Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эффекты взаимодействия основных экологических факторов в адаптивных реакциях рибулозобисфосфаткарбоксилазы и фотосинтеза у С3-растений

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Эффекты взаимодействия основных экологических факторов в адаптивных реакциях рибулозобисфосфаткарбоксилазы и фотосинтеза у С3-растений"

Институт физиологии и биофизики растений АН Республики Таджикистан

На правах рукописи УДК 581.191577.15:541.144

ДОТЛЕВ ШЗШЛО БОКИЕШЧ

ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОСНОВНЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ Й АДАПТИВНЫХ РЕАКЦИЯХ ЖШ030ШСФ0СФЛТ-КАРБОКСИЛАЩ И ФОТОСИНТЕЗА У Сд-РАСТЕНИЙ (03.00.12,- физиология растений)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ДУШАНБЕ - 1991

Работа выполнена в лаборатории биохимии фотосинтеза Института физиологии и биофизики растений АН Республики Таджикистан.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ: доктор биологичеоких наук, профессор

И. М. МАГОМЕДОВ,

кандидат биологических наук, с.н.с.

А.АШШЕВ.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор биологических наук, профессор

К. А./ЛИЕВ,

кандидат биологических наук, доцент Х.Ю.ОЩАШЕВ.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ - Институт почвоведения и фотосинтеза

АН СССР.

1 я~~ V'

Защита диссертации состоится 1991г.

в ЛИ.4« т заседании Специализированного советам 013.08.01 в Институте физиологии и биофизики растений АН Республики Таджикистан (734063, г.Душанбе, ул.Айни, 299/2)

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке им.И.Ганди АН Республики Таджикистан.

Автореферат разослан п I1! " 1991г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат биологических наук

Р.И.ЧЕРНЕР

ОБЩАЯ ХЛРАКТЕГИС ТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что в первичной фик-зации углекислого газа при фотосинтезе растений участвуют цва фермента: ркбулозобисфосфаткарбоксилаза (К.Ф.4.1.1.39, РБФК) к фосфоенолпируваткарбоксилаза ,К.Ф.4.1.1„31, ФЕПК). РБФК занимает каачавун позицию в фиксации С02 в цикле Кальвина у фототрофных организмов ( Jensen , Bahr , 1977; Андреева, 1982; Насиров, 1986; Романова, 1990). Именно с участием этого уникального по своей природе и функции фермента реализуются два важных процесса мотаболизма растонлй:фотосинтез к фотодаханко ( Ogren , Eovmu , I9VI; Романова, 1975; Киув , 1986). Опубликованные данные о влиянии концентрации С02 и интенсивности света (Андреева и др., 1979; Юзбе-ков и др., 1984; Дилова, 1989), а также концентрации С02 (Yeiie et al., 1989), температуры (Йорданов, Василвва, 1976; Gerwiok, William , 1979; Чух7нова, Карпилова, 1984) на активность РБФК, ФЕПК и деятельность фотосинтетического аппарата в цолом довольно противоречит и отражают действие исслвдотшщх факторов каждого в отдельности, вне взаимосвязи друг с другом. Эффект взаимодействия внешних факторов среда в их комплексном влиянии на фотосинтетический аппарат с учетом специфики растений изучен недостаточно. Особое значение приобретает изучение функциональной активности карбоксилирующих ферментов в зависимости от ярусного расположения листьев в целостном растительном организме, а таюке изучение изменений активности ферментных систем в условиях стрессового фона, что позволит глуб-ае исследовать процесси адаптации и степень устойчивости растений к экстремальным факторам среда.

Цель и задачи. Цель работы - изучение адаптивных реакций ключевого фермента фотосинтеза - РБФК и некоторых фотосиктетических показателей листьев Сд-растений (хлопчатник, пшеница, тритикале и режь), при изменении комплекса факторов внешне,! среды.

В задачи исследований входило:

- изучение влияния комплекса факторов шедшей среды (интенсивность света, концентрация CÖ2» температура) на активность и содержание РБФК к ФЕПК, интенсивность фото-

синтеза, фотосинтетический метаболизм углерода, "с одеркашЦ пласидных пигментов и общего азота в листьях растений;

- изучение физиолого-биохишческих параметров фотосш теза в зависимости от расположения (возраста) листьев в ц* лом раоте:ши хлопчатника;

- определение влияния солевого стресса на активность л содернание карбоксилирующих ферментов и на другие фотосинтетические параметры листьев хлопчатника. .

Нау^н^я новизна. Бперше исследован эффект взашлодействия трех основных экологических факторов (интенсивность света, температура и концентрация С02) на метаболическую активность карбоксилируккдах ферментов и других элементов фотосинтетического аппарата Сд-растений, Показано,что поддержание интенсивности света, температуры и концентрации С02 в отдельности на верхнем уровне при сохранении остальных факторов на основном уровне активирует НЗФК, подавляя активность £ЕПК. Сочетание трех факторов на верхнем уровн« не оказывает существенного влияния на активность ЕБФК и несколько активирует ФЕГ1К. Поддержание температуры на вер; нем уровне и интенсивности. света и концентрации С02 на основном приводит к повышению активности и содержания РБФК. Сочетание концентрации С02 на вершен уровне о температурой и освещенностью на основном уровне преимущественно сникает содержание РБФК. Взаимодействие трех факторов на верхнем уровне стимулирует скорость фиксации С02. Обнаружено, что фактори среда как в отдельности, так и во взаимодействии, пс-разноцу влияют иа. соотнотошш продуктов фотосинтеза и (¿оходахания. Уогановяепо, пошлинная температура приводит к замедяокпю фотосФи'еса и фотодихапкя. Верхние урэнш неследу ешх факторов, ггак в отдельности,та; и в сочетании, активируют включение метка в продукта карбокмпир&зания, На уроню целого растенкя хдопчагниуэ у сгоношено, что сяыбатнов изменстае интонсивноота фото-синто'аМчоской ассимиляции С02 а акгшюетд РБФК по яруса!,1 сопровождается соответствущиш изыэнэнпяма в активности ФШК.

Д?я применения метода мате» ьгжгасогак» ¡юсларекшИЕ сяопэгдмэигй создана оке1.',?алъчея

установка, позволяющая изучать влияние комплекса ооновгак внешних факторов (интенсивность света, температура воздуха и концентрация С02) на физиологические фунюси растетай. Тайдэнкыо значения коэффициентов регрессии могут быть ис-тользоваш для расчета направления и ерличенц тагов оптимизации факторов внешней среда с целые достижения шлссмлаль-:гой актишости PEDK и ФЕПК, а также моделирования фотосинтеза у исследованных Сд-растенлй.

Апробация работы. Результаты исследований обеухдалисъ за Республиканской научно-теоретической конференции моло-№ учених и специалистов (Душанбе,1989; Ленинабад,1990), на У Интернациональном симпозиуме молодых ученых по регу-тяцгш метаболизма растений (София, 1920), на Всесоазной конференции "Фотосинтез п фотобиотехнология" ( Пуглино, 1991), на конференции молодых учоннх "Изучение и рациональное использование природных ресурсов" (Уфа, 1991),на совещании "Фиэколого-генетические осноки создания високо-яродуктавннх форм трнтиюле" (Дуввиде, 1291), на Международной конференции "Итоги и перспективы знзиг.юлогических цсследовашш метаболизм углерода при фотосинтезе" (Душанбе, 1991). В"законченном виде работа доложена и обсуздека lia распаренном совместном оешшаре лабораторий биохимия фотосинтеза и кйяшеуляопок бдояопщ и гекной кнкенерин Института физиологии и биофизики растений АН Республики Таджикистан я ¡ссм-щаре лаборатории фотосинтеза Биологического института Лешй'радского государственного университета.

,Пугблцк'Ц.и,и. По материалам диссертации опубликовано 3 работы, 5 находятся в печати.

Структура и объем таботн. Работа состоит из введония, обзора литератур«, описания объектов и методов исследований, изложения полученных результатов и их обсуждения,заключения п выводов. Диссертация изложена ка /$'"<j страницах машинописного текста, содержит A i таблиц и С С рисунков. Список литературы включает. ДбЬ наименований, в том числе l Ç[ на иностранных языках.

ЭКСПЕНШИТАЛЫМЯ ЧАСТЬ Объект, условия и метода исследований

Объектами исследования служили растения хлопчатника ( GosBypium hireutuss I.) сорта 108-ф, тритикале ( Xritioal сорта Восе-1, пшеница ( Tritioum aostivum l. ) сорта Сет-те-ЦеррОС И рожь ( Seoale oereale L. ) сорта Вахшская-116. Для изучения влияния внешних факторов и эффекта их взаимодействия собрана специальная установка (рас. ) »позволяющая поддерживать концентрацию С02 в воздухе, температуру и интенсивность света в соответствии с планом эксперг мента. Области варьирования значений факторов показаны в табл, I. Выращенные в теплице в течение 7-8 дней при теше ратуре 25-30°С и естественном освещении растопил выдеряива ли в течение 3-4 суток в камерах установки в соответствии с матрицей планирования эксперимента по Максимову и Федоре ву (1969) (табл.2) при длительности светового периода 14 часов.

Для исследования отдельных фотосинтетических показателей разновозрастных листьев хлопчатника растения шращи-вали на экспериментальном участке до фазы фтонизации.Для изучения влияния солевого стресса на суточную динамику активности и содернания карбоксилирующих ферментов и на интенсивность фотосинтеза у хлопчатника растения шращивали в сосудах, в гравайно-песчашой культуре до фазы бутонизации и за 10 дней до исследования опытные растения поливали раствором 0,1 М Nací , а контрольные - водой.

РБФ-карбоксилазу шделяли по модифицированным нами методикам Паулсена и Лэйна (Paulsen , bans , 1966), Кювайла (q<*yae et ai., , 1980), Васильевой, Алиева (1981),

Карбоксилазную активность РБФК и ФЕПК определяли при

радиометрическим методом (Романова, 1980) по скорости включения COg в кислотоустойчивые продукты реакции в присутствии субстратов рибулозобисфосфата и фосфоенсшшЕУ-вата соответственно. Радиоактивность просчитывали на жидкостном сцинтилляцпонном счетчике "ГЛарк-Д" (Nuoleer Chioa-gc , CEA).

Для количественного определения содержания PECK в ра-

Рио. Схема установки для проведения полного факторного эксперимента (ПФЭ 23).

1,2 - ультратермостаты доя годдеряания температуры в камерах; 3,5,8,10 - сосуды с буфером Варбурга для под' держания постоянней концентрации С02; 4,6,7,9 - осушители о 50$ н230д ; II - воздушный насос (400-500 л/ч); 12-19 - камеры для выращивания растений; 20 - вентилятор; 21 - термометр; 22 — змеевики териюстатированая камеры; 23 - непрозрачная перегорода; 2-1 - сосуд для исследуемых растений.

Таблица I

Область варьирования факторов в полном факторном эксперименте (ПФЗ 2^)

Еначение факторов

Уровень:Код:---

фактора: : интенсивность; температура :концентрация : I света, Хр лк? воздуха,х2,°С:С02, х3, об Л

верхний +1 7000 ^основной 0 4000 нижний -I 1000

35 30 25

0,3

0,16

0,03

- значения функций отклика для растения основного уровня получены расочетным цутем

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента по плацу ГОЭ 23

Номер эксперимента

1

2

3

4

5

6

7

8

Кодированные значения факторов и их сочетаний!

х2 : х3 :хгх2:хгх3: х2.х3! «гх2.х3

+ +

+ +

+ + + +

. + +

+ +

+ +

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

бота использовали сыворотки против фермента, полученные по схсиэ Володарского (1971) с некоторыми модификациями (Фар-хада, 1987). Сыворотка обладала титром 1:256. Имцуноэлек-трофорез проводили по ( Laurall , 1966) на приборе элек-трофорезной системы "?.!ультифор" (ЛКБ, Швехдея).

Концентрацию белта определяли по Лоурн и др. ( iowry, at al. , 1951). Общий азот после минерализации растительного материла в присутствии концентрфованной серной кислоты определяли по общепринятой методике (Плешков, 1985).

Содержите основных ттаентов в листьях определяли спектрофотоматршй ацетоношх экстрактов. Содержание хлорофилла расчитывали по формуле Вернона ( Vernon , I960), каротиноидов - по Веттштейну ( Vfctts-taln, 1957).

Фотосшмотическуа фиксации *4С02 проводки по катоду описанноцу'ранее (Эргашев и др., 1971).

Раздоленио продуктов спирто-водной фракции проводили с помощью метода двухмерной тонкослойной хроматографии ( Волан, Абдуранланова, 1969) с последующей радаоавтографией.

Все определения проводили в 8-9 повторноотях. Статистическая обработка данных проводилась по Максимову, Федорову (1969) и Доспехощу (1985) по программе, введенной в ЭШ "Электрони1?а"-Д3-20.

ОСНОВНОЕ СОДЕРКАЯИЕ РАВОШ

Влиянно внешних факторов на ассимиляцию С02 у С3-растешШ

изложены результаты изучения влияния отдельных факторов внешней среды (сгет, тегятература и концентрация С02) с учетом эффекта их вэаимодейстшя на актишосгь EBiK и ФЕПК в зашсиыости от возрасаа растений хлопчатника (табл. 3). Полученные экспериментальные данные были использованы для рассчета коэффициентов урашеотя

9 = Bo+BIxI+B2x24 * X2+B5XI' x3+B6x2*x3+a7xI'х2'х3"

' Напомним, что получешшв по Максимову и Федорову (1969) коэффициенты уравнений регрессии отражают: в0 -рассчитаню о значение функции отклика при основном уровне всех факторов? в; для £ =1,2,3 - вклад в функция откяи-

Таблица 3"

Сопоставление экспериментальных значений активности (штлоль ^^^/г.сыр.веса-мин) и ^ содержания (мг/г.сыр.веса) РБФК и ФЕПК (у^ ) с рассчитанными по уравнениям регрессии (у) в листьях хлопчатника, роадаптпрованных под влиянием факторов шешей среды

Номер : Семядольные листья Настоящие листья

экспе-

рим. : содержание активность : активность содержание : активность : активность

Хсм. табл. : рбж РБ5К ; ФЕПК РБФК : РЕФК | ФЕПК

-1x21 •

Измеренные (у£)

i 1,402^,001 2,03*0,20 0,79+0,20 2,42*0,03 7,03+0,33 1,57^0,25

2 3,258^0,002 1,88+0,16 2,66*0,12 3,53*0,08 4,50/1,39 2,08^0,24-

3 3,300^0,001 2,85+0,29 1,60^0,16 2,31^3,06 5,10*0,44 1,84*0,07 .

4 2,900^0,004 3,18^3,2 1,47+0,02 , 4,93+0,04 8,41*0,34 1,52*0,06 ■

5 2,00* 0,005 2,67^0,21 1,72^0,09 1,7243,15 6,79*0,22 1,83*0,25

■ 6 2,300+0,003 3,21+0,40 2,50+0,48 2,94*0,02 7,53*0,86 1,22^,03 да

7 2,500^0,002 1,90*0,14 2,46+0,45 2,32*0,05 6,18*0,33 0,52*0,12

8 3,002^,006 3,67*0,34 2,18*0,26 Рассчитанные 4,79*0,03. по модели (у) 11,26*0,27 0,25*0,13

i 1,40 2,12 0,70 2,42 6,70 1,55

2 3,25 1,79 2,57 3,52 4,54 2,10

3 3,30 2,76 1,56 2,32 5,43 1,71

4 2,90 3,27 1,46 4,93 8,37. 1,44

5 2,00 2,58 1,71 1,72 7,12 1,81

б . 2,30 3,30 2,61 2,94 7,48 1,25

7 2,50 2,00 2,36 2,32' 5,85 0,40

8 3,00 3,58 2,08 4,79 11,31 с,38

на у x¿ при его переводе на верхний уровень (х£ = I), но при сохранении остальных факторов на основной уровне; в^ 1 для £ =5,6 - величину дополнительного вклада эффекта парного взаимодействия на верхнем уровне факторов, произведение которых входит совместно с в[_ б соответствующий член уравнения регрессии при сохранении оставшегося фактора на основном уровне; ^ - аддитивный эффект тройного взаимодействия. факторов на верхнем уроню. Размерность всех коэффи -циентов в(' соответствует размерности функции отклика (у).

Установлено, что увеличите интенсивности освещения от 4 до 7 тыс.лк приводит к увеличению активности обоих ферментов в семядольных листьях и РБФК - в настоящих лмсть-' ях (табл. 4). Повышение температуры до верхнего предела в наших опытах оказало'пояснительное влияние на активность ферментов в фазе семядольных листьев, а в фазе 1-2 настоящих листьев - влияло отрицательно только на активность ФЕПК. Увеличение концентрации С02 в гоздухе от 0,165 до 0,3 об.% увеличивает активность РБФК как в семядольных, так и в настоящих листьях, а ФЕПК - только в семядольных. В настоящих листьях увеличение концентрации С02 до верхнего уровня приводит к подавлении активности ФЕПК примерно на 30%.

Выявлена тенденция к подавлению активности обоих ферментов при увеличении, до верхних уровней температуры и концентрации С02 при сохранении интенсивности освещения на основном уровне. Поддержание названных факторов на верхнем уровне по отдельности понюает активность РБФК, эффект их взаимодействия оказался несущественным.

Результаты исследования содержания и активности РБФК из листьев пшеницы, тритикале и рет представлены в табл.5. Близкое соответствие измеренных (у^ ) и рассчетных (у) значений фикций отклика говорят о том, что уравнения регрессии достаточно полно отракают результаты эксперимента. Из анализа коэффициентов уравнения регрессии следует,, что влияние интенсивности света на верхнем уровне, когда температура и концентрация С02 находятся на основном уровне, выразилось в стимулиро>залии общей активности и увеличении содержания РБЕК в листьях хлопчатника, рай и тшиш0 но в листьях тритикале выразилось уменьшением содергания РЕЗК

Таблица 4

Значение коэффициентов уравнения регрессии в экспериментах с растениями хлопчатника, пшеницы, тритикале и рщ (I -содержание ЕБФК (мг/г.сир.веса); 2 -общая активность РБФК (мкмоль СС^/г.снр.кеса'Шн); 3 -общая агтивгоотъ ФЕПК (шалоль ^С02/г.сыр.воса.мин) ■

Источник : Пара-' :метры Бо : Коэффициенты уравнений регрессии : в2 : в3 : в4 : в5 : %

Семядольные листья • хлопчатника 1 2 3 2,582 2,674 1,923 0,281 0,31 0,28 0,344 0,225 н.д. -0,131 0,189 0,232 -0,256 0,214 -0,383 -0,081 0,265 0,155 -0,043 -0,305 н.д. 0,306 н.д. 0,118

1-ый настоящий лист хлопчатника 1 2 3 3,120 7,200 1,365 0,928 0,825 н.д. 0,468 0,638 -0,312 -0,178 0,840 -0,408 0,345 1,273 н.д. н.д. 0,63 -0,142 0,145 н.д. -0,260 -0,033 н.д. 0,138

Пшеница 1 2 2,466 1,931 0,125 0,453 -0,036 -0,293 -0,076 0,577 -0,356 0,110 0,239 0,106 0,285 0,140 0,121 0,026

Тритикале 1 2 2,040 -0,115 2,458 1,093 -0,415 -0,753 -0,145 -0,590 0,259 -0,283 0,152 -0,575 0,267 0,140 -0,068 0,300

Рожь 1 2 1,498 2,016 0,107 0,846 -0,040 -0,291 0,044 0,189 0,018 0,099 0,065 н.д. -0,047 -0,554 н.д. -0,379

н.д. - значение коэффициента недостоверно отличается от куля при доверительной вероятности с<.=0.05

хашшпд о

Сопоставление экспериментальных значений (у^) содержания (мг/г.сыр.веса) и активности (мкмоль тЗО-э/г. сыр. веса-мин) ЕБФК в листьях ркси, тритикале и пшеницы с рассчитанными по-уравнениям регрессии (5}

Номер '1 Рожь Пшеница --- : Тритикале

.жене

римен-: содеткшше : активность содержание : активность : содержание активность

та : ЕБФК ■: ЕШ ебфк :. ЕБФК : ЕБФК ЕБФК.

Измеренные (ус)

I 1,42±0,02 1,24ЫР,Н 2,50*0,02 2,30*0,08 2,30*0,04 1,69*0,12

2 1,47^0,05 1,89±0,15 3,23^,02 3,58*0,11 3,44*0,01 6,19*0,20

3 1,40^0,01 0,81^0,08 2,81*0,01 1,60*0,11 ' 1,43+0,02 1,07*£>,10

4 1,52.^0,03 3,37±0,06 1,63*0,03 2,55*0,30 1,55*3,01 3,24*0,18

' 5 1,47*0,04" 1,87^0,18 1,54*0,01 1,02*0,01 2,18*0,09 1,98*0,03

е 1,78^0,03 4,22*0,29 2,74*0,03 1^99*0,008 1,87*0,02 2,98^,06

7 1,27^0,02 0,75^0,02 2,51*0,02 0,99+0,18 1,50*0,02 0,72*0,04

8 1,64.£Р,06 I,97^0,23 2,77*0,03 1,41*0,19 л 1,96±0,02 1,79*0,27

Рассчитанные по модели (у)

I .1,42 1,196 2,50 2,27 2,26 1,67

1,47 1,932 3,218 3,61 3,45 6,17

•> и 1,40 0,766 2,81 1,63 1,43 - 1,09

4 1,52 3,414 1,63 2,52 1,55 3,24

5 1,47 - 1,924 1,54 1,05 2,18 1,96 .

0 1,78 4,374 2,74 1,96 1,87 2,96

7 1,28 0,794 2,51 0,95 1,51 0,70

о 1,64 1,926 2,77 1,44 1,96 1,81

при увеличении общей активности фермента, ™с мсжс сЗъяс-. нить повышенной его удельной активностью.

Поддержание температуры на верхнем уровне, когда интенсивность света и концентрация углекислого газа находились на основном уроше, сталировало акхишость и повышало содержание фермента з листьях хлопчатника, а у листьев пшеницы, ркп и тритикало приводило к подавлении как содержания, так и активности РБФК. Концентрация углекислого. газа на верхнем уровне отицулкровала активность РБФК оемя-долыш:с листьев у хлопчатника примерно на 7%, а у настоящих листьев - на 12$, пшо'шщ - на 30$, ржина а в листьях тритикале - подавляла активность фермента па 245». По отношению к осноншм уровням содержание фермента уменьшалось, 1фомз рта, у всех исследуемых объектов.

Сочзтгшие температуры д концентрации ~ углекислого газа па верхнем уровне, а озета - на основном уровне стимулировало как активность, так и ссдоршшо фермента в листьях гшениды и тритикале, ко в семядольных листьях хлопчатник ка и ржи эти параметры уменьшались.

Взаимодействие трех факторов на верхнем уровне оказы-ьало незначительное влияние на актишость фермента как . в семядольных, так и в кастсяярх листьях хлопчатника при заметном увеличении его содержания у семядольных хистъов и подавлении у настоящих листьев. В листьях пшеницы наблюдалось параллельное увеличение этих параметров, в листьях тритикале содержание скикалось, а общая активность фермента увеличивалась, В листьях рзи активность подавлялась, но недостоверно изменялось содержание фермента.

Приведенные оценка свидетельствуют"'б адаптационных перестройках в структуре ферментного комплекса ИЖ, х^торне сохраняются у :ате*евЕС>го из-листа фермоит;-^ Это' шее» поставить код еошение правоьЕориооть иснол:. л.„*нёя яянезагеоо-ких параметров фермента (Кш , Ушах, и ч'.д.) в качестве констант, характеризующих его молекулярные ово£ств?„ "Экс. першент показал, что эти параглзтрк. могут быть ко тела» ввдосшедафичныш, по и отражать услой!я кулъ'хдыр-эшыд . растмшй. --.;■'■-'-•-.' >:

срещт. Скорость реакций фотосштбтдческой ассшда^яцаи утло-

дасугого газа у Од-растениЙ и их продуктивность адаптируются к действию как отдельных Акторов внешней среда, так и их сочетанию.

Из анализа коэффициентов уравнения регрессии (табл.6) еедко, что увеличение интенсивности света от основного уровня - 4 тнс.лк до 7 тнс.лк при выращивании растений (коэффициент Bj) приводит к заметному увеличению фотосинтеза (^гл 50%) у семядольных листьев хлопчатника,на 70$ у настоящих листьев и более чем на 90$ у злаковых культур. Повышение температуры до верхнего урони (см. в2) несколько' подавляю интенсивность фотосшиеза у сомадольнкх и яастоядих листьев хлопчатника, а также у злаковых культур, тфопз пптешщи, У которой наблюдался отполирующий эффект.

Повышение концентрации СО^ (см. B3) стимулировало интенсивность фотосинтеза у всех исследуемых: культур за лсключзнйем проростков ргхи, у которой интенсивность фотосинтеза подавлялась.

Сочетание интенсивности света и температуры на верхнем урош-з при концентрации COg на основном уровне (коэффициент з^) не оказывало влияния на скорость фиксации С02 у семядольных листьев хлопчатника,'дополнительно стимулировало штснспшость фиксации С02 у настоящих листьев хлопчатника и у пшэшщы, но несколько снижало интенсивность фотосинтеза, у тритикале, и у рай.

Эффдкт взаимодействия интенсивности света и концентрации С02 па верхнем уровне, когда температура находится на основном уроше, выражается в повышении интенсивности фотосинтеза во всех случаях, кроме рта (э5). .

Сочетают температура и концентрации С02 на ворхнем уровне п'интенсивности свата на основном уровне (в5) приводило к уменьшению скорости ассимиляции углекислого газа у совдцольных.листьев хлопчатника и тритикале, но дополнительно стимулировало интенсивность фотосинтеза у настоящих листьев хлопчатника, пшеница и ржи. Аналогичное влияние оказывало Tajóse сочетание всех трех факторов на верхнем уровне (в^).

Таблица 6

Значение коэффициентов регрессии для интенсивности фотосинтеза (мг ^4С02/г.сух.веса«час) листьев С3~растений по результатам Ш>Э 2^

^-Значение Источшйй^ ^ Б0 ; * : ®2 I1 {' в4 ' ®5 • =6 ' ®7 "

Семядольные листья хлопчатника

11,765 6,035 -1,085 2,415 н.д. 1,085 -1,035 -1,265

1-ый настоящий лист хлопчатника

3,892 2,722 -0,094 1,286 0,272 0,681 0,206 0,586

Тритикале 5,997 5,871 -0,909 0,441 -0,933 0,393 -1,893 -1,917

Пшенита 6,228 5,859 0,696 0,528 0,765 0,537 0,792 0,711

?ОЕЬ 7,5X4 7,024 -0,836 -0,896 -0,7С5 -0,836 0,254 0,364

е.д, - значение коэффициента недостоверно отличается от нуля при доверительной вероятности о(=0,05.

Увеличение фотосинтеза пол действием повышенной концентрации С02, может, по-видимому, быть объяснено увеличением скорости его диффузии к центрам карбоксилирования в соответствии с точкой зрения Андреевой и др. (1979).

mr^.iujaJsï^in'.aTisa?.-- .В-ЭДтЩ^оТИатта.». В разделе

обобщены результаты изучения влияния комплекса основных факторов внешей среды (с учетом их взаимодействия) на динамику продуктов метаболизма углерода в листьях хлопчатника. которая исследовалась по включению Рассчеты коэффициентов уравнения регрессии приведены в табд,7.

Из анализа коэффициентов регрессии следует,что ичтен-сивность света на верхнем уровне стицулирует вклпчение 14С в фосфоглицершовую кислоту (ФГК) и дифосфаты Сахаров (ДФС), фруктозомонофосфат (ФМФ) и галат, однако подавляет включе-¡гао метки з сахарозу, глзжозомонофосфат (Г®) и глицерат, глицин, серин и аспартат. При сочетании температуры на верхнем уровне,. интенсивности света и концентрации С02 на основном уровне стимулируется включение метки в ФГК; сахарозу.аспартат и шлат. При этих условиях замедляется включение С в ГМФ, аланин, глицин и серин. Подцерганио концентрации С02 на верхнем уровне, а света и температуры в центре области варьирования, стимулирует накопление метки в ДФС, ГМФ, т-лате и аспартате и подавляет - в сахарозе, аланине, глицине и серине.

Эффект сочетания всех трех факторов на верхнем уроше выражается в стимулировании накопления метки в большинстве продуктов, за исключением глицерата, аспартата и продуктов фотодыхашш (глицина и серина), синтез которых подавляется.

Известно,что адаптация растений к повышенным температурам сдвигает фотокомпенсационный пункт фотосинтеза вправо вследствие усиления дшхгная.Ице одна возыояность трактовки температурного подавления фотосинтеза может быть связана с накоплением сахарозы.Во всех случаях,когда вклад факторов и эффект их взаимодействия активирует фотосинтез,отмечается подавление включения метки в сахарозу и, наоборот,подавление фотосинтеза связано с накоплением 14С-сахарозы.

Такую связь можно объяснить ослаблением оттока асси-

Таблица 7

Значение коэффициентов уравнения регрессии в экспериментах по исследованию продуктов фотосинтеза (в % спирто-водщой фракции) у хлопчатника, адаптированных к условиям еношной среда

^ ~Значение' г Продукты во ; Б1 : в2 Б 4 : в5 ' в6 : в7

Сахароза 6,926 -0,825 0,900 -0,550 -1,950 -1,850 1,125 0,825

$ГК 27,338 3,238 0,538 н.д. 0,513 -0,413 -1,188 0,513

Дифосфат-сахара 4,988 1,963 н.д. 0,363 0,738 0,638 -0,413 1,063

1ЬойРзо-монофосфат 4,263 -1,013 -0,938 0,388 0,388 н.д. -0,213 0,813 !

Фруктозо-•монсфосфат 23,213 1,188 н.д. н.д. 2,433 4,388 -4,488 0,663

Алании 3,500 н.д. -0,400 -0,850 0,550 0,500 0,850 н.д.

Глицерат 3,888 -0,588 н.д., н.д. -1,413 -1,363 1,288 -0,438

Глицин и серии II,188 -3г388 -2,363 -1,013 1,863 1,213 1,038 -1,338

Малат , 1,788 0,263 0,313 0,113 1,188 0,488 1,188 0,563

Аспартат 2,413 -1,088 1,263 1,363 - -1,238 -1,338 0,763 -1,138

н.д. - значение коэффициента недостоверности.отличается от нуля при доверительной вероятности ОС =0,05

листов у растений, адаптированных к повышенной темпера-гуре. В пользу этого предположения говорят также отринд-гельные значения коэффициентов В£ для глюкозомонофосфата а аланина. Если это так, тогда можно обосновать рабочую гипотезу о повышенной потребности в фосфоре растений,адаптирующихся к высоким температурам.

Адаптация растений хлопчатника к повышенной концентра-:тии СО2 приводит к уменьшению скорости фотодыхания (см. габл. 7, для глицина и серина в3 ¿.0) и ускорению фотосите-за (см.табл.. 6, где в-,> 0), тогда как адаптация к повышенной температуре приводит к замедлению как фотосинтеза,так я фотодахания. Одинаковая направленность изменений этих процессов при температурной адаптащш указывает на РБФК-эксигеназу, либо на стадию регенерации рибулозобисфосфата, как на возмолаше объекты температурных адаптационных изменений.

Псвшенные значения всех трех факторов как в отдельности, так и в парных и тройном сочетаниях, активируют шшочение метки в мала т. Это может означать, чго выращивание растений хлопчатника при повышенных интенсивностах звота, температурах и концентрации СОо должно приводить к индукции ФЕП-карбоксилазы.

Содертлние пластинных пигментов ц общего азота в дистълх растений. Из полученных значений коэффициентов /равнений регрессии следует, что повышение интенсивности звота приводит к увеличению содержания общего азота у ржи д тритикале, а у хлопчатника и пшеница накопление общего азота подавляется. Однако повышение температур« уменьшает скопление азота только у тритикале (меньше 1%) и в первом настоящем листе хлопчатника, а у других исследуемых куль-гур - увеличивает. Повышение концентрации С02 влияет ана-югично влиянию, повышенной интенсивности света, т.е. накопление азота у рви и тритикале и настоящих листьях хлопчатника также увеличивается, а у пшеницы и семядолей хлопчатника - уменьшается.

Значения коэффициентов уравнения регрессии по содор-каншо пигментов показывают, что факторы внешней среда вызывают изменения з содержании хлорофилла а и набдюдаетоя практически одинаковое изменение относитального содержа-

кия хлорофилла, д, о чем свидетельствует отсутствие досто-1 верных изменений отношения хлорофмллов Исключение наблюдается только для коэффициента в^ у хлопчатника, но сила влияния интенсивности света составила менее Ъ%, что следует признать незначительным, хотя сам коэффициент достоверно отличается от нуля. Недостоверные отличия от нуля значений большинства, коэффициентов уравнения регрессии свидетельствуют о том, что пигментная систола у растеши достаточно хорошо стабилизирована.

Обнаруяено, что почти все изученные параметры фотосинтетического аппарата в листьях проростков хлопчатника, пшеницы, тритикале и ржи, шращенше под воздействием комплекса факторов внешней среды, симбатио коррелируют с активностью и содерканиьм ЕБФК и ФЕПК. Исключение составляет взаимоотношение паркой корреляции содержания РБФК с' интенсивностью фотосинтеза, биосинтезом мялата и аспарта-та, а также активности ФЕПл с биосинтезом аланина и соотношением актишостей карбоясилирукщих ферментов. Приведен^ нии анализ частной и парной корреляции, значения уравнена регрессии показал, что Бее изученные параметры либо непосредственно, либо косвенно связаны друг с другом.

Изучение некоторых фотосинтетических пара' метров листьев хлопчатника

Ярусная изменчивость. Кш.ш исследованы фотосинтетиче< кип метаболизм углерода, активность и оодеркание карбокси-лирувдих ферментов фотосинтеза на уровне разновозрастных листьев хлопчатника, развитлз которнх осуществляется в условиях репхх? кяшнящнуся экологических факторов и, естественно , ибусловяепо адал№циош{п.'л сг.У. -тва;ли растений, сопрозоадакаддыися существенными пораотроЕваъм в фотосште-тическом метаболизме углерода.

Результаты анализа активности карбоксклирущих ферме.' тов (ЕБФК и ФЕПК) показали, что кх абзолма/о величины, а также соотношение между ними, зависят от возраста листьев (табл. 8), По мере развития листьев актишооть ЕБФК возрастает до максимального значения в листьях третьего и четвертого ярусов и далее с;шжазтея. Минимальная активность отме-"2е?с>: в ювваильных льстьях (в данной случае -

Таблица 8

Некоторые фотосинтетические характеристики разновозрастных листьев хлопчатника

о

Активность РБФК

Содоркан. РЕФК

Активность ШК

14 г

Интенсивность фотосинтеза

Активность

ч § :ШЛОЛЬ14С02/:МШОЛЬ14С02/:1Ш!ОЛЬ14С02/

:мг.раствор. :мг.ЕБФК- :г.сыр.веса-« ;белка«шн : мин : мин

мг/г сыр. веса

мплоль1^с02/:мк1лоль1'*с02/ мг.раствор, гг.сыр.веса* белка*мин : мин

мгС02/ г.сух.веса-МИН

ЕБФК/ ФЕЛК

I 0,45чр,02 0,9710,02 6,21^,06 3,36+0,26 0,0910,01 1,1810,01 0,417 5,29

о ^ 0,54-0,01 2,27^,01 8,68^р,02 3,05+0,04 0,10710,01 1,70+0,01 0,516 5,11

3 0,74^0,09 3,18^0,33 18,33^5,33 5,1010,05 0,П51Р,02 2,8410,40 0,736 6,45

» 0,73+0,01 2,84^0,05 18,3311,33 '4,841-0,25 0,15510,03 3,8840,70 0,894 4,72

5 0,46^0,03 2,29^0,12 12,3411,31 4,14+0,08 0,11510,01 3,11^0,27 0,912 3,97

6 0,14^0,02 1,36±0,14 • 2,11+0,22 3,2610,05 0,150+0,03 2,16+0,44 '0,483 0,58

7 0,06^0,02 0,29+0,03 0,8410,07 3,9010,12 0,23810,02 3,9810,26 0,016 0,21

это листья седьмого яруса). Что касается ФЕПК, то ее активность б целом значительно ниже, чем активность РБФК. Листья первого яруса проявляют самую низкую общую активность ФЕ1Ж в расчете на г.сырого веса. Далее вверх по рас тению она растет, затем несколько снижается. Максимальные значения актишостп этого фермента отмечаются в ювешшь-ноы листе. Таким образом, отмечается преимущество активности ЕЖ над ФЕ1Ж почти у всех листьев, за исключением, гавенияьного.

С развитием листа интенсивность фотосинтеза повышается, достигая макстума в листьях 4-5 ярусов, далее несколько сажается. В целом ход изменения интенсивности фо тосинтеза соответствует изменениям активности РБФК. Изучв' ние фотосинтетического метаболизма углерода у листа с как симальной фотосинтетической активностью показало, что более 70^ ассимилированного углерода включается в продукты цикла Кальвина и 48 из них - В ФГК. С^-соединенпя составляют лишь незначительную величину, мзлат и аспартат образуются лишь в следошх количествах. Включение **С-метки в ФГК у ювенильного листа по сравнению с чотворгым листом в 3,8 раз нике, а включение метки в продукты фотодыхания (глитш, серии), наоборот, в 2,8 раз вше. Отмечается также возрастание доли ^^С, включенного в С^-соедакения -аспартат и манат ( ^ 16$).

Таким образом, полученные данные по продуктам фотоси теза на зраком (четвертом сверху) и юьэпильном (седьмом) листьях хлопчатника показывают наиболее существенные различия по соотношению С3-, С^- и С2~продуктов. По-видимому ; именно условия, при которых прож;.с;7?т развитие листа (возраст, расположение), могут влиять на состав продуктов фотосинтеза не только через интенсивность фотосинтеза, ко и через активность ферментов метаболизма С^,-кислот.

Полученные в наших экспериментах результаты позтлил провести сравнительный анализ парких корреляционных связе мелду вакноЙжл показателями фотосинтетичеокой деятель- . кости в целом растении хлопчатника, Обнаружена тесная по-ложитедьная взаимосвязь м&зду следующими покаьателямлгин-тенсЕ.шости фотосинтеза с содорканасн раотэор:,лщх белков ( г «0.774), есодявнш ЩК с аба^й йктгьность».РВЖ •.

( г = 0,815), суммы активностей ЕЖ + ФЕПК со скоростью включения 14С в фосфоглицеринозуга кислоту ( г = 0,715). Тесная положительная корреляция между показателями интенсивности фотосинтеза и активности РБ5К ( г = 0,715-0,815) является отражением той роли, которую играет фермент в фотосинтетическом процессе.

Интересно,что показатели интенсивности фотосинтеза, включения метки в ФГК и удельной активности РБФК актибат-но коррелируют о накоплением *4С в глицине и серине ( т = -С,956, -0,951 и -0,846) и дифосфатсахаров ( г =-0,964, -0,835 и -0,966)соотБетственно. . Общая актишость Ф31Ж аналогично коррелирует с биосинтезом гликолата (г =-0,931). Сравнительный анализ паршх коэффициентов корреляции между различными показателя?.1® фотоскнтетического аппарата позволил выявить' взаимосвязь этих показателей иевду собой. Оценивая изменчивость отдельных показателей, тесно корродирующих с изменением других признаков, можно глубяе понять связи, которые определяют физиологическое состояние растений и процесс адаптации в изменяющихся условиях внешней среды в процессе жизнедеятельности растений.

Влияние солевого стресса. Для раскрытия механизмов интеграции фотохимических и ферментативных реакций используют различные методы а подходы. Одним из весьма популярных подходов является воздействие на растения солевого стресса!, под влиянием которого у растений изменяются многие метаболические процессы. Показано, что солевой стресс влияет на проявление признаков суккулентности, дкфференци-ровку фотосинтезирующих тканей и фотосикт.етическую активность растений хлопчатника (Абдуллаев и др., 1981, 1982; Наснров и др., 1989). Наш обнаружено, что солевой стресс воздействует неодинаково на активность и содержание исследованных ферментов (РБФК и ФЕПК). Под влиянием солевого стресса актишость ключевого фермента фотосинтеза - РБФК подвергалась незначительным изменения:.!. Характер изменений активности фермента в суточной динамике в общих чертах у опытных и контрольных растзний сходный, но обнаружен сдвиг точки максимума. Так, если у контрольных растоний максимум приходится на 18 ч., то у опытных - на 14 ч. и по

абсолютной величине он значительно ниже". Под действием солевого стресса активность ФЕПК изменялась в течение суток значительно, но какой-либо четкой закономерности но наблюдалось и отмечалось некоторое сходство этих изменений с характером изменения интенсивности фотосинтеза. График суточного хода интенсивности фотосинтеза у контрольных растений имеет двухвершинный характер о депрессией около 12 ч. дня. Солевой стресс вызывает не только сильное подавленно интенсивности фотосинтеза го всех точках опроделения в течение суток, что свидетельствует о нарушении координации и интеграции фотосинтетических реакций, но и некоторый сдвиг максимумов вправо. Поскольку под воздействием солевого стресса не обнаружено существенных изменений в активности РБФК, можно полагать, что этот фактор оказывает отрицательное влияние на интенсивность'фотосинтеза, обостряя водный дефицит клетки.

Таким образом, условия засоления оказывают неоднозначное влияние на суточный ход активности карЗоксюшрущих ферментов и резко подавляют интенсивность фотосинтеза.

ВЫВОДЫ

I. Показано, что РБФ-карбоксилаза проявляет большую чувствительность к изменению условий внешней среда, и влияние каждого фактора в отдельности на ее активность существенно зависит от сочетания с уровнями других факторов сро-да и от видовых особенностей растений. Повышение интенсивности света при сохранении других факторов на основном уровне вызывает увеличение как содержания, так и активности фермента у исследованных растений, за исключением тритикале, у которого содержание фермента уменьшается. Высокая концентрация СОо снимает этот эффект по содержанию ИЗ-карбоксилазы в семядольншс листьях хлопчатника и по ' общей активности в листьях тритикале. Высокая температура на фоне высокой интенсивности света уменьшает содержание РБФ-карбоксилазы, у семядольных листьев хлопчатника и пше-ницц, а также общую активность фермента в листьях тритикале. Высокая концентрация С02 при поддержании других факторов на основном уровне приводит к уменьшению содеркания

РБФ-карбоксилазы в лнотьях всех исследованных растений, кроме ржи. Общая активность фермента при этом повышается в листьях всех растений, за исключением листьев тритикале. Сочетание высокой концентрации С02 и температуры, а интенсивности света на основном уровне, подавляет актишость и содержание ЕБФК у семядольных листьев хлопчатника и ржи, тогда как в листьях других растений отмечается небольшое увеличение значений этих показателей. Взаимодействие всех трех факторов среда на верхнем уровно оказывает неоднозначное влияние на содержание и активность фермента.

2. Установлено, что интенсивность света на верхнем уровне при основном уровне других факторов стимулирует активность ФЕПК семядольных листьев хлопчатника. Высокая температура при поддержании других факторов на основном уровне оказывает ингибирующее действие на активность ФЕПК листьев хлопчатника, тогда как при сочетании всех факторов среда на верхнем уровне активность стимулируется.

3. Показано, что самое высокое значение интенсивности фотосинтеза наблюдается у семядольных листьев.хлопчатника и тритикале при интенсивности света 7 тыс.лк, температуре 25°С и концентрации С02 0,3%, у настоящих листьев хлопчатника и пшеницы - при интенсивности света 7 тыс.лк, температуре 35°С и концентрации С02 0,3%, у ржи - при интенсивности света 7 тыс.лк, температура 25°С и концентрации СОм 0,03$.

4. Установлено, что адаптация растений к повышенной концентрации С0_о приводит к уменьшению скорости фото дыхания и ускорению фотосинтеза, тогда как адаптация к повышенной температура приводит к замедлению как фотосинтеза, так и. фотодыхания.

5. Анализ коэффициентов уравнения регрессии показал, что интенсивность света на верхнем уровне стимулирует включение 14С в ФСК, ДФС, 5МФ и далат, однако подавляет включение метки в сахарозу, ГОФ и глицерат. При сочетании температуры на верхнем уровне с интенсивностью света и концентрацией С02 на основном уровне стимулируется включение метки в ФПС, сахарозу и малат. При о тих условиях -амедаяется включение ^С г» аланин, глицин и оорин. Лоддергганио концептрацяп С02 на верхнем у репе, а света

н тошюратурц в центра области варьирования, стимулирует накопление метки в ДОС, 1Ш и малате, но подавляет - в сахарозе, аяанине и глицине с серином.

6. Выявлено,что повышение интенсивности света приводит к увеличению содержания общего азота у ржи и тритикале и понижению его у хлопчатника и пшеницы.Повышение температуры способствует накоплению азота у пшеницы,хлопчатника и ржи,а у тритикале - подавляет.Высокая концентрация С0£ вызывает повышение содержания азота у ржи и тритикале.Взаимовлияние всех трех факторов на верхнем уровне стимулирует накопление азота у всех исследуемых растений, кроме настоящих листьев хлопчатника.

7. Сравнительный анализ исследуемых параметров на уровне целого растения хлопчатника показал,что самой высокой фотосинтетической активностью отгадали 3-4 листья сверху.В них обнаружены саше высокие значения активности карбоксилирующих ферментов, интенсивности фотосинтеза и сильнее выражены различия по накоплению ^С в продукты фотосинтеза.Обнаружены существенные различия по образованию Cg-, С4- и Cg-продуктов у этих и ювенильных листьев. Ювотюыше листья оишчаю-гся более интенсивным синтезом Cg- к С^-метабодитов.

8. Показано, что солевой стресс вызывает сильное подавление интенсивности фотосинтеза во всех точках определения в течение суток, что свидетельствует о нарушении координации и интеграции фотосинтетических реакций.

Список опубликованных работ

I» Дкумаев Б.Б., Магомедов И.М., Абдуллаев Л.,Горенкова Л.Г. О нокоторцх свойствах рибулозобисфосфаткарбоксилазк листьез хлопчатника. // Известия АН Тадк.ССР. Отд.биш.наук. - 1990, -К 3. -С.43 17.

2. Магомедов K.M., Горенкова Л.Г., Калер В.Л., Дкум&ев БаБ., Абдудлаев А. Влияние внешних факторов среды и. их взаимодействуя на активность карбоксшшрующда: ферментов // ВестнДешшгр. ун-та. -1991. I. -С.73-77.

3. Дяумаов Б.Б., Абдуллаев А., Кзлер В .Л., Нигмонов М. Воздействие факторов внешней среда т содержание пигмонтов и общего азота в листьях некоторых С^-растонглй // Мездукар. конференция "Фотосинтез u фотобиотсузюлогия", Тез.докл., Пущина, IS9I- -а.24-25.