 составляла 46% от модуля исходной величины РЕИД, а через 2,5 часа не отличалась от исходного значения. Через 20 ч и 44 ч ТШ РЕИД был выше исходного значения на 42 и 48%, соответственно (рис. 3).

В конце ТШ при 150 Вт/м2 ФАР интенсивность дыхания повысилась на 50%, при этом фактический фотосинтез не отличался от исходного значения, а видимый фотосинтез и эффективность усвоения С02 были ниже соответствующих исходных значений (рис. 4). ТШ при 250 Вт/м2 привел к повышению фактического фотосинтеза, интенсивности дыхания и видимого фотосинтеза более, чем в 2 раза, при этом эффективность усвоения С02 не отличалась от исходного значения. Через 1,5 ч репарации после ТШ при 150 Вт/м2 интенсивности фотосинтеза и дыхания снизились, но при этом эффективность усвоения С02 стала на 17% выше. Через 1,5 ч после ТШ при 250 Вт/м2 показатели фотосинтеза и дыхания снизились по сравнению со значениями в конце стресса, а эффективность усвоения С02 стала выше. Через 24 ч репарации все параметры С02-газообмена у обоих вариантов опыта стали близки к исходным значениям, либо несколько выше них (рис. 4).

ве через каждые 3 ч.

■р..........ПК иРф», И р,»/рф,кг

Рис.4. Влияние 44 ч ТШ на показатели видимого С02-газообмена растений чуфы, выращенных на растворе Кнопа, % исходному.

Табл. 2.

Влияние 44 ч ТШ на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, ___мг/г сухой массы._

ФАР, Вт/м2 Стадия эксперимента Хл (а+б) Хл.а/хл.б каротиноиды Хла (ФС)/ Хла+б(ССК)

150 до ТШ 14,9 ± 0,7 2,7 2,8 ± 0,2 0,7

44 ч ТШ 14,8 ±0,1 2,7 2,9 ±0,1 0,7

24 ч репарации 14,1 ±0,4 2,8 3,2 ± 0,2 0,7

250 до ТШ 11,0 ±0,4 2,7 2,2 ± 0,3 0,7

44 ч ТШ 14,2 ± 0,6 2,4 3,3 ±0,1 0,5

24 ч репарации 13,9 ±0,5 2,7 3,1 ±0,1 0,7

Судя по содержанию фотосинтетических пигментов (табл.2), воздействие стресс-фактора не вызвало значимых нарушений структуры фотосинтетического аппарата, поскольку не произошло ни снижения содержания фотосинтетических пигментов, ни существенного изменения их соотношений (Дроздов и др., 1984).

Таким образом, увеличение частоты полива, как и предполагалось, привело к увеличению устойчивости растений чуфы к длительному воздействию ТШ и выходу Рвид примерно через 20 ч стресса на новый стационарный уровень. При этом, при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 этот уровень несколько ниже исходного значения Рвид, а при более высокой интенсивности ФАР он более чем в 2 раза выше исходного значе-

Глава 4. Влияние 20 ч ТШ на устойчивость растений чуфы (Сурегш езсикпШ Ь.) К воздействию повышенной температуры воздуха в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания Влияние минерального состава растворов для выращивания растений на массу растений чуфы к моменту начала эксперимента. Исходя из предположения, что в БТСЖО экзометаболиты человека после необходимой обработки (Кис1епко й а1, 2000) будут использованы для приготовления питательных растворов для выращивания растений, дополнительным стрессовым фактором могут оказаться условия минерального питания растений.

Таблица 3.

Минеральный состав растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометабо-

литов человека, мг/л.

Вариант опыта Р 8 К N3 ї^нитр Н;бщ

Аммонийная и амид-ная форма N 22,1 20,1 66,7 106,7 214 3,05 224,4

Преимущественно нитратная форма N 27,4 18,8 66,1 95,9 15,4 146,7 198

В таблице 3 приведен минеральный состав растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека (табл. 3).

Табл. 4.

Масса ценозов чуфы в возрасте 30 суток, выращенных на различных питательных растворах,

г.

Условия минерального питания надземная масса, г сухая масса корней, г

сырая сухая % сухого вещества

Раствор Кнопа 351,3 ±32,3 55,9 + 5,1 15,9 19,2

Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами N 219,0 ±22,6 29,4 ±3,0 13,4 12,0

Раствор на основе минерализованных экзоме-таболитов с нитратной формой N 572,4 ± 45,2 89,4 ± 7,1 15,6 24,0

Как видно из таблицы 4, масса надземной части 30-суточных ценозов, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота, в 1,6 раза больше, чем у растений, выращенных на растворе Кнопа, по проценту сухого вещества достоверных отличий не наблюдалось. Наименьшая масса

надземной части была у ценозов, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой азота: в 1,3 раза меньше, чем у растений, выращенных на растворе Кнопа (табл. 4).

Таким образом, выращивание растений чуфы на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота, ускоряло рост растений чуфы, а у растений с аммонийной и амидной формой азота в растворе масса надземной массы была наименьшей (табл. 4). Вероятно, это связано с особенностью в потребности чуфы в определенных формах азотного питания.

Влияние 20 ч ТШ на СО ¡-газообмен растений чуфы в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания. В начале ТШ при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 во всех вариантах наблюдалось выделение С02 на свету, причем, у растений, выращенных на растворе Кнопа и на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формой азота, интенсивность выделения С02 на свету была близка по модулю к исходному значению Раид, а на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота - в 2,4 раза выше него (рис. 7).

Рис. 5. Видимый СОг газообмен 30-суточных ценозов чуфы, во время 20-часового воздействия температуры 45°С при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 в зависимости от условий минерального питания:

1- раствор Кнопа; 2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формами N; 3- раствор на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N.

В дальнейшем, в зависимости от условий минерального питания, при 150 Вт/м2 ФАР происходило восстановление фотосинтетической активности. У растений, выращенных на растворе Кнопа, фотосинтез стал преобладать над дыханием через 3 ча-

150 ■ о 100-

-150 --200 -

-250 --300 -

са, у растений с раствором на основе минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота - через 9 часов. У растений с аммонийной и амидной формой азота в растворе через 9 часов интенсивность Рвид стала близка к нулю и такой же осталась через 20 ч ТШ. У растений на растворе Кнопа через 20 ч ТШ интенсивность Рвид стала близка к исходному значению, а на растворе с минерализованными экзометаболитами с преимущественно нитратной формой N в растворе - составила 55% от исходной величины (рис 5).

При 250 Вт/м2 ФАР в начале ТШ также наблюдалось выделение С02 на свету, однако повышение интенсивности ФАР снижало эту величину. Через 2 ч у растений на растворе Кнопа и на растворе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота и через 4 ч на растворе с экзометаболитами, содержащими азот в нитратной форме, фотосинтез стал преобладать над дыханием (рис.6).

е 200

10 12 14 16 18 20 22

-100 J

Длительность ТШ, ч

Рис. 6. Видимый СОг газообмен 30-суточных ценозов чуфы, во время 20-часового воздействия температуры 45СС при интенсивности ФАР 250 Вт/м2 в зависимости от условий минерального питания:

1 - раствор Кнопа; 2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формой Ы; 3- раствор на основе экзометаболитов с нитратной формой N.

К концу ТШ интенсивность Р8ИД у растений на растворе Кнопа и на растворе с экзометаболитами, содержащими азот в нитратной форме стала на 58% и на 30% выше исходного значения, соответственно, а на растворе, содержащем азот в аммонийной и амидной формах Рвид достоверно не отличался от исходного значения при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 (рис. 6).

Рис.7. Составляющие видимого СОг-газообмена растений чуфы, до и после 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С при интенсивности ФАР 150 Вт/м2, % от исходного. 1 - раствор Кнопа; 2- раствор на основе эк-зометаболитов с аммонийной и амидной формой Ы; 3- раствор на

основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N.

24 ч репарации 4Н ч 02 О

24 4 репарации 48 ч репарации И2 03

; 51-(-1

ш

2оч та □1

Рис. 8. Составляющие видимого СОг-газообмена растений чуфы, до и после 20 ч воздействия 24ч репарации «чрспаршчп температуры воздуха 45°С при т 01 интенсивности ФАР 250 Вт/м2, -ЬиЛ.» % от исходного. 1- раствор Кнопа; 2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N; 3- раствор на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N

Г

20 ч ТШ 24 ч репарации 48 ч репарации

Таким образом, исходя из показателей видимого С02-газообмена, наибольшему повреждению подверглись растения, выращенные на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формами азота при 150 Вт/м2. Выращивание растений чуфы на растворе с минерализованными экзометаболитами, содержащими азот в преимущественно нитратной форме, снижало негативный эффект повышенной температуры на показатели видимого С02- газообмена (рис. 5, 7). Увеличение интенсивности ФАР приводило к снижению негативного влияния высокой температуры на показатели видимого С02-газообмена

(рис. 8) и к стимуляции процесса фотосинтеза (рис. 6, 8), что уже отмечалось ранее при рассмотрении температурных кривых видимого фотосинтеза.

Анализ минерального и биохимического состава надземной части растений чу-фы показал, что в листьях растений чуфы не было обнаружено достоверных изменений по содержанию углеводов, липидов, сырого протеина и макроэлементов. Это может говорить о том, что значительных структурных нарушений в результате ТШ не происходило (данные не приведены).

Влияние 20 ч ТШ на состояние фотосинтетического аппарата растений чуфы в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания. Не смотря на то, что суммарное содержание хлорофиллов {а+б) у растений чуфы, выращенных на растворе Кнопа, в конце ТШ при 150 Вт/м2 ФАР и через 24 ч репарации практически осталось равным исходному значению, отношение (хл. а/хл б) в конце ТШ увеличилось в 1,2 раза, следовательно, присутствовало некоторое нарушение работы ФС2 (Bukhov et al., 1999, Camejo et al., 2005). Содержание каротиноидов достоверно не изменилось в течение всего эксперимента. Несмотря на то, что общее содержание хлорофиллов в листьях почти не изменилось, произошло увеличение отношения содержания хлорофиллов фотосистем к содержанию хлорофиллов в ССК: в конце ТШ в 1,3 раза, а через 24 ч репарации в 1,4 раза выше исходного значения (табл. 5).

У растений, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзо-метаболитов с аммонийной и амидной формами N при воздействии повышенной температуры при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 содержание всех фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы через 20 ч ТШ увеличилось. Через 24 ч репарации суммарное содержание хлорофиллов а и б стало в 1,4 раза выше исходного значения, а их отношение снизилось в 1,8 раза, содержание каротиноидов стало близко исходному значению. В этом варианте к концу ТШ соотношение хлорофиллов, собранных в фотосистемах и в ССК почти не изменилось, а через 24 часа репарации произошло перераспределение содержания хлорофиллов в сторону увеличения их доли в ССК, в результате чего отношение хлорофиллов фотосистем к хлорофиллам ССК уменьшилось в 3,5 раза (табл. 5).

У растений, выращенных на растворе, приготовленном на основе экзометабо-литов с нитратной формой азота, содержание фотосинтетических пигментов в резуль-

тате 20 ч ТШ не изменилось. Через 24 ч репарации содержание хлорофиллов и каро-тиноидов снизилось в 1,3 раза по сравнению с исходными значениями, но при этом соотношение между пигментами почти не изменилось. В результате не изменилось и соотношение между хлорофиллами фотосистем и хлорофиллами ССК.

Табл.5.

Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, (Cyperus esculentus L.), при интенсивности ФАР 150

Вт/м2, мг/г сухой массы.

стадия эксперимента Хл. (а+б) Хл .а/б кароти-ноиды Хла (ФС)/ Хла+б(ССК)

Раствор Кнопа

До ТШ 14,9 ± 0,7 2,7 2,8 ± 0,2 0,7

20 ч ТШ 13,9 ± 1,0 3,3 2,8 ± 0,2 0,9

24 ч репарации 13,4 ±0,8 2,9 2,7 ±0,1 1,0

Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой

До ТШ 6,8 ± 0,6 2,9 1,4 ±0,2 0,7

20 ч ТШ 8,6 ± 0,3 2,6 1,9 ±0,1 0,6

24 ч репарации 9,4 ± 0,8 1,6 1,6 ±0,2 0,2

Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с преимущественно нитратной

До ТШ 9,0 ± 0,4 2,6 1,9 ±0,1 0,7

20 ч ТШ 8,4 ± 0,5 2,5 1,8 ±0,1 0,6

24 ч репарации 7,2 ± 0,5 2,6 1,5 ±0,1 0,6

При интенсивности ФАР 250 Вт/м2 у растений, выращенных на растворе Кнопа ни в конце ТШ, ни в период репарации не наблюдалось достоверных изменений содержания и соотношения фотосинтетических пигментов (табл. 6).

У растений, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзо-метаболитов с аммонийной и амидной формами азота, в конце ТШ в фотосинтетическом аппарате увеличилось содержание хлорофиллов а и б в 1,4 раза, а каротиноидов в 1,5 раза по сравнению с исходными значениями. Через 24 ч репарации содержание фотосинтетических пигментов и их соотношение отличались от исходных значений, но эти отличия не были достоверными. ТШ не оказал значимого влияния на соотношение содержания хлорофилла а фотосистем к суммарному содержанию хлорофиллов а и б ССК в течение эксперимента (табл. 6). Следовательно, у растений, выращенных на растворе с аммонийной и амидной формами азота, произошло нарушение

только функционального состояния фотосинтетического аппарата, но при этом структура его сохранила целостность, что может говорить о том, что изменения, которые произошли в результате ТШ, были обратимы (Заворуева, Ушакова, 2004).

Табл.б.

Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, (Cyperus esculentus L.), при интенсивности ФАР 250

Вт/м2, мг/г сухой массы.

стадия эксперимента Хл. (а+б) Хл .а/б каротиноиды Хла (ФС)/ Хла+б(ССК)

Раствор Кнопа

До ТШ 8,1 ± 0,4 2,6 1,6 ±0,1 0,7

20 ч ТШ 8,4 ± 0,3 2,8 1,8 ±0,1 0,7

24 ч репарации 7,8 ± 0,2 2,8 1,7 ±0,1 0,7

Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N

До ТШ 7,1 ± 0,2 2,3 1,2 ±0,3 0,5

20 ч ТШ 9,8 ± 0,3 2,3 1,8 ±0,1 0,5

24 ч репарации 7,5 ± 0,3 2,6 1,4 ±0,2 0,6

Раствор на основе минерализованных экзометаболитов преимущественно с нитратной формой N

До ТШ 9,0 ±0,5 2,6 1,9 ±0,1 0,7

20 ч ТШ 8,1 ±0,4 2,2 1,7 ±0,2 0,5

24 ч репарации 7,3 ± 0,5 2,6 1,8 ±0,1 0,6

Таким образом, повышение интенсивности ФАР привело к снижению повреждающего воздействия повышенной температуры воздуха на фотосинтетический аппарат растений чуфы. При этом не было зарегистрировано значительных изменений в содержании фотосинтетических пигментов, которые бы говорили о повреждении фотосинтетического аппарата (табл.5, 6).

150 с 0 | 100 - 1 50- i 1 И rfl J 1- l

1 1 2 | 3 150 Вт/м' 1 1 2 I 3 250 Вт/м'

□ 20 ч тш 0 24 ч ре парации

Рис.9. Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С±1° на содержание малонового диальдегида в листьях 30-суточных растений чуфы в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания, в % от исходного значения. 1- раствор Кнопа; 2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N; 3- раствор на основе экзомета-болитов с преимущественно нитратной формой N.

Оценка состояния клеточных мембран листьев растений чуфы показала, что 20 ч ТШ при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 не привел к достоверному изменению концентрации МДА. (рис. 9). Только у растений, выращенных на растворе с добавлением экзометаболитов с нитратной формой азота, через 24 ч репарации концентрации МДА стала на 20,5 % ниже исходного значения. У растений с аммонийной и амидной формами азота в питательном растворе через 20 ч ТШ концентрация МДА в листьях снизилась как при 150 Вт/м2, так и при 250 Вт/м2. Возможно, нам не удалось зарегистрировать повышения содержания МДА в листьях растений чуфы этих вариантов к концу ТШ (рис. 9), которое могло предшествовать зарегистрированному нами снижению его содержания в данных опытах (Лукаткин, 2002). При интенсивности ФАР 250 Вт/м2 у растений, выращенных на растворе Кнопа после 20 ТШ содержание МДА в листьях увеличилось на 25% и осталось на том же уровне во время репарации. Вероятно, причиной этого явилось повышение интенсивности ФАР относительно исходного значения, подобное было показано в работе (Mishra, Singhal, 1992).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования реакции ценозов чуфы, сформированных в условиях интенсивной светокультуры, при постоянных оптимальных параметрах внешней среды, на длительное (до 44 ч) воздействие повреждающей температурой воздуха показали, что стресс у ценозов чуфы, в соответствии с теорией Селье, проходил в 3 фазы. Длительность фазы реакции продолжалась около 1 - 2 часов и мало зависела от

условий минерального питания и интенсивности ФАР во время действия стресса. Длительность фазы реституции зависела как от условий минерального питания, так и от интенсивности ФАР во время стресса. Наиболее длительным период реституции был у ценозов чуфы, выращенных на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов и составлял примерно 8 ч, в то время как у ценозов, выращенных на растворе Кнопа, он составлял около 5 ч. Повышение интенсивности ФАР ускоряло процессы восстановления, а увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата за счет полива растений питательным раствором, в сочетании с увеличением интенсивности ФАР, значительно увеличивало термоустойчивость ценозов чуфы.

В дальнейшем, в фазе адаптации, в зависимости от условий проведения эксперимента, происходило или необратимое повреждение надземной части растений (в случае 44 ч стресса при регулярном поливе через 6 ч питательным раствором с температурой 18°С) или приспособление к новым светотемпературным условиям при регулярном поливе через 3 ч. При этом при 150 Вт/м2 ФАР у ценозов чуфы на растворе Кнопа через 20 ч ТШ интенсивность Рвия почти полностью вернулась к исходному значению, на растворе с минерализованными экзометаболитами преимущественно с нитратной формой N в растворе интенсивность Рвид составила 55% от исходной величины, а на растворе с аммонийной и амидной формами N была близка к 0. При 250 Вт/м2 ФАР интенсивность Рвид стала фактически равна интенсивности Рвид до стресса при 150 Вт/м2 ФАР у ценозов, выращенных на минерализованных экзометаболитах с аммонийной и амидной формами азота, в остальных вариантах была выше исходных значений.

В ранее проведенных в Институте биофизики исследованиях по оценке термоустойчивости ценозов пшеницы и редиса было показано, что воздействие температурой воздуха 45°С в течение 20 ч приводило к необратимым повреждениям фотосинтетического аппарата и гибели растений. Ценозы этих растений оказались способны пережить температурный стресс без необратимых повреждений процессов роста и развития только в течение 7 ч (Ushakova, Tikhomirov, 2002). Таким образом, ценозы чуфы, как и предполагалось, имеют более высокую термоустойчивость по сравнению с ценозами пшеницы и редиса, выращенными в аналогичных условиях. Поэтому, в случае нарушения системы терморегуляции в процессе функционирования БТСЖО,

ценозы чуфы позволят обеспечить нормализацию газового состава воздушной среды,

а выращивание растений чуфы на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека, позволит повысить степень замыкания БТСЖО.

ВЫВОДЫ

1. Воздействие повреждающей температуры воздуха в течение 44 ч при 150 Вт/м2 ФАР при поливе через каждые 6 ч приводило к необратимым повреждениям ФСА и отмиранию листьев растений чуфы. В дальнейшем рост растений возобновлялся за счет появления новых листьев.

2. Увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата в 2 раза за счет полива ценозов чуфы питательным раствором увеличивает термоустойчивость ценозов чуфы. Вне зависимости от интенсивности ФАР, воздействие температурой воздуха 45 "С, как в течение 20 ч, так и в течение 44 ч, при регулярном поливе не приводило к значительным повреждениям фотосинтетического аппарата растений чуфы.

3. Выращивание ценозов чуфы на растворе минерализованных экзометаболитов человека снижало их термоустойчивость по сравнению с растениями, выращенными на растворе Кнопа. При выращивании на растворе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота повреждающее воздействие высокой температуры было меньше, чем при выращивании на растворах с аммонийной и амидной формами азота.

4. Повышение интенсивности ФАР во время действия повышенной температуры воздуха существенно увеличивало термоустойчивость ценозов чуфы. Степень увеличения термоустойчивости зависела от состава питательного раствора, на котором были выращены ценозы чуфы. Наиболее отзывчивыми на повышение интенсивности ФАР во время ТШ оказались ценозы чуфы, выращенные на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формами азота.

5. Включение в состав БТСЖО растений чуфы позволит не только ввести в состав диеты экипажа растительные жиры высокого качества, но и существенно повысить термоустойчивость фотосинтезирующего звена, обеспечив, в определенных

пределах, нормализацию газового состава воздушной среды при нарушении системы терморегулирования.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи:

1. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Влияние условий минерального питания на термоустойчивость растений чуфы (Cyperus esculentus L.). // Вестник КрасГАУ, 2010. -№8. - С.29-33.

2. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Устойчивость растений чуфы чуфы (Cyperus esculentus L.), представителя фототрофного звена биотехнических систем жизнеобеспечения, к действию повышенных температур воздуха. // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2011. - Т.45. - № 1. - С. 55 - 59.

3. Tikhomirov A. A., Ushakova S. A., Velichko V. V., Zolotukhin I.G., Shklavtsova E.S., Lasseur Ch., Golovko Т. K. Estimation of the stability of the photosynthetic unit in the bioregenerative life support system with plant wastes included in mass exchange. // Acta Atronautica, 2008.-V. 63.-P.1111 - 1118.

4. Tikhomirova N.A., Ushakova S.A., Kudenko Yu.A., Gribovskaya I.V., Shklavtsova E.S., Balnokin Yu.V, Popova L.G., Myasoedov N.A., Gros J.-B., Lasseur Ch. Potential of salt-accumulating and salt-secreting halophytic plants for recycling sodium chloride in human urine in bioregenerative life support system. // Adv. Space Res, 2011. - Vol. 48. - P. 378-382.

Тезисы докладов и сборники:

1. Shklavtsova Ye. S., Ushakova S.A., Shikhov V.N. Tolerance of chufa (Cyperus esculentus) as a vegetation unit's representative of bioregenerative life support systems to elevated temperatures. 38th COSPAR Scientific Assembly, Bremen, Germany. 2010

2. Шклавцова E.C., Ушакова C.A.. Устойчивость растений чуфы (Cyperus esculentus) к воздействию супероптимальной температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности света во время воздействия теплового шока. В сб. материалы Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького. Екатеринбург, Россия. 2010. - С.132-133.

3. Ушакова С.А., Тихомиров А.А., Шклавцова Е.С., Шихов В.Н., Трифонов С.В. (2010). Устойчивость растений, представителей фототрофного звена биолого-

технических систем жизнеобеспечения, к действию повышенных температур воздуха. В сб. Всероссийский симпозиум Растение и стресс (Plants under Environmental Stress). 09 - 12 ноября 2010 г. Тезисы докладов. Москва. 2010. - С. 366 - 367.

4. Шихов В.Н., Шклавцова Е.С., Ушакова С.А. Сравнительная оценка термоустойчивости растений СЗ и С4 типа метаболизма на примере растений пшеницы и чу-фы, оцененная по термоиндуцированным изменениям флуоресценции хлорофилла а и С02 газообмена. В сб. VII Съезда Общества физиологов растений России. «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международная научная школа «Инновации в биологии для развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород. Материалы докладов в двух частях. Часть II. Нижний Новгород. 2011. - С. 764 - 765.

5. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Термоустойчивость растений чу-фы (Cyperus esculentus), как представителя растительного звена биорегенеративных систем жизнеобеспечения, в зависимости от интенсивности ФАР, длительности ТШ и условий минерального питания. В сб. VII Съезда Общества физиологов растений России. «Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международная научная школа «Инновации в биологии для развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции», ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород. Материалы докладов в двух частях. Часть II. Нижний Новгород. 2011.-С. 767-768.

Подписано в печать 26.03.2012 Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 6951

Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041 Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел/факс (391)206-26-58,206-26-49 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfii-kras.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Шклавцова, Екатерина Сергеевна, Красноярск

61 12-3/1076

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ БИОФИЗИКИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РАН

На пра^^^^описи Шклавцова Екатерина Сергеевна

УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕНОЗОВ Сурегш еясиШт Ь. К СУПЕРОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ

СРЕДЫ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БТСЖО)

03.01.05 - Физиология и биохимия растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, С.А. Ушакова

Красноярск - 2012 Оглавление

Введение 5

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ (Сурегш езсЫеМш Ь.) 10

1.1. Общее понятие стресса у растений 10

1.2. Устойчивость растений к высокой температуре 11

1.2.1. Клеточные механизмы устойчивости к ТШ 13

1.2.2. Устойчивость к ТШ на уровне целого растения 22

1.2.3. Устойчивость к ТШ на уровне ценоза 27

1.3. Основные свойства и физиологические особенности растений чуфы (Сурегш е$си1еЫш Ь.) 31

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 38

2.1. Объект исследования и условия выращивания растений 38

2.2. Условия проведения ТШ 40

2.3. Методы оценки состояния растений 40

2.3.1. Методика определения параметров внешнего газообмена растений чуфы (Сурегш еБсШеМш Ь.) 41

2.3.2. Методика определения содержания пигментов в листьях растений чуфы (Сурегш еяси1еЫш Ь.) 41

2.3.3. Методика измерения импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла ФС 2 листьев растений чуфы 43

2.3.4. Методика определения интенсивности перекисного окисления липидов в листьях растений чуфы (Сурегш еБсЫеМш Ь.) 44

2.3.5. Методика определения минерального и биохимического состава растений чуфы (Сурегш еясикпШя Ь.) 45

ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ВРЕМЕННЫХ ПРЕДЕЛОВ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ (Сурегш е^сикШш Ь.) К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА 45°С 46

3 Л. Температурные кривые видимого фотосинтеза растений чуфы (Сурегш езсикЫш Ь.) 46

3.2. Влияние 44 ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (Сурегш езсиЫШш Ь.) 50

3.3. Влияние 6 ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (<Сурегш еяайеЫш Ь.) 52

3.4. Влияние 44ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (Сурегш ехайеЫш Ь.) при регулярном поливе через 3 ч 57

Выводы к главе 3 67

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ 20 Ч ТШ НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ {Сурегш еяси1еШш Ь.) К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ФАР И УСЛОВИЙ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ 68

4.1. Влияние минерального состава питательных растворов на массу растений чуфы (Сурегш еясикпНм Ь.) к моменту начала эксперимента 68

4.2. Влияние условий минерального питания и интенсивности ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С 71

4.2.1. Влияние условий минерального питания при 150 Вт/м ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С 75

4.2.2. Влияние условий минерального питания при 250 Вт/м ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С 80

4.3. Влияние 20 ч ТШ на минеральный и биохимический состав надземной части растений чуфы (Сурегш езсЫепШБ Ь.). 87

4.4. Влияние 20 ч ТШ на состояние фотосинтетического аппарата растений чуфы (Cyperus esculentus L.) в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания. 94

4.4.1. Оценка состояния фотосинтетического аппарата листьев растений чуфы (Cyperus esculentus L.) на основании содержания фотосинтетических пигментов 94

4.4.2. Оценка состояния фотосинтетического аппарата листьев

растений чуфы (Cyperus esculentus L.) на основании флуоресцентных параметров 98

4.5. Влияние 20 ч ТШ на состояние клеточных мембран растений чуфы (Cyperus esculentus L.) в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания 105

Выводы к главе 4 108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 110

ВЫВОДЫ 112

Список цитируемой литературы 114

ВВЕДЕНИЕ

С началом эры пилотируемых космических полетов перед человечеством встала новая практическая задача: обеспечение искусственной среды обитания для экипажей в гермокабинах ограниченного объема. Со времени зарождения идеи о биологической регенерации среды обитания человека стало общепринятым мнение о том, что непременной составной частью биолого-технической системы жизнеобеспечения (БТСЖО) должны стать ценозы фотоавтотрофных растений (Wheeler et al., 2004; Berkovich et al., 2005; Nelson et al., 2008). В Институте биофизики CO РАН на протяжении длительного времени разрабатываются биолого-технические системы жизнеобеспечения человека, в которых регенерация воды, воздуха и, частично, пищи осуществляется за счет звена высших растений (Gitelson et al., 2003). Включение в состав растительного звена БТСЖО растений чуфы (Cyperus esculentus L.), обусловлено тем, что клубни чуфы являются источником необходимых для человека жиров, в том числе, незаменимых жирных кислот. Содержащееся в клубнях масло близко по качеству к оливковому и арахисовому. Клубни содержат 20—25% (на сухую массу) жиров, до 60% углеводов и около 8% белков (Gitelson et al., 2003).

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: температура воздуха является одним из основных факторов регулирования процессов роста и развития растений. При функционировании биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО), в состав фотосинтезирующего блока которых входит звено высших растений, важно поддержание температуры в зоне оптимума. Для удовлетворения потребности человека в растительных жирах в состав звена высших растений предполагается включить растения чуфы (Гительзон и др., 1975; Gitelson et al. 2003). В связи с тем, что устойчивость фотосинтезирующего звена к воздействию экстремальных факторов среды определяется устойчивостью входящих в него звеньев, необходимо экспериментально оценить устойчивость растений чуфы к действию тех или

иных стресс-факторов. Одним из таких факторов может быть повышение температуры воздуха в БТСЖО (из-за отказов в системе регулирования температуры воздуха) до значений, приводящих к необратимым нарушениям фотосинтетических процессов. Так как одним из возможных способов повышения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО может быть использование минерализованных плотных и жидких выделений человека в качестве основы для приготовления питательных растворов для выращивания растений, необходимо знать, как это может повлиять на устойчивость растений к действию стресс-фактора. Поэтому важно оценить устойчивость ценозов чуфы к действию повреждающей температуры воздуха в зависимости от условий предварительного выращивании и выяснить возможные способы повышения термоустойчивости.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ, исследование устойчивости растений чуфы (Сурегш еъсиХегйт Ь.) к воздействию супероптимальной температуры воздуха 45°С в зависимости от условий минерального питания, интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) во время стресса и длительности действия стресс-фактора.

ЗАДАЧИ:

1). Оценить устойчивость растений чуфы к кратковременному ступенчатому повышению температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время стресса.

2). Оценить влияние воздействия высокой температуры воздуха различной длительности на С02-газообмен, состояние фотосинтетического аппарата и клеточных мембран листьев растений чуфы.

3). Оценить влияние условий минерального питания на С02-газообмен, состояние фотосинтетического аппарата и клеточных мембран листьев растений чуфы во время ТШ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Показано, что в ответ на повреждающее воздействие высокой температуры у ценозов чуфы возникает фаза реакции,

длительностью не менее 1 ч. По величине и характеру фазы реакции нельзя судить об адаптационных возможностях ценозов чуфы в фазе реституции.

Показано, что ценозы чуфы, выращенные в условиях интенсивной светокультуры при оптимальных условиях внешней среды, способны выдерживать воздействие температуры воздуха 45°С в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

Показано, что повышение интенсивности ФАР во время действия стресс-фактора, вне зависимости от условий минерального питания и исследуемой длительности экспериментов, снижает повреждающее воздействие повышенной температуры воздуха.

Установлено, что выращивание ценозов чуфы на питательных растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота, повышает их устойчивость к действию супероптимальных температур по сравнению с ценозами чуфы, выращенными на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Полученные результаты вносят вклад в представления о физиологии устойчивости ценозов растений к повышенным температурам воздуха в зависимости от условий предварительного выращивания и внешних факторов среды.

Полученные результаты могут быть использованы при создании биолого-технических систем жизнеобеспечения высокой степени замкнутости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1) Ценозы чуфы способны выдерживать воздействие повышенной температуры воздуха в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

2) Повышение интенсивности ФАР от 150 до 250 Вт/м2 и увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата увеличивает термоустойчивость растений чуфы.

3) Устойчивость растений чуфы к действию температуры воздуха 45°С зависит от условий минерального питания. Выращивание ценозов чуфы методом гидропоники на керамзите с использованием растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека, содержащих азот в аммонийной и амидной формах, понижает устойчивость ценозов к действию температуры 45°С по сравнению с растениями, выращенными на растворах, содержащих азот в нитратной форме.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты исследований были доложены на VI-й Международной научной конференции, г. Минск, Белоруссия в 2009 г; на 38-й Международной конференции Коспар в г. Бремен, Германия в 2010 г; на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького, г. Екатеринбург, Россия в 2010 г; на конференции молодых ученых Института биофизики СО РАН, г. Красноярск, Россия в 2010 г; на Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс», Москва, Россия в 2010 г; на VII Съезде Общества физиологов растений России, г. Нижний Новгород, Россия 2011 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы было опубликовано 9 печатных работ, из них 4 печатные работы опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (2 статьи в журналах, издаваемых в России и 2 в журналах, издаваемых за рубежом).

ВКЛАД АВТОРА. Проведение экспериментов, обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, состоит из введения, обзора литературы (1 глава),

методики (1 глава), результатов собственных исследований (2 главы), заключения и выводов. В работе содержится 18 таблиц и 21 рисунок. Список цитируемой литературы насчитывает 125 источников, в том числе 53 иностранных.

Работа выполнена в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН г. Красноярска под руководством к.б.н. Ушаковой С.А.

Автор выражает благодарность Волковой Э.К., Паршиной О.В., сотрудникам аналитической лаборатории Института биофизики СО РАН (заведующая лабораторией к. б. н. Калачева Г.С.), а также всем сотрудникам лаборатории УБФ, способствовавшим выполнению данной работы. Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю Ушаковой Софье Аврумовне за поддержку и ценные советы при выполнении данной работы.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ

(Сурегш енси1епЫя Е.)

1.1. Общее понятие стресса у растений Общий адаптационный синдром, или стресс, представляет собой комплекс ответных реакций организма на внешние воздействия, по силе превосходящих обычные физиологические реакции, и при длительных воздействиях заканчивающихся развитием патологий. Практически все организмы обладают определенной пластичностью, позволяющей выживать в экстремальных условиях. Реакция на стресс обычно выражается характерной кривой (кривая Селье, 1972), описывающей после первоначального снижения уровня резистентности его увеличение, сменяющееся фазой истощения (эта концепция стресса была разработана для животных). Вид этой кривой, однако, может меняться в зависимости от характера воздействия и особенностей организма (вида, возраста). В ответе растения на повреждающие воздействия также было выделено три стадии: фаза реакции, фаза реституции (восстановления) и при сильном повреждении необратимые изменения и гибель. Наблюдаемый комплекс метаболических перестроек был назван фитострессом (Полевой, 1989; Миттова, Игамбердиев, 2000; Кузнецов, 2005). В стрессовых условиях судьба растения зависит, с одной стороны, от силы и длительности стрессового воздействия, с другой -от устойчивости растения к данному виду стресса, которая предопределена генетически. Стресс может привести к накоплению необратимых повреждений и гибели растения. Действие стресса может привести к активации защитных и приспособительных реакций, в результате которых растение акклимируется к новым условиям (Полесская, 2007). Сигналом к запуску стрессовой реакции, по гипотезе Барабоя (1991), служит нарушение прооксидантно-оксидантного равновесия.

Существует масса работ, в которых показано, что акклимация к неблагоприятным или стрессовым условиям коррелирует с усилением антиоксидантной защиты. Как правило, активность некоторых ферментов-антиоксидантов усиливается на фоне уменьшения или сохранения на прежнем уровне активности других. Анализ публикаций на тему антиоксидантной защиты растений позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, общего правила в реакции на стресс не существует. Ответ антиоксидантной системы на один и тот же тип стрессового воздействия зависит от вида растений. Во-вторых, ответ антиоксидантной системы определяется степенью и продолжительностью стрессового воздействия. В-третьих, реакция антиоксидантной системы зависит от характера стрессового воздействия, но смысл таких различий остается неясным. Нет ответа на вопрос, почему при разных стрессах усиливается активность одних и не изменяется или падает активность других ферментов-антиоксидантов. И наконец, реакция антиоксидантной системы на стресс может зависеть от исходного уровня антиоксидантной активности, который, в свою очередь, определяется физиологическим состоянием растения. В принципе, активность ферментов - чрезвычайно вариабельный показатель. Прежде всего, существуют суточные ритмы в экспрессии генов, в том числе они были показаны и для генов ферментов-антиоксидантов у ряда растений (Полесская, 2007).

В соответствии с принятым делением биологической организации на уровни возможна и классификация адаптивных реакций, которые определяют клеточную, тканевую, организменную и популяционную устойчивость к неблагоприятным факторам (Коваль, Шаманин, 1999).

1.2. Устойчивость растений к высокой температуре

Реакция растений на повышение температуры зависит от величины стрессового фактора и длительности его воздействия, а также от стадии

развития: наиболее чувствительны репродуктивные органы (Wahid et al., 2007). Если условия воздействия варьируют в пределах толерантной области жизнедеятельности растительной клетки, то это не нарушает гомеостатическое состояние живой системы. Почти для всех растений наиболее благоприятным является диапазон температур от 10 до 35°С, а температура 35°С - пороговая температура перехода от благоприятных к неблагоприятным условиям жизнедеятельности (Косулина, 1993). При очень высоких температурах серьезные повреждения или даже гибель клеток происходит за минуты, что можно объяснить катастрофическим коллапсом клеточной организации. На средневысоких температурах повреждение или гибель может наступать после определенного периода экспозиции (Wahid et al., 2007). Кроме интенсивности и длительности воздействия повышенной температуры, большое значение имеет скорость ее повышения. В работе Мелехова с сотр. (1979) на основании измерений интенсивности видимого фотосинтеза у листьев тополя бальзамического было показано, что скорость нагрева влияет на регуляцию листом собственной температуры. При более медленном повышении температуры растение успевает адаптироваться к изменившимся условиям, в то время, как при быстром нагреве уже в зоне оптимальных температур происходит ингибирование скорости видимого фотосинтеза (Мелехов и др., 1979).

Имеется достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что в связи с физиологичес�