Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Устойчивость и адаптация морских микроводорослей к высоким интенсивностям видимой и ультрафиолетовой радиации

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Яковлева, Ирина Михайловна, Владивосток

- ь/с' л /Ъ О /<

'С/ / ^ / V** V* V..'

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ДАЛЬНЕВОСТОЧНОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ МОРЯ

На правах рукописи

ЯКОВЛЕВА ИРИНА МИХАЙЛОВНА

УСТОЙЧИВОСТЬ И АДАПТАЦИЯ МОРСКИХ МАКРОВОДОРОСЛЕЙ К ВЫСОКИМ ИНТЕНСИВНОСТЯМ ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ

РАДИАЦИИ. 03.00.12 - физиология растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Э. А. Титлянов

Владивосток -1998 г.

Содержание

Введение ........... 4

Литературный обзор

Глава 1. Свет как экологический фактор ..... 6

1.1 Особенности проникновения света в толщу воды ... 7

1.2 Механизмы действия высоких интенсивностей видимого

и ультрафиолетового света на водные растения ... 9

1.2.1 Специфическое действие видимого света. ... 10

1.2.2 Специфическое действие УФ радиации . . . . 11

1.2.3 Стресс ......... 13

1.3 Устойчивость водорослей к действию высоких

интенсивностей видимой и ультрафиолетовой радиации . . 16 Глава 2. Светозащитные реакции и адаптация водорослей

к яркому свету . . . . . . . .19

2.1 Физиологическая адаптация водных растений к повышенной интенсивности солнечной радиации в пределах оптимального светового диапазона ....... 19

2.2 Механизмы защиты и адаптивные реакции водорослей

к УФ радиации ........ 26

2.2.1 Анатомо-морфологический экран как защита против

УФ излучения ....... 26

2.2.2 Клеточные протекционные механизмы .... 27

2.2.3 Микоспорин-подобные аминокислоты (МААв) - возможные

протекторы против УФ радиации .... 29

Глава 3. Суточные изменения фотосинтетического аппарата у водорослей,

как светоадаптивные реакции ...... 35

Экспериментальная часть

Глава 4. Материал и методика ... ... 41

4.1 Объекты исследования . . . . . . . 41

4.2 Физико-географическая характеристика районов исследования . 49

4.3 Сбор материала для экспериментов . . . . . 53

4.4 Постановка экспериментов . .... 54

4.5 Методы анализа ........ 63

Глава 5. Результаты ......... 72

5.1 Физиологическая характеристика водорослей, адаптированных

в природе к полному солнечному свету и затенению. . . 72

5.1.1 Морфо-физиологические различия морских макрофитов, обитающих при различных световых режимах. . . 77

5.1.2 Устойчивость морских макрофитов к действию ультрафиолетового и видимого света в зависимости

от места обитания растений ..... 85

5.2 Действие полуденных интенсивностей света на морские

макрофиты, обитающие при различных световых режимах . . 92

5.2.1 Суточные изменения фотосинтетической

функции макроводорослей ...... 92

5.2.2 Устойчивость водорослей к действию экстремально высоких интенсивностей видимого и ультрафиолетового

света ......... 96

53 Адаптация водорослей к высоким интенсивностям

видимой и ультрафиолетовой радиации ..... 103

Глава 6. Обсуждение ......... 123

Выводы...........140

Список литературы 142

Введение.

Макрофиты занимают обширные площади морского дна и на мелководных участках шельфа в умеренных широтах являются основными продуцентами первичного органического вещества. Анализ литературных данных [Титлянов, 1976, Ramus et al., 1976а, b, Davison, Person, 1996] показывает, что на открытых солнцу участках литорали, одним из факторов, лимитирующих существование большинства видов, являются высокие интенсивности падающей радиации. Большое количество публикаций [Титлянов, 1983, Franklin et al., 1992, Hader, Schafer, 1994, Hanelt, 1992, 1995 и др.] отражает исследования устойчивости и приспособительных реакций морских организмов к свету высокой интенсивности. Однако, практически все эти работы выполнены без учета воздействия ультрафиолетовой радиации.

В последние десятилетия, в связи с истощением озонового слоя стратосферы под влиянием хозяйственной деятельности человека, особенно в Северном полушарии, все большую актуальность приобретает проблема воздействия УФ радиации на живые организмы. Экосистемы умеренных широт подвергаются более высоким интенсивностям ультрафиолетовой радиации, чем это заложено исторически [Forster, Schubert, 1996]. В настоящее время большая часть работ по изучению влияния УФ излучения и поиску механизмов защиты против него выполнена на фитопланктоне [Carreto et al., 1989, Goes et al., 1994] и микроводорослях [Jokiel, York, 1984, Banaszak, Trench, 1995] Арктики, Антарктики и тропических широт. На морских макрофитах влияние УФ радиации исследовано недостаточно, а на макроводорослях умеренных широт его не изучали вообще. Не существует единого мнения и в вопросе о том, какая часть спектра солнечной радиации наиболее губительна для фотосинтетического аппарата водорослей.

Цель работы: выяснить, какова устойчивость морских макроводорослей к ультрафиолетовой и видимой радиации и чем она обусловлена. Для выполнения поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

1. Выявить разницу в устойчивости видов к УФ и видимой радиации.

2. Выявить защитные механизмы водорослей к свету в течение дня.

3. Выявить механизмы защиты от УФ и видимой радиации при онтогенетической адаптации водорослей к свету.

В предлагаемой работе впервые исследована устойчивость морских

макроводорослей Японского моря к УФ воздействию и проведено сравнение влияния высоких интенсивностей УФ радиации и видимого света на морские макроводоросли умеренных широт. Исследовано распространение УФ-поглощающих микоспорин-подобных аминокислот у макроводорослей умеренных широт. Впервые показано, что высокая резистентность литоральных красных водорослей к ультрафиолетовому излучению обусловлена динамикой накопления микоспорин-подобных аминокислот. Высокий уровень содержания последних в талломах водорослей обеспечивает поддержание стабильного уровня фотосинтетической продукции растений в середине дня.

Предлагаемая работа выполнена в фотобиологической лаборатории Биологического института Гельголанда г. Гамбурга и в лаборатории физиологии водных растений Института биологии моря ДВО РАН. В ее основу положены результаты экспериментальных исследований, проведенных автором на биологической станции мыс о. Фальшивый (б. Сивучья, Японское море) в течение летне-осенних сезонов 1994-1997г. и на морской станции на о-ве Гельголанд (Северное море) в течение весенне-летних сезонов 1995-1996 г.

Литературный обзор. Глава 1. Свет как экологический фактор.

Свет оказывает большое влияние на жизнедеятельность как наземных, так и водных организмов [СоийпИо, Zingmark, 1987]. Около 90 % лучистой энергии Солнца приходится на диапазон длин волн от 300 до 4000 нм. В экологии и физиологии растений для изучения фотобиологических процессов наиболее важно знать не сумарный поток солнечного излучения, а ту его часть, которая является физиологически активной. Этот спектральный диапазон лежит между 350 и 750 нм и называется физиологической радиацией (ФР) [Шульгин, 1973]. В пределах его выделяют область фотосинтетически активной радиации (ФАР) от 400 до 700 нм [Красновский, 1979], или от 380 до 710 нм [Росс, 1973], используемой растением в процессе фотосинтеза. Ультрафиолетовые лучи (УФ) также являются важнейшим экологическим фактором при действии прямого солнечного света [Цихон-Луканина и др., 1996]. Их спектральный диапазон лежит между 200 и 400 нм. Ультрафиолетовую область коротковолновой радиации делят на УФ-А (400-320 нм), УФ-В (320-280 нм) и УФ-С (280-200 нм) [ЬиЫп е1 а1., 1989]. Озон атмосферы поглощает практически всю радиацию короче 290 нм. Коротковолновую часть излучения поглощают также Н20 и С02 [Васси, 1968, Радиационные..., 1969]. Капли воды и водяной пар поглощают значительную часть солнечной радиации с длиной волн более 700 нм.

Энергетической количественной характеристикой солнечного излучения служит поток лучистой энергии, который приходит на перпендикулярную лучам

поверхность в единицу времени. Она называется интенсивностью радиации или

2 2

облученностью и выражается в энергетических единицах (Дж/(м ) или Вт/(м )). Наряду с этим широко пользуются и характеристикой освещенности (светового потока приходящегося на единицу площади поверхности). Единицей освещенности служит Энштейн (Е) - световой поток в 1 Энштейн, приходящийся на 1 м . Обычно освещенность в естественных местообитаниях выражают в микро Энштейнах (мкЕ)

О 9

на м в секунду или цто1 на м в секунду.

Количество солнечной радиации, поступающей на земную поверхность, в первую очередь определяется географической широтой местности и зависит от изменения в течение года полуденной высоты солнца, а также от уровня и форм облачности. В центральной экваториально-тропической области Океана поток

солнечной энергии составляет от 160 до 180 ккал/(см2) в год. Такие же величины наблюдаются в зоне тропиков Северного и Южного полушарий. К северу и югу от тропических зон поток энергии уменьшается от 140 до 80 ккал/(см2) от 40 до 45° обоих полушарий [Ерлов, 1980].

Широтным изменениям подвержены не только количество радиации, но и ее качественный состав. Об этом свидетельствует различное содержание ФАР в солнечной радиации на разных географических широтах. В умеренных широтах максимальное среднесуточное количество падающей ФАР отмечено в мае-июне - 140

с

10 Дж/(м ). Энергетическая освещенность ФАР в середине солнечного дня на поверхности воды в среднем за сезон составляет: весной - 350; летом - 330; осенью -

220; зимой - 160 Вт /(м2). В тропических широтах суммарное количество солнечной

2 2 радиации за год равняется 750 - 800 Дж /(м ) (180 - 200 ккал /(см )); в Северных

широтах -

580 - 670 Дж/(м ) (140-160 ккал /(см )). Количество ультрафиолетового излучения в общем потоке солнечной радиации невелико и составляет 1 - 5 %; за пределами атмосферы - примерно 9 %; в условиях высокогорья в полдень - 5- 6 % . На величину УФ-радиации влияет положение коротковолновой границы солнечного спектра; с уменьшением высоты Солнца она сдвигается в область более длинных волн [Кондратьев, 1965].

1.1 Особенности проникновения света в толщу воды.

Вода поглощает и рассеивает свет различных длин волн очень неравномерно, поэтому с глубиной не только резко уменьшается количество световой радиации, но и значительно меняется ее спектральный состав. Свет в море поглощается молекулами воды, растворенных солей и органических веществ. Последние могут быть окрашены и поглощать лучистую энергию селективно. В воде как и в атмосфере, наблюдают два вида рассеивания: молекулярное и рассеивание крупными частицами. Молекулярное рассеивание, главным образом, и определяет спектральный состав света под водой, рассеивая световые волны с короткой длиной волны. Особое значение имеет так называемое «желтое вещество», поглощающее свет в ультрафиолетовой и голубой части спектра, вплоть до 500 нм. «Желтое вещество» - это конечные продукты деструкции углеводов [Kalle, 1966], которые образуются при разложении растительных организмов в море, а также в значительных количествах выносятся реками, особенно в Северных районах Европы. Селективное поглощение света в

толще воды может быть обусловлено также скоплением фитопланктона, а преимущественное поглощение того или иного участка ФАР - свойствами пигментов, преобладающих в воде таксонов водорослей [Пелевин и др., 1975].

Характеристика распрастранения света в различных районах океанских вод приводится в работах Т. Левринга [Ьеуг^, 1966], Н. Ерлова [1970], В.Н. Пелевина с соавторами [1975], Люнинга [Ьишгщ, 1971]. Обобщение результатов наблюдений позволило Н. Ерлову [1980] проследить характер распределения света различного спектрального состава в водах различной прозрачности (табл. 1).

Таблица 1.

Коэффициент пропускания солнечного излучения для океанических вод,

% / м от поверхности.

Чистые океанические воды Прибрежные воды

Метры Длина волны, нм

375 400 500 600 700 375 400 500 600 700

1 94,0 95,5 96,0 83,0 58,0 54,0 63,1 82,0 71,0 51,0

10 54,0 70,0 75,0 15,0 0,4 40,0 55,0 60,0 15,7 од

20 40,1 55,1 60,0 4,1 - 15,0 25,0 40,0 2,3 -

30 30,0 36,0 40,0 - - 6,0 15,2 25,0 1,0 -

40 16,0 26,0 30,0 - - 2,5 7,0 14,1 - -

50 10,0 16,0 20,0 - - 1,0 3,0 8,1 - -

Океанические воды по своим оптическим характеристикам близки к

дистиллированной воде [Gessner, 1955]. Минимум пропускания для ФАР наблюдается в красной области спектра (поглощение молекулами воды) [Levring, 1966], в области коротких длин волн пропускание снова понижается по сравнению с зелено-голубым участком спектра (молекулярное рассеивание). В прибрежных водах на глубину проникает в основном зеленый свет с максимумом около 560 нм. В солнечные дни в море даже на небольших глубинах преобладает рассеянный свет, а на глубинах более 30 м - только рассеянный. Поэтому нет большой разницы в освещении объектов под водой сверху и сбоку. На глубины 10-20 м прямой солнечный свет поступает только в виде бликов света, сконцентрированного линзами волн.

Уменьшение озонового слоя атмосферы под действием антропогенных факторов приводит к увеличению количества УФ радиации, особенно УФ-В, достигающей поверхности Океана [Forster, Schubert, 1996]. В Антарктике отмечают разрушение озона стратосферы (озоновая дыра), ведущее к увеличению потока УФ-В излучения [Smith, Baker, 1979, Frederick, Snell, 1988] и связанное с этим понижение первичной продукции фитобентоса [Smith et al., 1992, Holm-Hansen et al., 1993, Neale et al., 1994]. Ранее предполагалось, что большая часть ультрафиолетовой радиации, достигающей поверхности Океана, отражается и поглощается первыми несколькими сантиметрами воды. Вероятно, поэтому действию УФ излучения на морские организмы уделялось недостаточно внимания. Jerlov [1950] впервые показал, что УФ проникает в чистой океанической воде на глубины более 10 метров. Дальнейшие исследования подтвердили эти измерения. В тропических водах как УФ-А (320-400 нм), так и УФ-В (290-320нм) может проникать на глубину более 30 метров [Smith и Baker, 1979, Fleischmann, 1989]. В южных океанических водах УФ-А может быть измерен на глубинах более 100 метров [Helbling et al., 1994], а УФ-В - на глубинах более, чем 30 метров [Smith et al., 1992, Helbling et al., 1994]. Коэффициент пропускания УФ радиации в прибрежных водах меняется в очень широких пределах: от нескольких % до 80 % . На 1 метр глубины, в прибрежных районах Японского моря, он составляет около 17 % [Ерлов, 1980]. Таким образом, оптические свойства прибрежных и океанических вод различаются коренным образом.

1.2 Механизмы действия высоких интенсивностей видимого и ультрафиолетового света на водные растения.

Высокие интенсивности солнечной радиации могут оказывать неблагоприятное

действие на метаболические процессы водных растений, вызывая ингибирование фотосинтеза [Hanelt et al., 1992, 1993] и фото деструкцию пигментов [Hellebust, 1970, Титлянов и др., 1977, Adams, Demming-Adams, 1992], перекисное окисление липидов [Murphy, 1983, Кафаров и др., 1988]. Такой процесс, наблюдаемый на макро- и микроводорослях, известен как фотоингибирование [Kok, 1956]. Кроме того, известны и другие механизмы повреждения: инактивация реакционных центров ФС II [Oquist, Chow, 1992] и разрушение полипептида с молекулярной массой 32 кД [Ohad et al., 1984], который связывает вторичный хинонный акцептор (Qb) ФС II [Andersson et al., 1992].

Причиной повреждения фотосинтетического аппарата могут быть как коротковолновая УФ радиация [Jokiel, York, 1984, Maegawa et al., 1993, Nilawati et al., 1997], так и свет видимой части спектра, а так же совместное влияние видимой и ультрафиолетовой радиации [Warner, Caldwell, 1983]. 1.2.1 Специфическое действие видимого света.

Длительное пребывание водных растений при повышенной интенсивности видимого света (неодинаковой для разных видов) приводит к уменьшению содержания фотосинтетических пигментов. Так, планктонные водоросли поверхностного слоя содержат меньшее количество хлорофилла а, чем обитающие во всей остальной толще воды [Steemann Nielsen, 1961, Halldal, 1970]. Установлено, что при действии сильного света, прежде всего, уменьшается содержание фикоэритрина и хлорофиллов [Brody, Emerson, 1959 а]. Изменение нативного состояния пигментов является первой фазой деструкции пигментной системы под действием яркого света. Разрушению, прежде всего, подвергаются длинноволновые формы хлорофилла [Титлянов и др., 1977], на которые происходит перенос энергии возбуждения [Литвин, 1973]. Монтфорт [Montfort, 1953] обнаружил, что под действием длинноволновой радиации видимого света талломы макроводорослей обесцвечиваются. Это же показал Библ [Biebl, 1956] на водоросли Botryoglossum farlowianum, у которой облучение сильным светом с длиной волны 550 нм приводит к набуханию хлоропластов и нарушению естественного хода процессов в других клеточных структурах. Разрушающим действием на хлоропласты водорослей обладает и близкая инфракрасная радиация [Govindjee et al., 1961].

Показано, что на сильном свету у водных растений происходит изменение

размеров, количества и оборачиваемости фотосинтетических единиц (ФСЕ) [Boardman, 1977, Литвин и др., 1982]; формируются более мелкие ФСЕ, но в большем количестве, чем в затенении [Wild et al., 1972], а также теряется упорядоченность расположения мембран в строме хлоропластов [Biebl, 1956].

Также, под действием высоких интенсивностей ФАР происходит ингибирование активности ФСН [Vincent, 1980] и уменьшение активности фотосинтетических ферментов [Hellebust, 1970], особенно,

рибулозобисфосфаткарбоксилазы. В длительных световых экспозициях полностью ингибируется фотосинтез и наблюдается поглощение кислорода на свету [Hellebust, 1970, Bjorkman, 1989, Adams, Demming-Adams, 1992]. 1.2.2 Специфическое действие У�