Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика активности фотосинтетического аппарата в онтогенезе злаковых культур

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Динамика активности фотосинтетического аппарата в онтогенезе злаковых культур"

АКАДЕМИЯ Ш РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ИНСТИТУТ ЭКСПЖРтШШЬНОИ БОТАНИКИ ИЫ. В.Ф.Купрешча

' I й О п 118 правах рукописи

Ц УДК 581.132

АЖГИРЕВИЧ Андрей Николаевич

ДИНАМИКА АКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА В ОНТОГЕНЕЗЕ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР

(03.00.12 -Физиология растений)

АВТОРЕФЕРАТ

даосертации на ооисканиэ ученой отеггета кандидата биологичеохих наук

№шск - 1994

Работе выполнена в Институте им. В.Ф.Купревича ¿НЕ, Минск.

экспериментальной ботаники

Научный руководитель:

Оффициальные оппоненты:

доктор биологических наук В.М.Иванченко

доктор биологических наук Э.В.Ходасевич

доктор биологических наук В.Г.Реуцкий

Ведущая организация: Белорусская сельскохозяйственная академия

Защита состоится " " ¿¿ок^_ 1994 г. в часов

на заседании специализированного совета К 006.04.01 по завд кандидатских диссертаций при Институте экспериментальной ботанш им Купревича ДНБ (220072, Беларусь, г. Минск, ул. Ф.Скорины, 27).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экспериментальной ботаники им.Купревича 1НБ.

" Г~ " Ме^Р_ 1994 г.

Автореферат разослан ''

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

■ С ¿у^и.в.рогульченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Вопрос об изменениях фотооинтева в онтогенезе раотений как иоотоятельвая проблема был поставлен на рубеже тридцатых годов. В •о время была выполнены исследования Соковниной (1928), Тагеевой 1931), Эйдельман (1933). Однако эти работы отрадала рядом иодических недостатков н поетому несли веоьма ограниченную [формацию. Найболее позитивными в методичеокои отношении и найболее (отоятельными были исследования,выполнение Сингом а Лавал (1935), а нее Катунским (1939,1941). Именно из последних исследований отало швидно, что имеет меото динамика фотооинтеза, обусловленная >эраотои раотений, которая проявляется независимо от возраста гдельных лиотьев.

Воостс;х)нпяэ иооледования динамика фотосинтеза в онтогенезе ютений а ее причин веоьма важно, так как это позволит раскрыть гопень и механизм влияния всего раотительного организма на етот тоцесо, а также выяснить значение во для продуктивности растения, га вопроси остшотоя невыяснеными до настоящего врсиени.

Тахиы образом, вадачей ваших исследований являлооь изучение щамикя фотооинтеза в онтогенезе раотений, причин, ее Зуславливаших, и механизмов, через которые сна реализуется.

Основные цела работа

Цель данной работы заключалась а выяснении наличия загеиетичосксЯ регуляция процесоа фотосинтеза в онтогенезе аучаемых культур.

Научная новизне и практическое значение работы

Впервые проведено наиболее комплексное исследование изменения артмотров фотосинтезе в онтогенеза целого раотення на различим рсвлях организации Фотосинтетического аппарата.

Установлено наличие однотипной сезонной динамики (выраженной в ¡¡ц& одневерсжтой хравой) всех иоследованшх характеристик фото-¡штетячвского аппарата в показано наличие определенной "стратегии" онтогенетическом развитии фотосизтетвчеоксй функции, направленной а увеггчензо ее эффективности а соответствии о потребностями астзтельяого организма в продухтах деятельности фотосинтеза к фаз о с^арсгакгя репродуктивных органов. Полученные результаты являются аггоаи для пзнгиания регуляция Фтгосинтетичэско® функции в системе см Стззедг целого растеам в связи о его развитии* и формированием эхгг/езтов, что нзобхсдак? дгя поиска путей его - 3 -

оптимизации, ведущих кповышению продуктивное та раотений.

Апробация рвботы

Результаты иооледований по теме диооертации излокены в обоувдев на конференции молодых ученых Беларуси и Литвы (Беловежская Пуща 1991), на мевдународноы симпозиуме "Хлорофилл: структура, биосинтез функция" (Ыинок, 1993). на Путинских чтениях 8-11 июня 1993 г. (ИЕИС, Пущино),

Публикации. По материалам диооертации опубликовано 3 работы.

Структура диссертации

Работа состоит из введения, обзора литературы, ошоания объекте и методов исследования, изловения результатов и их обоувдения заключения, выводов и ошока цитируемой литературы, включаицего 20 источников. Работа изложена на 122 ограницах машинописного текста включая 25 риоунков в 1 таблицу.

Принятые сокращения. Фл - флуореоценция, К I, К II фотосистемы I и II сооттв., РЦ - реакционные центры, Хл- хлорофил ЭТЦ- електронтранопортная цепь, СФ -фотофоофорилирование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССУВДОВАНШ

Объектами исследования олуяили два сорта мягкой яровой пшениц (Triticum Bestivum I.) Лютесцено 62 и Саратовская 29. а такае ячыен (Hordeum vulgare) сорта Звзерокий, выращиваадиеоя в условия полевого, и вегетационного опытов, а таюае в климатичеокой камер при факторостатных хлиматичеохих условиях. Для исследований брало второй сверху лист, а начиная о фазы колошения-фдаговый. Измерени проводилиоь утрем (до 12 часов), чтобы избегать влияния полуденно депрессии фотосинтеза.

Углекиолотный газообмен измеряли на отделение»! от раотени лиоте, помещенном в оосуд о водой при температуре 23-25°С (в олуча полевого и вегетационного опытов), и не интектном лиоте {опыт климатической камере), о помощью инфракрасного газоанализатор Ивфралит -4 (пр-ва ГДР) в закрытой системе. Для получения световы кривых фотосинтеза использовали нейтральные оветофильтры пропусканием 0, 30, 60, 75. 90 % . Суммарное сопротивление даффузи С02 рассчитывали согласно методике Тоошшга (19S4) из оветовы кривых. . Для измерения траневдрвции ласте использовали мкхро : - 4 - .

,:сяхромотр ва основе дифференциальны! термопар.

Измерение переменной г- замедленной флуореоценциа (685 ны) проводили на уотановке, принципиальная схема которой аналогична изложенной в работе [Карапетян, Климов, 19713. Регистрацию флуореоценцип начинали после 20 минут адаптации листьев в темноте. Для исследования бралоя фрагмент из верхней трети лиота. Параметры индукционной кривой замедленной флуоресценции определялись согласно методикам, изложенным в работах Веоеловокий, Веоелова, (1990): Закирьянов о ооавт., (1992)» Нестеренко, Сидько, (1993).

Переход фотосинтетичеокого аппарата из ооотояния 1 в ооотоянне 2 регистрировали при помощи флуоресцентной установки, в которой аспользовалаоь дополнительная подоветка дальним красным светом [0ридлянд,4991].

Для выделения хлороплаотов попользовали ореду, оодераащув 0.225 Ы сахарозы и 0.01 Ы MgOl«, на 0.05 М трио-Н01 буфере,pH 7.5. Концентрацию хлорофилла в суспензии' определяли по методу Арнона 'Anión,1949). При определении содержания цятохроиов для выделения хлороплаотов использовали ореду следующего ооотава« 0.001Ы HgClg, 0.001М Йл012, 0.002 ZDTA, 0.225 Ы оахарозы, 0.1* бычьего оывороточного альбумина (вео/объем) во 0.05М трио-НС1-буферв,рН 7.8. Для получения оуспензии тнлакоидных иембрап в хачеотве детергента использовая? Трэток Х-100 [Родионов,1990).

О скорости реакции Хклла судила по оксрости восотановления хлоропластсми форрицашсада калия на свету. Степень воооталовленности K^Pe(CN)g измеряла на спектрофотометре СФ-46 при длине волны 420 ни. При исследовании одектронного транспорта в олучае о дих."ор$енол5шдофонолетл в качестве акцептора вносили 5 ДХК5®. Для исслодсванля окороота влектронного транспорта на участке фотосистемы 1 реакционная среда содержала в хачеотве донора мзк-грснсэ пару ДХ«К> (Ю"5Ы) f аокорбат На (1.25 Ю~2Ы). Акцептором в.-.сктроиоа олуши иаталвиологен (10"^Ы). Транспорт електрснсв в фотосяоуеио 2 кдгабярзвелея внооением в роехционяую смесь И яаурсна (Гаврллопхо,19551. Скорость цгаслического (о ШС о качестве ка;&хгорэ) я яецячл?лесксго (о K^?e(C?J)g в качестве кофактора) SoTcCooJcrrjapcBv-ая с;;роделяяи ласшесцвнтиим методом по количеству образсаакяого ATO UazsrzRa.PyCza. 1971) с acucsív азтсыатгзкрованксй сзс теин всследозаягя яагкнесцекииг "ЛкакХ-эр 02М* к Сга:пеяоду>н?7лго АТС- реагенте ES ОЖОВ« рвстгорвшой. явцафгреза сглгляхсв.

Содержание датохромов определяли методом дифференциальной апектрофотометрда ва спектрофотометре Spekord UV-VIS (ЭД>). Регистрировали дифференциальные спектры "окисленный -минус восстановленный" суспензии мембран тилакоидов в области 540-570 нм [Вечер, 19741 Anderson,1988].

Количество хлорофиллов а и Ъ и общая оуимч каротиноидов определялись на спектрофотометре СФ-46 и рассчитывались по формулам, приведенным Кумбо (1989) для хлорофиллов и Wettstein (1957) для каротиноидов.

Большинство данных подвергнуты компьютерной статистической обработке.

• РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

1. Динамике•002-газообыена в онтогенезе растений.

На рисунке 1 предотавленн кривые интенсивности фотосинтеза н темнового дыхания в онтогенезе двух сортов яровой пшеницы и ячменя сорта Зазерский. Из них видно, что сезонный ход интенсивноств ассимиляции COg у обоих оортов представляет одновершинную кривую о максимумом в период трубкования-колошения. Как' оказалось, сходные результаты имеют меото при выращивании растений в полевых условиях, в вегетационном павильоне и климатической камере. Как ыскно видеть нз графиков, интенсивность темнового дыхания изменяется практически параллельно интенсивности видимого фотосинтеза, что стрекает теснух взаимосвязь етих процессов. Из полученных нами результатов и даннкз литература очевидно, что на последнем отрезке ' онтогенеза величин* темнового дыхания снижается гораздо более плавно, чем интенсивности фотосинтеза, о чем овидетельотвует динамика отношения темновогс дыхания к фотосинтезу (R^/A) в онтогенезе изучаемых культур. Отношение' R&/k возрастало о величин 0.15 - 0.2 в начале вегетации д< 0.4 - 0.5 к концу онтогенеза. К концу онтогенеза ето безуслов® отражалось на сезонном ходе кривой фотосинтеза. В ходе онтогенез« изучаемых культур изменялся й ковффшшент затрат На дыхание С (iösi iaotor) (рио.2). ВозМоЕно, <itö в Кбнцё SereieUrai, неко?ар0< возрастание коэффициент^ ööTpfii обубловЯей© уоёШёййёУ дыхательное енергообмена,. связанным б йёрёр&бйрёДейатаем вебШШЛ-ов мевд соломиной и верно«.

На рис.. 3 предотавлена безойНйЯ динамика оуымарног< сопротивления1 диффузии С02 (Ер). ¡Значекйё суммарного сопротивлении " -6 - ■

А,:

3530 •

20 -

10 -

0

-10

С02 м~20~1

'Ч---

г ^ ■ 1

'•I-------

дни после всходов

кущ трубкование колошение цвет спел

?ио.1. Сезонный ход интенсивности фотосинтеза (А) 'л темнового дарения яровой пшеницы и ячменя

-Лютесцене 62, полевой опыт

----Саратовская 29. полевой опыт

-----Саратовская 29, вегетационный опыт

........ Саратовская 29. опыт в климатокаыере

—«—зазерсккй, вегетационный опыт

Йд/А.отн.ед

С.отн.ед

• Е

0.5-

0.4-

о.з о—> — -

о-

0.2-

0.1-

20 30 40 дни

50. 60 п о о л е

Рис 2.Отношение темпового лихо-кия к БШЗОДОМу фотосинтезу (Йд/А) ( - ) и ковф—

фишэнт зптрат но дыхание

С (----- в онтогенезе

даошцы Саратовская 29 ( & ^ И Лютосионс 62 (о

с см г

,-1

■0.8 25 -20

0.7 0.6 0.5

10 -

Е.мгл м~2с"1

20 30 40 50 60

всходов

Рис.З. Сезонный ход суммарного сопротивления диффузии

•С02-Гг <- )

и тронспирации (----)

б онтогенезе пшеницы Саратовская 29 ( & ) и Лютесцено 62 (

(включающего, как извеотно, как устьичное, так и мезофилльно« сопротивление) снижается о начала вегетационного периода и находите* в минимуме на протяжении значительной его чаоти, а затем резке возраотает в начале цветения. Тот факт, что диффузия С02 черег устьица (которая пропорциональна интенсивности транспирации), достигает максимума в момент, когда суммарное сопротивление диффузизг СО^ (рис.3) еще не доотигло минимума или ухе прошло его, свидетельствует об отоутотвда ограничений интенсивности фотосинтезе за очет поступления С02 в межклетники листовой паренхимы в середине вегетации. Быстрое увеличение Ер после цветения вероятно обусловлено сложением частичной потери проводимооти через уотьица о мезофшльныы сопротивлением диффузии С02-

На рио. 4 (а,б) представлены полученные нами семейства оветовш кривых в онтогенезе изучаемых злаков. Изменение их хода хорошс отражается в динамике их параметров.

Сезонный характер изменения тангенса угла наклона езотовш кривых пшениц Лютеоцено 62 и Саратовской 29 предотавлен в табл. 1. Изменения рассматриваемого параметра в целом отрезает сезонную динамику интенсивности фотосинтезе, причем у пшеницы Лютеоцено 62, обладающей меньшим фотооинтезом при насыщающей интенсивности свете тангено угла наклона имел, соответственно, меньшие величины. Пс начальному наклону световой кривой « можно оудать об эффективном! использования овета в ходе фотосинтеза [Лонг, Холлгрен, 1939]. Максимальная величина а ; Лютеоцено 62 в онтогенезе начинав: снижаться еще до того, как интенсивность фотооинтеза доотнгаез мвксимвж-¡ой величины, а у Саратовской 29 до того, как максимально фотосинтез начинает снижаться. Следовательно, световые реакции не данном втапе работают о определенным запаоом. Замечено также, что 5 Саратовокой 29 при более выоокой эффективности усвоения оолнечно4 енергии имеет меото более, продолжительное нахождение интенсивное тт фотосинтеза в максимуме.

Об эффективности использования раотением огетовой енертии можне также оудать по величине интенсивности света, при которой доотигаетоя половина максимальной скорооти фотосинтеза (1/20). Согласно полученным нами данным (табл.1), 1/2 0 изменяется весьме незначительно у Саратовской 29 (в интервале 60-70 Вт /и ) и в более широких пределах у Лютеоцено 62 (в интервале 68-90 Вт/м~2). Различи в оезонном ходе данного параметра также отражают некоторое различи« в еффективнооти. использования внэрпга света фотооинтетичеоюа

— 8 -

А.мкМ С02 и'2о'1

35302010 0 ю

А,мкМ С02 м~2с~1

30 65 95 130 160 Вт«"*

20 10 О -10

95 130 160 « Вт м

ис.4. Семейства световых кривых -фотосинтеза в онтогенезе пшеницы Лютесцеяо 62 (а) и Саратовская 29 (б): полевой опыт. 1 - 20 дней после всходов, 2-30 - " -

3-40 - « -

4-50 - " -

5-60 - " -

Таблица 1.Количественная оценка световых кривых фотосинтеза яровой пшеницы Лютесценс 62 и Саратовской 29.

Возраст (дни после всходов Лзотесценс 62 Саратовская 29

А гпзх Б-ср. квадр ошибка 1/20 -2 Вт м tg в П -2 Вт м А тах Б-ср. кзадр ошибка 1/20 -2 Вт м tg а Л -2 Вт м

20 30 40 50 60 13.7 0.10 70 1.0 95 21.5 0.16 82 1.9 110 29.7 0.23 80 1.7 ЮЗ 27.6 0.22 90 1.5 99 9.8 0.04 68 0.8 132 24.1 0.14 71 1.5 87 31.9 0.28 65 2.6 90 33.4 0.25 64 2.7 105 26.0 0.18 66 1.8 107 8.2 0.08 72 0.7 142

аппаратом у eme сортов.

Об втом тайке можно судить по изменению интенсивности радиащ приспособления (П) [Тооиинг.1984]. Как видно из табл. 1. величин ИРП остается довольно стабильной ka протяжении онтогенезь изучаемых сортов пшениц и только к концу вегетации резко возрастаем Таким образом, на протяаении большей чаоти онтогенеза величина 4>aí необходимая для достижения максимальной интенсивности фотосинтез£ относительно поотоянна (что свидетельствует о высоком КГ фотосинтезе). Она возраответ лишь при старении, одновременно падением КЦЦ (эффективности) фотосинтеза.

Найболыше в ходе развития растений значения интенсивное^ фотосинтеза при насыщапцих величинах света в наш

исследованиях наблюдались в фазу колошения (табл.1).

Динамику параметров фотосинтеза в онтогенезе следу« рассматривать как следствие изменений в свойотв!

фотосинтетичеокого аппарата по мере развития растений. Приведена ниже материалы не только потвервдают это, но в некоторой' степи позволяют понять ряд причинных связей.

2. Динамика концентрацаонно-функциональных характеристик фотосинтетичеокого аппарата в онтогенезе пшеницы и ячменя.

2.1.Содерканис фотосинтетических пигментов.

Увеличение оодеркания хлорофилла а и суммарного ссдеркан хлорофиллов а и Ъ наблюдалось к середине вегетации у шпени Саратовская 29 и ячменя Зазерский (рио 5). Концентрация хлорофилла и квротиноидов претерпевала менее существенные изменения онтогенезе растений изучаемых сортов злаков. Соотношен хлорофиллов а и Ъ в онтогензе преимущественно не изшнялось. пшеницы Саратовская 29 нами наблюдалооь небольшое увеличен содержания Хл b во время цветения, в то время как содержание Хл снижалось. Увеличение оодеркания пигментов в листьях растений моменту формирования генеративных органов, по-видимому, следу рассматривать как свидетельство увеличения числа елементарв функциональных единиц фотосинтетяческого аппарата, поскольку так путь должен способствовать росту интенсивности фотосинтеза, что к раз имеет место в етот период. Снижение содержания пигментов второй половине вегетации обусловлено смещением баланса оинтеза распада хлорофиллов в сторону второго, вовязи о постепенг деструкцией фотосинтетических единиц при старении растения.

- 10 -

2. Скорость электронного транспорта

Сезонная динамика реакции Хилла о феррицианидом калия в качестве цепторз электронов у пшениц Саратовская 29 и Лютеоцено 62 за 1990 д в условиях полевого опыта характеризуется одновершинной кривой о «симуыом у обоих сортов (рис. 6), который приходится на более вние фазы развития по оравнению о максимумом интенсивности (тосинтеза. Следует отметить, что оорт о более высокой гаенсивностью фотосинтеза Саратовская 29 обладал и неоколько более юокой скоростью реакции Хилла на протяжении всего периода щивидуального развития. В то же время у пшеницы Саратовская 29 в )гетационном опыте максимум в скорчзти реакции Хилла практически звпадал по срокам о максимумом интенсивности фотосинтеза. Сезонный зд ФХА хлорошюотов пшеницы о ДХФИФ был аналогичен таковому в

тучае использования феррпцианида калия (рио. 6), однако имела в *

шном случае большую амплитуду.

Обращает на себя внимание тот- факт, что максимум скорости закции Хилла у хлороплаотов пшеницы из вегетационного опыта с 5оими акцепторами электронов приходился на болеее позднюю стадию ззвития (колошение), чем у пшеницы, выращенной в условиях голевого тате. Это может объясняться тем, что более оптимальные условия сращивания растений пшеницы в условиях вегетационного опыта зсколько замедляют старение.

Связь сезонных изменений интенсивности ^¿-газообмена и короста реакции Хилла , просматривается вполне определенно по эньшей мере на начальном отрезке вегетации и во время отарения аотнтельного организма. В то же время можно о уверенностью говорить некоторой избыточвооти продуктов фотохимичеоких реакций в период, огда фотосинтеа находится в максимуме.

Скорость транспорта электронов на участке ФС I также подвержена егснной динамика я изменяется синхронно о изменением скорости еакции Хилла в онтогенезе растений, хотя а в существенно более грвниченных пределах (рис. 6). Это свидетельствует о том, что отооинтотяческий аппарат в онтогенезе претерпевает комплексные зменения, о чем и говорят выоокая оинхроннооть изменений отдельных аотных реакций.

«

•3. Скорость фотсфосфорялирования.

В ходе шдатидуального развития пшеницы Саратовская 29. ырааенной в условиях вегетационного опыта наблюдалось оильное

- 11 -

юМ / да

мкМ КзРе(СН)6 ^Хк ч

Рио.5. Сезонный ход содержания фотооинтетических пигментов в листьях пшеницы Саратовская 29. Вегетационный опыт.

•хлорофилл а

----хлорофилл Ъ

------ суммарное соДерка-

ние Хл а + Ь ..........каротиноиды

1500

1000 -

500 -

мкМ ДХФИФ

-1000

I ' ' I" . 20 30

всходов

40 50

—,— 60

500

РИО.-6.Сезонный ход транспорта электронов по ЭТЦ в хлоропластах пшеницы Лютесценс 62 ( о ) к Саратовская 29 ( ь К ------— р-ция Хилла с К^еССЮ^

— — р-ция хилла с ДХФИФ ......... скорость межсистемного

електронного транспорта-»

Ш<М АТФ МГ Хл~ V1

1500 Л

1000 -

ДНИ

150 -

100 -

нй мг-1 ХЛ

50

20 30 всходов

40 50 60

Рис.7.Сезонный ход интенсивности фотофоофорилирования хлоро-пластов пшеницы Саратовская 29. Вегетационный опыт.

нециклическое ФФ ——-циклическое ФВ

Рис.8.Сезонный ход содержания переносчиков электронов в хлоропластах пшеницы Саратовская 29. Вегетационный опыт.

цитохром 1

----цитохром Ь,

— —"-цятохроы ъ.

559 6

увеличение обоих типов Оотофоофорнлирования (циклического- д. нециклического) у растений на стадии колошения - цветения,, причем интенсивность циклического Фй преобладала над таковой- нециклического практически на протяжении всего онтогенеза (рис Л").. Пргрсшой более раннего максимума в интенсивности фотофоофорилирования у пшеницы по всей видимости являетоя резкое- повышение потребности в макроэргических соединениях во время образования дополнительных боковых побегов в период кущения (высока» интенсивность которого наблюдалась нами в данном опыте).. Присутствие второго, не столь ярко выраженного максимума в период колошения- цветения по-видимому обусловлено ростом потребности в макроергах интенсивного транспорта ассимилятов в овязи о формированием репродуктивных органов. Следует отметить,, что сезонная динамика фото- фосфорилирования у пшеницы совпадает о сезонной динамикой реакции Хилла, что свидетельствует о высокой степени сопряженности электрон- транспортных реакций о образованием восстановителей. Сопоставление сезонного хода кр:шых ассимиляции С02 и СО позволяет предположить. что у исследуемых злаков имеет меото некоторая избыточность макроергов по отношению к потребности ассимиляции С02 на большом отрезке онтогенеза в овязи о чем снижение скорости их образования не препятствует некоторое время дальнейшему росту интенсивности фотосинтеза» Этот факт по-видимому можно рассматривать как свидетельство того, что АТФ, образующаяся в хлороплаотах, используется не только на ассимиляцию С02, но и в других енергозависимых процессах клетки, я особенно сопряженных о делением клеток в период интенсивного роста раотений.

2.4. Концентрация переносчиков электронов.

Как известно [Heike,Rode0,l986], пэреноо электрона в линейной цепи переносчиков между двумя фотосйотеыами монет являться лимитирующей транспорт електронов стадией. Максимальная пропускная способность ЭТЦ в условиях насыщающей интенсивности света зависит от концентрации переносчиков електронов, цитохромов bg а f-типов [Beike.Neef,1989). Содержание цитохромов bg и f изменялось в онтогенезе у Саратовской 29 и ячменя Зазерского в по одновершинной кривой, как и большинство ухе обоуадавшихся выше фотосинтетических параметров (рио.8 а,б). Следует отметить, что максимальное содержание рассматриваемых цитохромов у Саратовской 29 приходились на более ранние сроки вегетации,чем максимальная интенсивность фотосянеза и, как ожидалооь, оошадала по времени с динамикой скорости транспорта електронов. Несовпадение сезонной дяяамккц

- 13 -

електроЕ-транотортвых реакций и содержания цитохроыов о динамикой интенсивности фотосинтеза говорит в пользу того, что рост интенсивности фотосинтеза на начальном отрезке сопряжен о роотом эффективности работы ЭТИ. Падение содержания переносчиков во второй половине вегетации не влечет за собой снижения скорости ассимиляции С02. Это можно объяснить избыточноотью их фонда на этом отрезке онтогенеза. Изменение содержания цитохрома Ь^ в онтогенезе изучаемых сортов практически полностью повторяло характер изменения содержания других цитохроыов (рис.8 а,б).

Полученные данные свидетельствуют, что концентрация переноочиков електронов работы выступает как регулирующий фактор по отношению к световым реакпиям в мембранах тилакоидов в онтогенезе растений и, соответственно, ассимиляции С02<

2.5.Перераспределение анергии возбуждения между ФС I и ФС

В природных условиях интенсивность и спектральной состав овета, температура и другие факторы существенно изменяются в течении дня, а также за вегетационный период, что является причиной того, что различные пигаентк-'е комплексы фотооинтетического аппарата могут Сыть в развой степени обеспечены приходящей радиацией. Это может приводить к неодинаковому возбуждению различных пигментных комплексов. Чтобы синхронизировать работу двух фотосистем, существует специальный механизм перераспределения поглощенной пигментами анергии света - быстрые адаптационные перестройки в фотосинтетическои аппарате - так называемый переход фотосинтетических мембран из ооотояния 1 в состояние 2 (Вопа?еп1ига,Муегв,19б9г 7егпоП,1974 ]. В основе механизма перехода состояний 1-2 лежит процесс перераспределения оветоообиранцих пигмонт-белковнх комплексов между ОС I и ФС II, который регистрируется по изменению относительной флуоресценции ФС II.

В нагих исследованиях существенное возрастание выхода флуоресценции СС II при предварительном освещении листьев дальним крвснш свете« набладалкоь только у молодых рвотений , находящихся в фазы всходов, и практически отсутствовало уже в фазе трубкозакия (рас 9). Эти данные свидетельствуют о тоы, что эффективный перенос оиоргни от ОС I к СС II хароктерен для хлоропластов из лиотьев молоды* рчогеннй. Следует отметить, что вто ваходитоя в полном соответствии о ходом многих показателей, характеризуюсь сезонную Я2впм;а<у световых реакций, свадотвльствупетс об их некоторой избыточности по отнесению к реакции сссимйляшш С02. Возмскао, что

- 14 -

именно о этим отпадает необходимость такого рода подстройка фотосинтетического аппарата на последующих этапах развития растений. 2.6.Возрастные изменения флуоресценции хлорофилла листьев пшеницы.

Учитывая выоокую информативность параметров индукционной кривой флуоресценции и особенно медленного ее компонента, наш проведен анализ параметров кривых флуоресценции в онтогенезе пшеницы Саратовская 29. В частности, оыло выделено несколько характерных типов индукционных кривых:

Тип А (рис Юа). Такой тип кривых флуоресценции регистрировался нами для листьев пшеницы и ячменя в фазу колошения- начала цветения. Для него характерно наличие хорошо выраженного пика SMT, причем пик достигался за 7-9 секунд после начала освещения. Вслед за пиком наблюдался постепенный - спад интенсивности флуоресценции МТ. Амплитуда SM- подъема была небольшой. Временные характеристики появления пика SUT свидетельствуют о высокой скорости активации ферментов циклаКальшнв и карбоксилирования рибулозодифосфата в ходе индукции фотосинтеза [Robza, Mvards, 1987Î .С этими данными хорошо согласуется высокая интенсивность ассимиляции С02 У растений, находящихся в фазе колошения- цветения.

Тип Б (рис 1061. По форме кривой флуоресценции рассматриваемый тип сходен с типом А, однако для него отмечается более интенсивный PS-спад; отношение амшптуд пиков Р и M сдвинуто в сторону Р, а время появления второго максимума M составляет 12-18 секунд. Кривые такого типа получены наш для растений, находящихся в отадии кущения-начала трубкования. По-видимому, реакции темновой стадий Фотосинтеза не обладают на данном отрезке развития растений высокой' активностью, в то время как интенсивный спад PS указывает на высокую эффективность переноса энергии мезду фотосистемами.

Тип В (рис 10в). Характерен для растений в самый ранни® период онтогенеза (всходы). Кривая индукции флуоресценции типа В обладает сильным пиком Р и отсутствием сколько-нибудь заметного М-ыаксимумо, причем затухание флуоресценции здесь более продолжительно во времени по сравнению о другими типами кривых флуоресценции для листьев растений на последующих этапах вегетации . Медленная скорость тушения интенсивности ФЛ позволяет предположить, что иизкие значения скорооти фиксации углекислоты, а также низкие значения скорости электронного транспорта в ЭТЦ и эффективности фотофосфориларования на ранних этапах вегетации вызваны низкой эффективностью сопряжения между световыми и тедаозыыа реакциями. Возможно, что именно этим

- 15 -

■V*

\

1 ЦИН

Рис.9. "Кривые относительной ин-' т&нсивности флуоресценции при переходе Фотосннтетического аппарата из состояния 1 в состояние 2

1 - всходы

2 - кузение

3 - начало трубкования

1 пин

Рис.10.Типы индукционных кривых флуоресценции хлорофилла пшеницы Саратовская 29; вегетационный опыт.

а)-Тип А, фаза колошения-цветения

б)-Тип Б, фаза кущеиия-трубкования в;-Тип В, фаза всходов

г)-Тип Г, фаза иолочной спелости.

7 г V.

Е&Х'

отн. единиц

Рго.и. 1иномхх» рддв параметров иадтсасннш кравих флуоресценции ь св?сг*ч*з» гавнацк Саратовская 29. • ) - V*, х) - I.

3) -й! -г) - У

V7« 'Л

• ) - Т, к) - Т

• ) -

в1а

6.5

(1)

1<5 -

обусловлено формирование фотостатетического вшаратв о избыточна! уровнем оветовых реакций. Позднее, тогда оспрюкзясогь мегку темновыми и световыми реакциями возрастает (стадия трубкованзя), зга избыточность начинает постепенно устраняться, чтс вырезается в оперекащем интенсивность ассимиляция С02 падении параметров световых реакций. Однако еще ~чачитальный период вто ае лимитирует процесс фотосинтеза (по крайней мере до конца стадии калечения). Тип Г (рис 10г). Характерен для листьев старо паи ра стенай пшеницы, так и ячменя. Форма кравей флуоресценции имеет одновершинный оглагеяньй вид, максимумы почта не вырахзны. Такая форы а отрезает постепеннув деса'рукцгю фотосинтетического аппарата а низкую эффективность мембранных реакций прз прогрэссярупием старении.

Сообразно изменениям формы индукционных кривых флуоресценции изменяются и их параметра, анализ которых приведен нигз. Отношение ?у/?0 (рис.11а) является показателем фотосинтетячеексй активности ОС II в целых листьях. Как видно из рао.11в, для растений, выращенных в условиях полевого н вегетационного опытов характерны одновершинные кривые изменения' отношения ?г/?0 в онтогенезе. Максимум отношения Р7/?0 наблюдался в середине вегетация, после чего следует резкий спад. Такое снижение отношения ?7/?0 указывает на уменьшение фотохимической активности ФС II [Дроздова о ооавт. (1992)]. В частноати, такое снияенко ыозэт быть вызвано уменьшением оветовой енергаи, поотупащей в Щ • (ЕагоЬ в* а1., 1983]. Непосредственной причиной последнего меже? являться падение содержания хлорофилла к втому времени.

Отношение ?_/?„ характеризует интенсивность спаде Оя з фазах Р - 8

. р 3 _

(рис. 116). Увеличение. данного параметре в онтогенезе пшенаш позволяет оделать вывод о тем, что в начале онтогенеза преобладает фотохимическое тушение Чд (точка В достхгеетсз очень бистро). К концу вегетации, вероятно, преобладает Еефотохлгическое гзгван« флуореоцевцел, связанное со отруктургаага перестройками иеибранн хлороплвстов- на поздних этапах вегетация швжиуи Б явия не регаотраровался. Возможно, что в мрвув очередь Ентвнсавяосп. тушения ОД отражает изменение вффскггвностя ооаретевия ивзду световыми в темновыми реакциями фотосинтеза.

Отношение Рщ/Рд отражает интенсивность подъем? В-й (рио. 11в). Данное отношение характеризует запуск уеиновах реазднй фотосзатваз в исыент начала выделения 02 в фиксации, СС^. ИнтеэааЕНсоть

- 17 -

увеличивается в середине онтогенеза, однако.следует отметить* что в начале и конце онтогенеза пик БЫТ не регистрировался, что «свет отражать низкую активность тсыновых реакций но сравнению со световыми в бтот период.

Параметр > (?р/?т) (рис. 11г), В связи о тем, что в некоторые периода онтогенеза пик БЫТ не регистрировался, степень тушения Фл мокко оценить, измерив отношение максимального уровня Фл в точке Р к стационарному уровню флуоресценции Т, что отражает меру индукционных переходов. Параметр т является более общей, интегральной характеристикой кривей затухания, поскольку его величина зависима от всей суммы процессов, определяющих понижение замедленной флуоресценции в секундном и минутном диапазоне. Как видно из рио. 11г, "суммарная" еффектишооть тушения максимальна в ооредине вегетации и снижается к концу онтогенеза. Сходный характер кинетики 7 с интенсивностью реакций СОр газообмена в данном случав отрааает. тесную связь в онтогенезе фотохимической гтадии и ассимиляции ÇOg. К концу онтогенеза также несколько увеличивается и время достижения стационарного уровня Т, отракзя замедление процессов, ответственных за тушение флуоресценции.

Параметр tmlT) (рио. 11д). Параметр является гипотетически

минимальным временем индукции и может характеризовать реактивность фотосинтетического аппарата, то еоть способность системы переходить из состояния о минимальным...фотосинтезе« н. максимальной флуоресценцией в начале индукции к состоянию о максимальным фотосинтезом и огроделензшы стационарным уровнем флуоресценции в конце индукцио'шого периода. Как. видно из рис. 11д, максимум кьблюдается в середине гегегации, поело чего следует небольшой спвд. Максимальное время индукции, таким оорозем, наблюдается в фазы колопения-цветеная.

Параметр «;гД1 (р:с. 11е) представляет собой максимально возмокную t'i'ï jra'скорость спада интеьоазностл Фл. Кзк видно из рис. 11е, возрастает .к концу жгогекоза. Это означает, что скорости процессов, otbotctûoiîhux за тусенке Фл зомодляютсп. Поръмотр (рис. 11К). Саза SUT индукционной кривой Ол

c3vT»0T{!f;iyer иядуюиониоЗ стадии фотоелнтетичеокого усвоения COg, ни ко-rcrprA происходят запуск цикла Кольвшт и образование vi-'TSîo-лтов, изроохсдфввшшх з£ яредвоствухгзй те:дк>вой период. При ого-д ::окьзетолом "лапуекк" гемноьых росизей мохвт олукить время Фл Как н,:;;но из рка. 1 ik, TQ t возрастает во второй

- 18 -

полоняне вегетации в период перехода растений от вегетативного роста к генеративному развития. Из егого можно сделать вывод, что в период роста интенсивности ассимиляции С02 в первой половине онтогенеза активность темновых стадий фотосинтеза, и прежде всего активность РБФКО не ограничивает интенсивность фотосинтеза [Rawen, Glidwell, 1981; Saka Hitoshi, 1985: Sharnsa, Singh, 1989]. Установленное нами увеличение к концу вегетации пшеницы может означать понижение активности темновых реакций, причиной которого могут быть как снижение ферментативной активности, так и уменьшение содержания РЕЗКО.

Параметр « (t) (рис.11з) характеризует среднюю эффективность работы фотосинтетического аппарата в. индукционный период. Как следует из рис. 11з, максимальная эффективность фотосинтетического аппарата в индукционный период достигается к периоду колошения - цветения и хорошо коррелирует с сезонной динамикой С02~газообмена.

Таким образом, анализ параметров индукционных кривых замедленной флуоресценции отражает тесную взаимосвязь световых и темновых стадий фотосинтеза,, претерпевающую в онтогенезе закономерные изменения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хорошо - известно, что интенсивность фотосинтеза представляет собой интегральный показатель работы фотосинтетического аппарата на всех уровнях его организации. Внешние условия й генотип определяют состав, строение и активность фотосинтвтпческого аппарата. Однако в силу того, что фотосннтетическая функция является одной из основных физиологических _ функций растения, следовало ожидать, что фотосинтетический аппарат, претерпевает эпигенетически • обусловленные изменения в процессе развития растительного организма и что интенсивность ассимиляции COg в онтогенезе может регулироваться эпигенетически посредством, смещения баланса дояорно-акцепторных отношений. ...

Установленный на№( одновершинный сезонный ход интенсивности ассимиляции С02, а также ход ряда характеристик СО^-газообмена у изучаемых злаков свидетельствует о том, что что эффективность фотосинтеза Максимальна, когда потребность в. продуктах его деятельности йейбоЯьаая. Это наблюдается к моменту перехода растений от вегетативного роете к генеративному развитию. В этот период фотооинтетйческоыу аппарату необходимо обеспе'шть асснмилятами продолжающееся. формирование вегетативных органов и начинающееся интенсивное формирование репродуктивных элементов.

- 19: - '

Пае тому имеет мзсто постепенное формирование к етоиу времени ооотввтогвушей штанноети фотоезштетнчеокого аппарата на всех уровнях его оргеяязвшш. Увелзгтеаается концентрация его элементов, уяучзавтея сопряженность метку отдельными первичными процесоама. Тек, увеличивается концентрация переносчиков электронов (цитохромов Ъ^.Г), увеличивается содержание хлорофилла. Денные анализа Ю1А/>сисшш1 кривых флуоресценции, полученные на разных этапах рьзватяя рвотенаЗ, позволять сделать заключение о недостаточно гшеокоЗ сопряженаоста световых я темповых рэакций фотосинтеза на по расы йтего швтвияя. Возможно, именно его является причиной ^ормгрсьакая фотосаятетачоского аппарата о некоторой избыточноотью световых peetastS к определенному возрвоту растений. Возможно, что ямнно в салу етого со временем отпадает необходимость Сйахрсюгзаровать рвботу ФС I и СС II и исчезает способность к перероспродвлеюго ояорпи возбуждения между шага. Это же позволяет кв спрогэ.'.еннсы »тало веготвдет оокртагть избыточность оввтовых роьхцк? Coa саутимого влияния на скорость ассимиляции С02. В чеотноста, сготгаотся с сдерган;*в пигментов, переносчиков электронов, е ьыаета в юха коятетво продуктов световых ровкцкй. Таким оброгсы везмояею. что фотосгнтвтичоскаЯ аппарат одаиы вз первых затрагивается рягтагазецзеа ил целой формяровимая ропродукпаг.шх оргшюи. i (-то межа? скезаться вобвзраздгошм для хозяйственной яродуктжгноста, оообоюю веля проаосо втот кечинвотоя рако а с^встввгаэ споро глот Сс^ггрсвсшк зерловок.

ООсСам иежзю сделать синод о том, , что

.¡стссетт ет о ска рьзкгввотся оякхрато о резвзтаем целого

рлегат^лкего ергшпзив в ссотвотстяаз с ого &ггкгояеггческо2 iipxjsлыс-а, но oíacnrwrow. полного цяхло развали»,

искно что о течка зрелая фсрияросшая

хсг^Зсгг^скз кепасЗ Ч8СГ-. jrpesejí ст^гепотгчоокзя r:rcrpci£ua розкггкя ív: rccurro тхч» eira ro cuspan к в всегда га¿летел сю8врсошю2. Трайухггад isletos глубекм ксслвдовигзд резвятся Сотссмнтятячзскгге fcrx.;cro ь сатегвкгз* ptctcuxZ, чтоСи ссяяп и гут* его сеа«рЕ»агтео5жгхк.

швоаы.

* - Сезокнаь хкяздьхз татевгогааези Сстссгзтоза у агетац сортоз Хсггейгдс 62 к Сгрмсгсжаа £9, а t&ksj у ¡¡догна Зазерсйй кареисгзр£зу>гтея адда^хжйсг кразей. с va.*r»jjuaí -в íasa s^roseszn -

* Л ► "

цветения. Такая данеыака навидалась независимо от того. бала ла растения выращены в условиях полевого или вегетационного опытов, ша в условиях климатической камеры. Интенсивность темпового дыхания на начальных этапах онтогенеза яровой пшеницы изменялась практически параллельно интенсивности видимого фотосинтеза я составляла 10-25 % его величины. В конце онтогенеза снижение величины темяового дыхания несколько опережало снижение интенсивности фотосинтеза.

2. Максимальной скорости фотосинтеза в середине вегетации соответствовало минимальное сопротивление диффузии СО, а максимальная транспирация.

3. Рост я снижение интенсивности фотосинтеза в онтогенезе сопровождался соответствугшми изменениями ряда параметров световых кривых, таких как тантено угла наклона линейного участка; интенсивность света, при которой достигается половина максимальной интенсивности фотосинтеза} интенсивность радиации щяспоообленгл; интенсивность ассимиляции С02 при наскщащих величинах света.

4. Максимум скорости электронного транспорта о искусственными акцепторами (феррицианвдом калия и ДШ5Ф), скорости переноса электронов между фотосистемами (о данорси электронов в виде восстановленного аскорбатоы ДЗййФ н акцептором' - ыетилвяологенси), скорости нециклического (о К^РеССЫ)^ в качестве кофактора) з циклического (о СВ1С & качестве кофактора) фотофоофоралировазня, концентрации пипгантоа а пареноочиков электроноз (щггохрсиы 1, Ъ£) приходился на более рэннЕ® фазу развитая раотений (трубкованив, колошение) в сохранялся меньшее время, чем у кривых интенсивности. фотосинтеза. Следовательно, втн характеристика обладает некоторой избыточностью по отношении к интенсивности ассимиляции СО^.

5. Изменение а онтогенезе яровой тшэннца параметров индукционных кривых флуоресценции хлорофьала лготьев такта свидетельствует о тем, что максимальная эффективность функционирования фотосистемы 2 достигается я периоду колошения -цветения н хорошо коррелирует о оезенпай данашкой С02-газообмена.

б. Эффективное перераспределение енергвн дааду «С I. я вС II я связанные о б тин переходы фотосинтетаческах мембран вз соотсяняя 1 а ооотояние 2 и обратно является -характерным для хдоршлвотов гз лиотьев молодых растений. Начиная о фазы трубковгния втот мэханнгм переноса внаргии Ее Обнаруживается.

7. Синхронность роста аа начальном етапе сятогвввза даогах функциональных Хвракте^йогик фотосинтетического аппарате ж

- 21 -

жнтвнсивноота фотосинтеза по-видимому свидетельствует, что последнее является результатом реализации программы онтогенеза растительного организма, которая оргвятзфовсна на достижение максимальной азпвнсивноота процесса запасания внергии к моменту ее максимальной потребности, то есть началу активного форюгровашя репродуктивных органов.

в. В процессе старения фотссинтетичеокого аппарате лимитирование оуша;во2 еффективнооти фотосинтеза проявляется на самых разных уровнях его организации. Одновременно о роотом сопротивления диффузии СО^ в клетку снижались еффективност» транспортных реакций Э711 а количество порапосчаков влектронов, а также вффективность функционирования СС II. Опервжашее снижение ьффективности первичных фотосиктотичосхих процессов , чем ассимиляции С02 в конце вегетации свгдвт«льсгвует об их избыточное» в значительный отрезок вегетации, одкахо в ошсы кски* вогетают возможно именно око предопределяет последушое пахеиле скорости фотосинтеза и как Си явллетод первым проявлении ввчола старения фугосантетзнвского влпвретв.

Сваоок спуогаглзслаа работ по теме да^сергвшш

1.±2геро:згч А.Н. Дсаьмгка замедленней фдуорвэцотзг* фото-йкнатэтосгеого аппврстс лзстьеа сзсксс.' в оитогвкезо./ Сб. тр. мол. Г«. Белсрусв а Лгги, ка., 1992.

2.1тип:Ьсг.Ьэ Т.К., А.N. ГтгА=1ов оГ рКо1овупгь©иоа1

Йщ*1де сгЛсгог^г о! Обгса! р1ол*.о./ РЬоЮвугЛПоиоа, 1993, хо.г, ?.{-эз-бС7.

З.Азстгроиг? А.К., Еьгятнхэ Б.И., Кроодксв Г.Г. Клмвнвинс гарам^тряэ сгвгезух крека ¿стоо»?ога в сатсгеквза «ровса з^впвди./ Е^си! 1К5, евр.йггл., 15Я, £■:>. 2 (8 почета).