Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ХЛОРОПЛАСТОВ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЭНДОГЕННЫХ ФИТОГОРМОНОВ

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ХЛОРОПЛАСТОВ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЭНДОГЕННЫХ ФИТОГОРМОНОВ"

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА СССР

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМ

ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ

АКТИВНОСТИ ХЛОРОПЛАСТОВ ЗЛАКОВЫХ КУЛЬТУР С РАЗЛИЧНЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ЭНДОГЕННЫХ ФИТОГОРМОНОВ

Специальность 03.00.12 — физиология растений

На правах рукописи

ПОХЛЕБАЕВ Сергей Михайлович

Автореферат . диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА —1981

Г"

о

/

Работа выполнена на кафедре, ботаники Московского областного педагогического института имени Н. К. Крупской,

Научный руководитель — доктор биологических наук, профессор Н. И. Якушкина.

Официальные оппоненты; доктор биологических наук, профессор А. Е. Петров-Спиридонов; кандидат биологических наук В. Ф. Гаврнленко.

Ведущее учреждение — Отдел физиологии и иммунитета растений Главного ботанического сад* АН СССР, *

Защита диссертации состоится « » С^ХёМ-^С^ в ч. на заседании Специализированного совета

Д-120.35.07 при Московской сельскохозяйственной академии имени К- А. Тимирязева. „

Адрес: 127550, г. Москва И-550, ул. Тимирязевская, 49. Сектор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА. -

Автореферат разослан .« ¿¿5» ^ЛблХй^?. . . 19§|лг,

Ученый секретарь А/ ХА /у ^ . . . , ¿У Специализированного совета— —-71-' ^/С/ ССЛ^С кандидат биологических наук _ ___М. Н. Кондрпзгьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Продуктивность растительного организма определяется напряженностью физполого-бнохимиче-скнх процессов, которые, в свою очередь, регулируются как внешними, так и внутренними факторами. Ведущая роль среди внутренннх факторов принадлежит процессу фотосинтеза, неразрывно связанному с многочисленными реакциями энергетического и пластического обмена. Раскрытие механизма фотосинтеза, повышение активности н интенсивности работы фотосинтетического аппарата сельскохозяйственных растений приобретает в условиях интенсификации земледелия первостепенное значение. Высокая активность фотосннтетического аппарата является важным признаком, определяющим успех селекции прн выведении высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных культур (Ничипорович, 1972; Насыров, 1975; Кумаков, 1977),

Регуляция фотосинтеза может осуществляться на разных уровнях (Курсанов, 1972; Молотковскнй и др„ 1972; Шлык, 1972; Рубин, Кренделева, 1975; Шахов, 1978; Kosuge, 1970; Kelley et al„ 1976; Walker, Herold, 1977; Gräber et a!„ 1978), В эндогенной регуляции процесса фотосинтеза важная роль принадлежит фитогормонам и природным ингибиторам (Ничипорович и др., 1976; Якушкнна. 1975; Мокроносов, 1978; Кефели, 1980; Wareing et al„ 1968; Buschmann, Lichtenthaler, 1977). Действие фнтогормонов может быть направлено на разные этапы процесса фотосинтеза. Однако, учитывая, что интенсивность реакций, составляющих световую фазу фотосинтеза, во многом определяет напряженность темнового метаболизма (Музафаров, Рузиева, 1980), представляет интерес исследовать роль фнтогормонов в накоплении главных энергетических эквивалентов хлоропласта. Вопрос этот изучен далеко не достаточно н в литературе имеются лишь отдельные сведения.

Учитывая одну из важнейших задач, касающуюся повышения урожайности яровой пшеницы и доведение ее до уровня урожайности ячменя (Неттевнч, 1979), представляет ннте-

Цвзтр, i.:;:..^ С;:Гс/с1ш Кс:г. с, л. fif^Es t -цс;.

рес дать сравнительную характеристику функциональной активности фотосннтетпческого аппарата именно этих культур.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы явилось изучение гормональной регуляции функциональной активности хлоропластов. Для достижения этой цели необходимо было решить следующие экспериментальные задачи:

1. Изучить фотохимическую активность хлоропластов у культур, различающихся одновременно по уровню содержания фнтогормонов и продуктивности.

2. Выявить особенности влияния гиббереллина и кииетина на скорость транспорта электронов, процесс фотофосфорнлн-ровання н активность сопрягающего фактора хлоропластов.

3. Определить уровень биологической активности фпто-гормонов [I листьях ячменя и пшеницы н его изменение под влиянием экзогеппо внесенного гпббереллпиа.

4. Сопоставить уровень активности эндогенных фитогор-мопов с функциональной активностью хлоропластов, темпами роста и продуктивностью изучаемых культур.

Научная новизна. Впервые проведено сравнительное изучение действия гпббереллпиа и кннетина на фотохимическую активность хлоропластов ячменя п пшеницы, находящихся в различных энергетических состояниях. Изучение фотохимической активности хлоропластов проведено полярографическим методом как с нефнзиологическимп, так и физиологическими акцепторами электронов. Установлено, что уровень стимуляции во многом определяется энергетическим состоянием хлоропластов. Наибольшее влияние гнббереллнп и кинетнн оказывают на данный процесс при фосфорилирующих условиях.

Культуры, различающиеся соотношением фнтогормонов, имеют различную фотохимическую активность хлоропластов. Наиболее тесная снизь прослеживается между уровнем свободных цитокининов н интенсивностью фотохимических реакций. Смещение соотношения фнтогормонов в сторону -повышения свободных пнтокининов приводит к повышению функциональной активности хлоропластов.

Впервые показано, что действие фнтогормонов в большей степени направлено на систему, связанную с синтезом АТФ, чем на электронный транспорт. Отношение Р/2е возрастает.

В опытах с ЭДТЛ — разобщением и последующей реконструкцией фосфорилирующих систем показано, что в основе большей фосфорнлнрующей активности хлоропластов ячменя в сравнении с хлоропластами пшеницы лежит большая активность их сопрягающего фактора (СФ), что может явиться одной из причин, определяющей высокую продуктивность данной культуры.

Впервые установлено, что участие гиббереллина и кинетп-на в регуляции функциональной активности хлоропластов мо-

-100

. о 0,5 1,0 0 0,5 1,0 0 0,5 1,0 О '0,5 £.0 ЯГ

?ис.1. Биологическая активность гиОбереллинов в листьяхячыеяяипшекиии. Э - ащлаяетатная ..фракция: 1-пчивнь,-П-ввеница (яоятроль)« Ш-ячмень, 1У-пшеаяца (обраСотаняае гиСДерел-.1ином). В-Бодная фр4кчия: I»ячмень, В-пшеница (контроль), Ш-ячмень, 1У-шетца'(обра-* .Оотанннз гиббврвллнноа). ■ ' -■ — . _

в

щ -, л;? ; m

.0,5, 1,0 о . 0,5

0,5 1,0 О

,5 . IiORf -;.

Рис.2. Биологическая активность ауксинов в листьях лчлекя и паеняци. .В-водная фракция: .-í-'

.1-ячиень, U-оиеяица (нонгроль); I-ячивиь, 17-поеница (обработашше гя06ер«лливои)» ; ' : Э-эф«ряая фракдия: Х-ячиень. и-пшен'лца (контроль)« G-ячмонь, 1У-1Шен!ща(обрабо-*. -.. танаыо гиббв ре длиной )♦ -ïvV- Я ^

g 400г

-Э '

О 0,5 1,0 0 0,5 1,0 Rf

Рис.з, Биологическая активность цитокипивов г листьях ячавня и п«ециаы. Э-з$*раая фракция: / I - ячиеиь О-яиенииа-{яоатроль)» О-надввь, и-пмайга Сойработавныв гввбврелдянсм). B-водная фракция :1- вчие вь, й-зпеница (кодтроль), Ш-ячмеяь, 1У-пиенвца( обработанные гнббаредлинои), Б-Сутанохьвая фракция: I-ячиеиь, П-сяеяицаЧдонтроль), И-ачмвн1, 17-пшвнши {оврабо1аяяыв radöepejutao*).

жег осуществляться через изменение активности сопрягающего фактора.

Практическая ценность работы. Выявленные физнолого-бпохимическне особенности" высокопродуктивных растений представляют интерес для дальнейшей разработки теории фотосннтетической продуктивности как основы повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Установленные связи между биологической активностью фитогормонон и функциональной активностью хлоропластов могут быть использованы селекционерами при выведении новых высокоурожайных сортов путем учета не только работы фотосинтетического аппарата, но и уровня содержания фнтогормонов.

Полученные результаты могут иметь значение для исследователей, занимающихся выведением ячменно-пшеннчных и пшенично-ячменных гибридов.

Апробация работы. »Материалы диссертации докладывались и обсуждались: на координационном совещании физиологов растений педагогических институтов РСФСР по проблеме «Рост растений и пути его регулирования» {Ярославль, 1978); 33-м заседании «круглого стола» ио теме «Фотосинтез и рост» (Пущнно, 1980), на заседаниях кафедр ботаники в Московском областном педагогическом институте им. Н. К. Крупской (1980) и Челябинском государственном педагогическом институте (1981).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 10 рисунков н состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, обсуждения результатов и выводов. Список литературы включает 339 наименований, в том числе 138 зарубежных авторов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объектов исследования были выбраны две злаковые культуры, различающиеся по продуктивности: пшеница сорт Стрела (среднепродуктшшый сорт) и ячмень сорт Московский 121 (высокопродуктивный сорт). Для эксперимента использовали 8-дневные проростки, выращенные на воде в условиях люминостата при температуре 25°, а также растения, выращенные на территории биостанции »Московского областного педагогического института имени Н. К. Крупской. Обработка гибберелловой кислотой (ГК) и кннетнном (КН) проводилась путем опрыскивания ГК-75 мг/л и КН-20 мг/л.

Реакции фотоспнтетнческого энергообмена изучали на хло-ропластах, выделенных в холодильной камере при температу-

ре 2—-1° по метолу Уотлн и Арнона {Whatley, Лгпоп, 1963) it среде, содержащей 0,4 AI сахарозы, 0,05 М трис-HCI буфера, 0,01 М NaCI, pH 7,8 (среда выделения 1). В опытах по изучению фотохимической активности хлоропластов, находящихся в различных энергетических состояниях, применяли среду выделения 2 (в молях): сахароза — 0,4 фосфатный буфер—1/15, NaCI — 0,01, pH —8,0.

Фотохимическую активность хлоропластов определяли полярографическим методом на иолнрографе ЛП-60 с использованием электрода Кларка и амперметрической ячейки по методике Зеленского н Могнлевой (1969, 1975). Градуировку прибора и электрода проводили биологическим методом по Чансу, описанным Кондрашовой с соавт. (1973). В качестве физиологического акцептора электронов использовали ферре* докснн + ИЛДФ, иефнзиологического — феррицианнд. Различные энергетические состояния хлоропластов обуславливались путем добавления или исключения из сред выделения и инкубации основных компонентов фотофосфорилирования— АДФ и Ф„, в результате чего хлоропласты находились соответственно в I и 3 энергетическом состояниях.

Хлорофилл в суспензии хлоропластов определяли методом Лрнона {Лгпоп, 1919) при ?^<>52 им. Содержание хлорофил-лов а н б определяли на спектрофотометре и рассчитывали по формуле Мак-Кппнн (Mac-Kinney, 1911).

Определение интенсивности фотофосфорилирования проводили методом Лирона (Avron, 1903) по убыли неорганического фосфора в реакшюшюй среде, определяемого методом Чела с corp. (Chen et al., 195G). В качестве акцепторов электронов использовали ФМС и KaFe (CN)s.

Экстракцию сопрягающего фактора из хлоропластов и реконструкцию фосфорилируюишх систем осуществляли методом, описанным Шошаном и Шэвитом в модификации Гаври-ленко п др. (1977).

Экстракцию свободных ауксинов, гнббереллинов и цито-кининов проводили комплексным методом (Власов и др., 1979). Биологическую активность свободных ауксинов и ингибиторов роста определяли по методу Кефелн и Турецкой сг сотр. (1973). Активность гнббереллинои и ГПВ определяли по бнотесту на гнпокотнлях салата (Frankland, Wareing, I960). Для определения биологической активности цитокининов использовали биотест, основанный на стимуляции синтеза бета-цпанннов в семядолях щирнцы Amaranthus Caudatus L, (Conrad; 1974; Мазин и др., 1976). При постановке биотестов в основу были положены методические указания В. Н. Мазнна и др. (1976). Первичная оценка фитогормонов проводилась по флюоресценции хроматограмм в УФ-свете, по окрашиванию

реактивами Сальковского, Эрлнха, Прохазкн, в сравнении значений Кг с веществами-метчиками.

Опыты проводились не менее чем в двух биологических и 4—5 химических повторностях. Результаты опытов обрабатывали статистически (Плохниский, 1970; Зайцев, 1973).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ

Влияние гиббереллнна и кинетина на активность фотохимических реакций хлоропластов

Результаты опытов по определению фотохимической активности хлоропластов (ФХА), выделенных из 8-дневных проростков ячменя и пшеницы, показывают, что уже на ранних стадиях развития ячмень, как культура, отличающаяся большей продуктивностью, формирует и более мощный фотосинтетический аппарат. Данная закономерность проявилась в опытах как с нефизнологическнм акцептором электронов (феррицианндом), так и с физиологическим (Фд + НЛДФ) при нефосфорнлнруюншх условиях.

При определении физиологических показателей лишь на одном этапе онтогенеза возникает опасность, что установленные закономерности могут и дальнейшем нивелироваться (Володарский и др., 1979). Учитывая это положение, нами было проведено определение ФХЛ хлоропластов, выделенных из листьев ячменя и пшеницы в фазу выхода в трубку. Растения для этих опытов выращивались в полевых условиях.

Данные таблицы 1 свидетельствуют, что ФХЛ хлоропластов ячменя и в эту фазу онтогенеза выше в сравнении с хло-ропластамн пшеницы. Это проявилось на хлоропластах, выделенных нз листьев всех ярусов. Растения, вырашенные в естественных условиях, формируют более мощную систему генерации энергии. Это выражается в больших величинах ФХЛ (табл. 1) в сравнении с растениями, выращенными в люмино-

Таблица I ФХА хлоропластов в листьях ячменя к пшеницы (в мкМОа/мшг на 100 мг хл-ла). (Фаза выхода в трубку)

яруса Пшешшэ Ячмень

1 14.7i0.37 1С,0±0.32

2 12,3+0.30 14,3^:0,18

3 10.2 ±0,26 12,й±0,33

4 8.9^0.20 9.0+0,29

5 7,4±:0,18 8,7 ~ 0,26

* Кофактор ферр пин анид.

стате, и позволяет более четко определить различия в работе фотосинтетического аппарата изучаемых культур.

Сопоставление результатов по определению ФХЛ хлоро-пластов в листьях растений ячменя и пшеницы, выросших в лгомпностате и открытом грунте, показывает, что растения ячменя формируют более мощный фотосинтетический аппарат в сравнении с пшеницей независимо от того, в каких условиях и до каких фаз данные культуры выращивались. В связи с этим основные исследования в дальнейшей работе были проведены на проростках.

Как уже отмечалось, основной целью исследования было изучение влияния ГК и КН на ФХЛ хлоропластов. Приведенные в таблице 2 данные показывают, что под влиянием ГК ФХЛ хлоропластов ячменя и пшеницы увеличивается. Кинетин также увеличивает ФХЛ хлоропластов, хотя и в несколько меньшей степени.

■ Таблица 2

Влияние гиббереллина и кинетика на фотохимическую активность (ФХЛ)хлоропластов ячменя и пшеницы, выделенных из 8-дневных проростков (через 48 часов после обработки)

Ячмень Пшеница

Вариант ФХЛ в мкМ Оа/мшг на 100 мг хл-.па в % к К ФХЛ в мкМ Ог/мин на 100 мг хл-ла в % к К

Опыт I

К 7,1^0.17 100,0 5,7+0,12 100,0

ГК 8,4:£0,21 И 8,3 6,4±0,1Г> 112,3

КН 7,9±0,16 111,3 6,2-0.19 108,8

гк+кн 8,6+0,26 121,1 6,7±0,07 117,5

Опыт 2

к 6,8>±0,19 100,0 5,2—0,08 100,0

ГК 7,9+0,20 П6.2 5.8±0,17 Ш,5

КН 7,4 ±0,25 108,8 5,5±0,17 105,8

гк+кн 8,2±0,17 120,6 0,0+0,14 115,4

* Фактор феррицианид.

Для выяснения вопроса о том, оказывают ли экзогенные фитогормоны непосредственное действие на хлоропласты или оно опосредовано их влиянием на другие компоненты клетки, были проделаны дополнительные опыты. В данном случае ГК и КН вносились непосредственно к изолированным хлоропла-стам в среду инкубации. В результате было выяснено

(табл. 3), что общая картина влияния ГК и КН на ФХЛ хлоропластов изучаемых культур сохранилась, однако это влияние проявилось более резко.

Таблица 3

Влияние гиббереллина и кинетина на фотохимическую (ФХЛ) активность изолированных хлоропластов (гормоны вводились в среду инкубации)

Вариант Ячмень Пшеница

ФХЛ в мкЛ1 Ог/мин на 100 мг хл-ла в % к К ФХЛ в мкМ Oj/mhh на 100 мг хл-лз в % к К

Опыт 1

К 6,1±0,П 100,0 5,2 ±0,07 100,0

ГК 8.3 ±0,24 136,1 6,7±0,16 128,8

КН 7,1 ±0,17 116,4 5,9±0,17 113,5

гк+кн 8,9tfcO,28 143,9 7,2rh0,23 138,5

Опыт 2

к 7,&±0.26 100,0 6,3±0,18 ' 100,0

ГК 10,2±0.3Л 130,7 7,7rt0,19 122,2

КН 8,9±0.19 114,1 6,9 ±0,26 109,5

гк+кн 10Д±0,22 139,7 8,1 ±0,24 128,5

Выводы, полученные из результатов, согласуются с мнением О. Н. Кулаевой и др. (1968), по которому для проявления действия цитокининов целостность клетки не является необходимой.

Приведенные выше экспериментальные данные были получены с использованием в качестве акцептора электронов феррицианида калия.

Исследование действия фитогормонов па ФХЛ хлоропластов с использованием физиологических акцепторов электронов (Фд + НЛДФ) позволило приблизить условия нахождения хлоропластов in vitro к условиям, в которых они находятся в ш такт ной клетке. Действие ГК и КН на ФХЛ в данных опытах изучалось на хлоронластах, находящихся в различных энергетических состояниях (1-м и 3-м).

Данные (табл. 4) показывают, что при фосфорилнрующих условиях ФХЛ хлоропластов ячменя и пшеницы значительно выше, чем при нефосфорилнруюших (3-е энергетическое состояние). Это согласуется с мнением исследователей (Демидов, Белл, 1977), по которому образование трансмембранного градиента протон (XF ) тормозит транспорт электронов. Уменьшение уровня Хе путем использования его в процессе

Таблица 4

Влияние фнтогормонов на фотохимическую активность (ФХЛ) хлоропластов ячменя и пшеницы (в мкМ О г/мин на 100 мг хлорофилла)

Варианты Фосфори.тирующие условия Нефосфорнлируюшие условия

Ячмень Пшенииа Ячмень Пшеница

ФХЛ % к К ФХЛ % к К ФХЛ % к К ФХЛ % к К

К ГК КН ГК+КН 5,2*0,06 7,8^0,10 10,4±0,17 12,2±0,24 100 150 200 235 ■и ±0,03 5,1±0,М 0,8^0,06 7,3.±0,М 100 124 106 178 2,5±0,02 3.1 ±0,01 2,9 ±0.04 3,4 ±0,06 100 124 116 136 1,3 ±0,01 1,5 ±0,03 1,4±0,01 1,6±0,03 100 П5 108 123

♦ Кофактор (ФД + ПЛДФ).

фотофосфорнлнровання приводит к.стимулированию реакции лилла.

Сравнивая полученные данные по влиянию ГК и КН на ФХЛ хлоропластов ячменя и пшеницы, находящихся в различных энергетических состояниях, можно заключить, что изучаемые фнтогормоны в обоих случаях увеличивают ФХЛ хло-ропластов. Однако в условиях фотофосфорнлнровання действие ГК и КИ на скорость выделения Ог проявилось более резко. Это дает основание полагать, что данные фнтогормоны оказывают больше*? влияние на систему синтеза ЛТФ в сравнении с электронным транспортом.

Влияние гиббереллнна и кинетина на фосфор ил ирующую активность хлоропластов ячменя и пшеницы

Определение исходного уровня фотофосфорнлнровання с ФМС показало, что хлоропласты ячменя обладают большей активностью в сравнении с хлоропластами пшеницы (табл. 5).

Таблица 5

Влияние фнтогормонов на интенсивность фотофосфорнлнровання хлоропластов, выделенных из листьев ячменя и пшеницы (через 48 часов)

Варианты Ячмень Пшеница

мкМ Ф к /мг хл-.та п ч % к К, мкМ Фн /мг хл-ла в ч % к К

К 48.4+0.7, 100,0 36,5±0,9 100,0

ГК 69,8*1,5 144,2 45,7±0,5 125,2

КН 76.1 ±1,4 157,2 50,8=1,1 139.2

ГК+КН 79.9±1,8 165,1 57,8±0,8 158,4

* Кофактор ФМС.

Внесение экзогенного ГК и КН приводило к смещению эндогенного баланса фитогормопов, на фоне которого интенсивность фотофосфорилнровання увеличивалась как в хлоропла-Ьтах ячменя, так и пшеницы. При этом кннетин в большей степени влиял на активность фотофосфорилнровання в сравнении с гиббереллином, что свидетельствует о преимущественном влиянии его на фотосистему I, Подтверждается данное предположение и опытами, в которых стимуляция ФХЛ хлоро-пластов под действием КН происходила на фоне повышенного содержания РТсю (Buschmann, Lichtenthaler, 1977).

Сопоставляя интенсивность фотофосфорнлировапня хлоро-пластоп у изучаемых культур после обработки их ГК и КН, можно отметить, что и в данном случае наиболее отзывчивыми оказались проростки ячменя.

Уровень нециклического фотофосфорилнровання с KsFe (GN)6 также выше у растений ячменя, чем у пшеницы (табл. 6). Сравнение коэффициентов Р/2е показывает, что степень сопряжения процессов фотофосфорилнровання с электронным транспортом в большей мере выражена в хлоронла-стах ячменя в сравнении с хлоропластамн пшеницы. Обогащение проростков ГК и КИ приводит к увеличению сопряжения между этими системами. Об этом свидетельствует возрастание отношения Р/2е как в вариантах с ячменем, так и с пшеницей. Нетрудно заметить, что в опытах с ячменем ГК и КН больше повлияли на степень этого сопряжения, в результате чего получены и более высокие коэффициенты Р/2е.

Таблица б

Влияние фнтогормонов на процесс нециклического фотофосфорилнровання, сопряженного с восстановлен нем ферраинаннда калия (через 18 часоп)

Вариан- Фотофосфорилнровапие мкМ Фн/мг хл-ла в ч Фотов осста tio плен не мкМ KsFc (СМ)6/мг х-ла в ч P/ie

ты пшспшт ячмень пшеница ячмеш. пшеница ячмень

К 18.3±0,1 25.3±0.3 52.7*1.0 37,2 ±0,5 0.60 1,36

ГК 22,3±0,2 48,7 ±0,8 62,8±1,2 0,71 1,74

КН 19,8^0,2 37,f* 0.7 45,5*0,9 44,9±0,9 0,87 1.69

гк+кн 24,4*0,3 54,9 ± 1,1 40.0=0,5 60,0 ±1,3 1.22 1,83

Таким образом, результаты этих опытов подтверждают преимущественное влияние фитогормонов на систему образования ЛТФ, чем электронный транспорт.

Сравнительная характеристика сопрягающем активности сопрягающих факторов хлоропластов ячменя и пшеницы

Сравнительное изучение сопрягающих .факторов в опытах с ЭДГА-разобщением и последующей реконструкцией фосфо-рнлнровання у хлоропластов ячменя и пшеницы позволило выявить ряд особенностей. Обработка хлоропластов раствором ЭДТА (ЭДТА-хлоропласты) вызвала снижение их фосфори-лнруюшей активности (табл. 7), что находится в соответствии с литературными данными (Vämbutas, -Racker, 1965; Bennun, Racker, 1969, Гавриленко и др., 1975).

Таблица 7

Активность сопрягающего фактора при прямой и перекрестной реконструкции фосфорнлируюших систем мкмоль Фн/мг хлорофилла в час

Показатели Опыт 1 Опыт 2 %

Исходное фотофосфорилирование хлоропластов: ячмень ......... > ■ пшекииа ■........ 70.4 45.5 100 100 60,3 37.4. 100 100

Фотофосфорилирование обрабо-- тайных ЭДТА—хлоропластов: ячмень . ,-.■...',.. пшеница . •. . . . ■. . . 30,9 12,4 43,9 27.2 36.5 16.6 54,1 44,3

Прямая реконструкция: ЭДТА-хлоропласты..... ячменя-ЬЗДТА-СФ ячменя . . ЭДТЛ-хлороп ласты..... пшеницы+ЭДТА-СФ пшеннцы'. 67,2 23,4 95,4 51,4 58,6 24,3 97,2 64,9

Перекрестная реконструкция: ЭДТА-хлоропласты . . . ячменя+ЭДТА-СФ пшеницы . ЭДТА-хлоропласты..... пшеницы+ЭДТЛ-СФ ячменя . , 52,8 44.6 75,0 98,0 47,1 35,6 78.1 96.2

Более резко фотофосфорилирование уменьшилось при извлечении сопрягающего фактора раствором ЭДТА (ЭДТА-СФ) из хлоропластов пшеницы, которые обладали более низкой исходной активностью. Это согласуется с мнением, согласно которому в хлоропластах, имеющих меньший уровень фо-тофосфорилирования, СФ связан с мембранами менее прочно (McCarty, Racker, 1968; Lockshin et al., 1971; Жигалова, 1977).

В опытах по прямой реконструкции в варианте с ячменем восстановление фосфорнлируюшей активности достигало 97,2% от исходного уровня, в то время как в варианте с пшеницей всего лишь 64,9%. О более высокой функциональной активности ЭДТА-СФ хлоропластов ячменя свидетельствуют и

опыты по перекрестной реконструкции, в которых ЭДТЛ-СФ ячменя восстанавливал фотофосфорил про ванне в большей степени не только с ЭДТЛ-хлоропластами ячменя, но и ЭДТА-хлоропластамн пшеницы. Однако более полная реконструкция была отмечена с ЭДТЛ-хлоропластамп ячменя. Это позволяет предположить, что высокая фосфорнлпруюшая активность хлоропластов ячменя связана не только со свойствами сопрягающего фактора, но и с другими особенностями хлоропластов.

Сопрягающая активность сопрягающих факторов, выделенных из хлоропластов ячменя и пшеницы, обработанных фитогормонами

Опыты с применением ЭДТЛ показали (табл. 8), что уровень остаточного фотофосфорнлирования у хлоропластов, выделенных из проростков, обогащенных фитогормонами, оказался выше в сравнении с контролем. Как уже обсуждалось выше, это позволяет считать, что связь между СФ и мембранами под действием фнтогормонов становится более прочной.

Таблица 8

Активность сопрягающего фактора, выделенного из хлоропластов проростков, обработанных фитогормонами Мкмоль Ф„ /гяг хлорофилла

в час

Варианты Ячмень « Пшсшша Ъ

Исходное фотофосфорилированне

хлоропластов .......

К............ 68,9 100 43,8 100

ГК............ 99.5 100 60,1 100

кн........... 108.9 100 62,2 100

гк+кн ......... 126,4 100 69,7 100

Обработанные ЭДТЛ-х.торопласты

К............ 21 2 30,8 11,3 25,8

ГК............ 49,2 49,5 22,3 37,1

кн........... 60,2 55.3 26,5 42,6

гк+кн......... 79,7 63.0 34,4 ■19,4

Прямая реконструкция •

*К+СФк ......... 55,7 80.8 30.0 68.5

^ГК + СФгк........ 94.0 94,5 47,5 79.0

*КН+СФ„н........ 92,8 85,2 50,9 81,8

*ГК+КН+СФгк+н„ .... 119,2 94,3 57,6 82,6

Перекрестная реконструкция К+СФги ...... 66,7 96,8 40,9 93,1

1ГК+СФ*........ 72,7 73,1 44,8 74,5

*К+СФкн........ 76,7 111,3 46,0 105,0

* К + СФгкщн........ 88,3 128,2 49,3 112,6

* *К. 'ГК. *КН. *ГК+КН —ЭДТД — обработанные хлоропласты. СФК, СФГК , СФКН . СФ,'И4.|1н —ЭДТЛ-экстракты, содержащие сопрягающий фактор соответствующих вариантов.

а

■ При проведении прямой реконструкции восстановление фотофосфорилирования идет с большей эффективностью у хлоропластов, выделенных из проростков, обогащенных фнто-гормонамн. Причем на :хлоропластахчячменя, обладающих наибольшим исходным уровнем фотофосфорилирования, реконструкция идет более полно в сравнении с хлоропластами пшеницы.

Положительное действие, фнтогормонов на активность ЭДТЛ-СФ еще более убедительно прослеживается при сравнении вариантов по прямой и перекрестной реконструкции. Так, если при прямой реконструкции с ЭДТА-хлоропластами, выделенными из контрольных проростков ячменя (хК+СФк ), фосфорилирующая активность была равна 55,7; то при перекрестной реконтрукции с использованием ЭДТЛ-сопрягающих факторов СФ(1( , СФК„ и СФгк*нн активность хлоропластов составляла соответственно 66,7; 76,7; 88,3. Усиление фосфорилнрующеЙ активности и этом случае можно-объяснить увеличением активности ЭДТА-СФ, выделенных из проростков, обогащенных фитогормонами.

Однако, по-видимому, влияние фнтогормонов этим не ограничивается. Это прослеживается при сравнении варианта по прямой реконструкции хК+ЕФк' с-вариантом АГК+СФк из перекрестной реконструкции. Во втором случае, когда ЭДТЛ-СФ контроля добавляли к ЭДТЛ-хлоролластам, выделенным нз проростков, обогащенных гнббереллнном, процесс образования Л'ГФ идет более активно. Аналогичный вывод можно сделать в отношении кинетнна, сравнивая вариант 'К-гСФкн из перекрестной реконструкции с вариантом *КН + СФкя нз прямой реконструкции. Исходя нз этих данных, можно полагать, что ГК и КН'оказывают влияние не только на активность сопрягающего фактора, но и другие структурные компоненты хлоропластов.

Уровень биологической активности фитогормонов в листьях ячменя и пшеницы и его изменение под влиянием экзогенно внесенного гиббереллнна

В изучаемую фазу роста листья ячменя отличаются меньшей биологической активностью гиббереллинов и ауксинов, но большей активностью интокининов (в зонах локализации метчиков). Экзогенное внесение гиббереллнна приводит к изменению гормональной ситуации в листьях обеих культур. Наиболее резко увеличилась активность ГПВ {рис. 1).

В листьях ячменя и пшеницы эти изменения произошли в разной степени. Сравнивая зоны локализации гибберелловон кислоты, можно отметить, что уровень активности в этой зоне у ячменя и после обработки ниже, чем у пшеницы. Однако 12

увеличение активности гнббереллинов в ячмене по отношению к соответствующему контролю произошло в большей степени в сравнении с пшеницей. Последнее можно объяснить меньшим исходным уровнем донного фитогормона в листьях ячменя.

В отношении аукснна данные культуры не имели резких различий. Однако в целом их активность в листьях ячменя была несколько ниже, чем у ишеннны {рис. 2). Наряду с более высоким уровнем активности ауксинов в листьях пшеницы отмечался н более высокий уровень ингибиторов. Под действием ГК наблюдалось увеличение активности аукснна в листе,-ях обеих культур, одновременно происходило снижение активности ингибиторов.

Биологическая активность цитокининов в листьях ячменя значительно выше, чем в листьях пшеницы (рис, 3). Причем в этом случае важное значение играет, по-видимому, не столько общий уровень их активности, сколько соотношение свободных и связанных форм. Уровень активности как связанных форм цитокининов (водная фракция), так н свободных (бута-нольная фракция) выше у ячменя в сравнении с пшеницей. Под действием гнббереллина происходит переход связанных форм цитокининов в свободные, в результате отмечается снижение цитокининовой активности в водной фракции и увеличение в бутанольной (в зоне локализации зеатина). Сопоставляя эти зоны, нетрудно заметить, что активность свободных цитокининов в листьях ячменя после обработки их экзогенным гнбберсллином значительно выше, чем в листьях пшеницы.

Выявленные различия в гормональном балансе и уровне функциональной активности хлоропластов у растений ячменя н пшеницы не .могли не проявиться н особенностях роста этих культур, который является конечным результатом всех фнзно-лого-биохимических процессов. Исследования показали (табл. 9), что стимуляция ФХА хлоропластов, наблюдаемая при внесении кинетина и гнббереллнна, приводит к ускоренному накоплению сухого вещества.

Таблица 9

Влияние фито гормонов на сухой вес 8 »дневных проростков л'I мен я м пшеницы (через 96 часов)

Вариант Ячмеш, Пшеница

сухой вес в мг (10 растений) % к К сухой вес в мг (10 растений) % к К

К ГК кн гк+кн 160±1,8 ] 99*2,1 186гЫ,4 214^2,3 100 120 112 129 П5±1,1 129^1.3 124*1,4 137.it 2,0 100 112 108 119 13

• Наибольшие изменения в гормональном балансе в изучаемую фазу отмечались в листьях ячменя, что, по-видимому, обусловило более высокую ФХЛ хлоропластов и усиленное

накопление сухого вещества в сравнении с пшеницей.

* •

♦

На основании полученных данных можно заключить, что одним из факторов, регулирующих функциональную активность хлоропластов ячменя н пшеницы, являются фитогормо-ны. Растения с различным уровнем активности эндогенных фнтогормонов отличаются по интенсивности ^работы фотоспн-тетнческого аппарата. Экзогенное внесение регуляторов роста приводит к изменению гормональной ситуации, что, в свою очередь, сказывается на функциональной активности хлоропластов. Наиболее важное значение для работы фотоеннтети-ческого аппарата в изучаемую фазу имеет активность свободных цитокннпнов.

Действие фнтогормонов в большей степени сказывается на системе, связанной с синтезом ЛТФ в сравнении с электронным транспортом (величина Р/2е возрастает). Повышение фо-тофосфорилнровання под действием фнтогормонов связано с их влиянием на сопрягающую активность СФ, о чем свидетельствуют опиты с ЭДТЛ-разобщеннем п последующей прямой и перекрестной реконструкции фосфорилирующнх систем.

Обусловленное соотношением фнтогормонов различие в функциональной активности хлоропластов проявляется и в таких интегральных процессах, как рост. Уже в первый период после всходов растения ячменя в сравнении с пшеницей характеризуются более высокой функциональной активностью хлоропластов,-что, по-видимому, и обуславливает усиленное накопление сухого вещества и в итоге большую урожайность -данной культуры.

Выводы

1. Фотохимическая активность хлоропластов (определенная по выделению кислорода) повышается под действием ки-нетнна и гиббереллина не только при обработке данными фи-тогормонамн интактных растений, но и при внесении нх'в среду инкубации.

2. Действие кинетнпа и гиббереллина направлено в большей степени на систему синтеза ЛТФ (фотофосфорнлнрова-ние) в сравнении с электронным транспортом. Степень сопряжения транспорта электронов с синтезом ЛТФ под влиянием этих фнтогормонов возрастает, отношение Р/2е повышается.

3. Сопрягающие факторы ячменя и пшеницы не проявля"-ют видовой специфичности и способны ресопрягать систему фосфорнлнрования с ЭДТЛ — обработанными хлоропластамн обеих культур.

4. Сопрягающий фактор ячменя и большей степени восстанавливает процесс фотофосфорилнрования но только с ЭДТЛ — обработанными хлоропластамн ячменя, но и пшеницы, что указывает на его более высокую функциональную активность.

5. Обработка растений кинетнном и гиббереллнном повышает активность сопрягающего фактора, локализованного в хлоропластах. Это прослеживается в опытах с ЭДТЛ-разоб-щеннем и последующей прямой и перекрестной реконструкцией фосфорнлирующнх систем.

6. Более высокой функциональной активности хлоропластов соответствует повышенный уровень активности свободных цитокнннноп. Это наблюдается как на культурах, различающихся по эндогенному балансу фитогормонов, так и и случае, когда уровень активности природных фитогормонов смещался с помощью экзогенных регуляторов роста.

7. Различия в эндогенном балансе фитогормонов и функциональной активности хлоропластов ячменя и пшеницы предопределяют и неодинаковую интенсивность ростовых процессов. Ячмень в сравнении с пшеницей характеризуется повышенной активностью хлоропластов и ускоренным накоплением сухого вещества.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Якушкина Н. П., Похлебаев С. М. Особенности гормонального регулирования фотохимической активности хлоропластов.— Биологические наукн, № 3, 1980, с. 07—70.

2. Похлебаев С, М., Якушкина Н. И, Особенности влияния гнббереллнна н кннетина на фотохимическую активность хлоропластов.— В кн.; Физиология ростовых процессов, Л\., 1$80, с. 3—10.

3. Похлебаев С. М. Изменение функциональной активности хлоропластов ячменя и пшеницы под действием гнббереллнна.—Доклады ВЛСХНИЛ, № 7, 1981, с. 40—48.

4. Якушкина Н, И., Похлебаев С. Д1. Гормональная регуляция активности сопрягающих белков хлоропластов у различных злаковых культур. — Тез. докл. республиканской конференции «Витамины и фитогормоны п растениеводстве». Вильнюс, 1981, с. 81.

Л 78176 10/ХП—81 г.

Объем 1 п. л. Заказ 2797. Тираж 100

Типография Московской с.-х. академик им. К. А. Тимирязева 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 44