Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ВЛИЯНИЕ ПОНИЖЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ НА ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ПОНИЖЕННОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ НА ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА"

Л-2Б9£Б"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

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

На правах рукописи

ПАВЛОВА ИРИНА ЕВГЕНЬЕВНА *

УДК 58.035 : 381.08.132

влияние пониженной освещенности на первичные процессы фотосинтеза

Специальность 03.00.12 — физиология растений, 03.00.02— биофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой.степени кандидата биологических наук

МОСКВА —1988

• ....... ;. >-:•. •.-..• - .

Работа выполнена в Московской ордена Ленина и ордена Трудового .Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева. <

Научный руководитель —доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. Н. Третьяков.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник Т. Е. Кренделева; доктор химических наук, старший научный сотрудник М. Г. Гольфельд.

Ведущее предприятие—Институт почвоведения и фотосинтеза АН СССР.

Защита диссертации состоится « 6» .АсА/ь-д . . . . 1988 г. в <№% часов на заседании Специализированного совета Д 120.35.07 при Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева. .

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

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан « А » .ик*гД. . . . 1988 г.

Ученый секретарь Специализированного совета — кандидат биологических наук,' доцент

г

СЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы,

Продовольственная программа ставит перед наукой задачи повышения продуктивности естественных и агроценозов, создания новых интенсивных технологий сельскохозяйственного производства, выведения новых устойчивых и продуктивных сортов культурных растений. В связи с этим большое значение приобретает проблема адаптации растений к различным стрессовым воздействиям и, в частности, к пониженной освещенности. Изучение механизмов адаптации растений к стрессам открывает пути для управления функциям! растений с целью получения высоких и устойчивых урожаев.

Практическое значение изучения влияния пониженной освещенности на фотосинтетические функции особенно велико в тех условиях и на тех объектах, где свет является лимитирующим фактором роста. Такие условия реально существуют в лесных сообществах, в загущенных посевах сельскохозяйственных культур, а также при выращивании растений в закрытом грунте.

Настоящая работа посвящена, с одной стороны, изучению адаптации к затенению древесного подроста, с другой стороны влиянию пониженной освещенности на такие культурные растения, как горох, -бобы и кукуруза, которые часто выращиваются в загущенных посевах.

Наименее изученным аспектом проблемы адаптации к затенению является влияние"пониженной освещенности на первичные процессы фотосинтеза. Именно этот вопрос и стал предметом наших исследований. До сих пор больаинство работ в этом направлении проводилось на выделенных хлоропластах. Однако в настоящее время существует целый ряд биофизических методов, дающих представление об активности первичных процессов фотосинтеза в интактных листьях. Одним из таких методов являемся рЛегистшдиязамедленной флуорос-

5 . №.гГ->.е:1е? о*л<5ич Ленд»

ценции (ЗФ). В данной работе мы использовали замедленную флуот-ресценцию для изучения адаптации к затенению фотосинтетического аппарата различных растений, сопоставляя данные по регистрации ЗФ с результатами, полученными другими биофизическими и биохимическими методами.

Цель работы: исследование влияния пониженной освещенности на первичные процессы фотосинтеза у разных видов растений с по-_ :.'мощьп'метода регистрации замедленной флуоресценции в интактных листьях и выделенных хлоропластах,

Задачи дсследований: оценить относительные изменения скорости электронного транспорта, а также выявить места его лимитиро- -вания'в интактных листьях растений под влиянием поникенной освещенности; изучить влияние затенения на энаргизацлю мембран тилакопдов;в интактных ластьях и в изолированных хлоропластах; ' установить характер индукционных процессов фотосинтеза и их зависимость от затенения у растений различных типов; изучить' . •; влияние затенения на ионную проницаемость мембран тилакоидов. V

Научная новизна,. Впервые с помощью метода регистрации:35; • изучены фотосинтетический аппарат светолюбивых и теневыносливых древесных растений и его изменения под влиянием затенения, а ;/ также изменения при затенении фотосинтвтического аппарата' С4-ра-стений кукурузы.; Обнаружено,- что в условиях затенения наблюдается возрастание энергизации мембран тилакоидов интактных листьев и уменьшение их ионной проницаемости. Эти изменения являются л способом адаптации растений к пониженной освещенности и более-; •". выраяенн у теневыносливых растений. Обнаружены различия в индукционных процессах фотосинтеза у Сз-растений (древесные порода,. горох);»'у Сл-растений (кукуруза); а такае в их реакции на V; затенение. ..•.. . .."'.".""'." .у..".. ."7у-'/ул~*-"' ;•"•

Практическое значвнпд. Полученные данные вакны для понимания механизшв адаптации фотосинтетического аппарата к условиям освещения, что создает предпосылки для управления функциями растений. Изученные показатели первичных реакций фотосинтеза могут служить как для контроля состояния растений в данных условиях произрасташ!Я, так и в качестве критериев оцепки теневыносливых видов, что мояет быть полезным в селекционной практике.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на П Всесоюзном совещании по,физиологии кукурузы (ЗНШК, Днепролет- " ровск, 1984), на Всесоюзной конференции "Изменчивость пигментного аппарата и направленность первичных процессов фотосинтеза в зависимости от .факторов среды" (ЮР АН УССР, Чернигов, 1985), на-ежегодных научных конференциях сотрудников ЮА (Москва, 1980, 1983, 1987), на объединенном заседании кафедры-и лаборатории физиологии растений ТСХА (Москва, 1987).

ПИДДйЗЫад. Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.

Структура п ооЧеч диссертации. Работа состоит из введения, •обзора литературы, описания методики, четырех экспериментальных глав, заключения, выводов и списка литературы, включащего 347 наименований, в том число 232 пнострашгых. Работа изложена па 211 страницах ьаЛпяописного текста, содзртат 20 таблиц п 48 рисунков.

Объекты п "Ъ?ощ иссл?1Т0в.-тпл

Часть опытов проведена в лаборатории лесоведения АН СССР. В качестве объектов в работо использовали двухлетние сеязшы дровео-ных растений: ясеня. (Tra/inus (KnnsyJvanicnMjrck), клена ( Acer pla-tanoldes L. ), липы (lilia cordita Kill. ), каштана ( Aeccu-lus hiFr°=3ctam:= L. " ), a татгпо порослевые побеги осины ( Foru-' lun treAula L. . ). Ряд опытов был поставлои на бобах (Vicia in-

ba L, ), русские черные, а гороха ( Pisux sativum L. >, сорт Пионерский. Растения выредпвали в питомнике .-при 90, 50, 20, 8, 3 а 0,5 % от естественного освещения. Несколько опытовпоставлено . в фитотроне. ,-•'•. •• ."•.У."';.'-::'".'.' ;

Другая.часть опытов проведенав лаборатории, физиологии растений ЮСА на растениях кукурузы ( Zea =ауз L. ),-сорт Воронел- . екая 76, в фитотроне, облученность на уровне верхних листьев составляла 160, 80 и 40 Вт/м". , ,? /. . "'.'••'„•

. В работе использовали как целке срезанные листья растений, так и выделенные из них хлоропласты. Хлоропласты выделяли, как описано ранее (Павлова, 1972, 1983), использовали их свежими пли хранили в жидком азоте. '-.'."'

, ЗФ регистрировали на фосфороскопической установке в. ШУ на кафедре биофизики биологического факультета под руководством ДЛТ/дторина и В.Л.Воселовского. Время иевду._освещением и измерением составляло 1,5 ио, ИСТОЧНИК света - лампа КГЦ 300 для КГ!.!-* -24-150 Вт, интенсивность возбувдаицого света = 5 0 Вт/tr. Изменения сигнала записывали на самописце КСП—1 или фотографировали с экрана осциллографа GI-30. При включении возбуждающего свота поело темновой адаптации листьев или суспонзнй хлорспластов записывали индукционные кривые 3>, отраяаюерю переходные процессы фотосинтеза. В ряде опытов использовали запись свечошш в.режпмо прорывания освозошш короткий интервалами темноты длительностью ; от I до 30 с, иногда до 180 о, как.это описано в работо Эванса и Крофтса < Evan3 , CroEto 1973). При этом медленная фазароста 30 после темповых интервалов, согласно зтпм же авторам, отрагаот фост протошюго градиента на мембране, а изменение"оо при увояа-чйнии длительности темповых порподов соответствует кинетика том-нового падения рН на мембранах тилакоидов. Стимуляция евзчо-

ния под влиянием диффузиотюго потенциала ионов описана в работах Барбера а Краана ( Barber. Kraan . 1970; кгоап ot al.. I970; 4 Barber . Variuy t 1972). Методика проведения подобных опытов в нашой работе описана ранее (Павлова, 1983; Павлова, .'!аторян,1983).

Измерения сигнала ЭПР-1 как В ЛИСТЬЯХ, так и в суспензиях хлоропластов с применением спинового зонда выполнены на кафедре биофизики физического факультета МТУ при участии А.Н.Тихонова (Тихонов, Павлова, 1978). Сигналы ЭПР регистрировали на спектрометра модели Е-4 фирмы "Варган" ,с приставкой для „термостатирова-ния образцов. Измерения быстрой флуоресценции в листьях выполнены на физическом факультете МТУ при участии В.А.Караваева (Караваев и др., 1973).

- • Оотохимачоскио реакции на выделенных хлоропластах проводили на кафодрз физиологии ТСХА по стандартным методикам, основшпшм на фотоколориметрпровашш с применением в качестве акцепторов феррицпанида калил'(ЗД) и феназинметзеульфата (£МЗ), а в качестве разобщителя - хлористого аммония (ХА) (Павлова, 1977, 1983).

Результаты опытов обработаны статистически мотодом дисперсионного анализа с помочью ЭВМ.

РЕЗУЛЬТАТЫ НЗСЛЩСВШСЛ

I. Свгет, характеристик 3' со СКОРОСТЬЮ электронного ТР?ЛСПРРТа

В качестве критериев оценки активности реакций элоктронного транспорта в пптактпых листьях использовали кривые затухания и световые кривые 35. Согласно Бортчу и др. ( Bortach ot al.. 1967, 1969), чем Bice скорость электронного транспорта в хлоропластах, тем быстрео происходит затухание свечения после выключения света. Кз рпс.1 видно, что на всех стадиях индукции, a та»схо при дости-конин стационарного уровня свечения в листьях затонешигх расто-

го ьа 60 го юо

го </о 60 го «ю

го 4о бо во О

Время.после выключения возбуждающего света,.мо Рио. I. Кривые затухания 35 на разных участках индукционной кривой: А - 0,5 с, Б - 10 о, В - 60 с после начала освещения в листьях ясеня, выращенного при 50 <1), 3 (2) и 0,5 (3) % ,.'--;• от естественной освещенности. *' - :•':• .-.--: ,

ю го зо Ао во

4о 20 30 ЬО 80

Ю 20 30 4080

.Интонсивнооть возбуждающего света, Вт/м2 ** .

Рис. 2. Свотовыо кривые ЭЗ: ••".-.;••* .:.•-»;» ". »..«.-.о

ГА - листьев ясеня,'виразениого при 90 (I), 50 (2)/ 20 (3), 8 (4), 3 (5) и 0,5 (6); 55 от естественной освеценноатп; -

Б -листьев ссппилП, .2) п клена (I', 2'), выредвнншс щи 1 .50 (1,1 ) и Зд2,2') % от естественной освещенности;

7 г"

ний скорость затухания 35 значительно понижена. При этом увеличивается вклад долгоживущих компонентов свечения.

Рис.2 изображает световые кривые 35 листьев разных пород. выращенных при различной освещенности, а также "выделенных из них хлоропластов. Как следует из расчетов Сорокина (1973), а также из экспериментальных данных Бенедиктова с соавт.- (1969) и Маторина , с соавт. (Matorin et ai. , 1978), при снижении скорости электронного транспорта, блокированного после 0С2, световые кривые ЗФ обнаруживают быстрый рост в области низких интенсивностей света и раннео световое насщение (сравня световые кривые ЗФ на рио.2В без добавок и в присутствии ФЦ). По мере увеличения затенения в листьях ясеня мы наблюдали именно такие изменения (рис.2А). При этом крутизна роста свечения но зависела от содержания хлорофилла в листьях и возрастала при самых сильных степенях затенения, несмотря на снижение хлорофилла в этих условиях (Цолышкор,1978). В то же время различия между вариантам в скорости элоктронпого транспорта в выделенных хлоропластах как без всяких добавок, так и в присутствии СЦ били сравнительно новолики (рис.2В), что предполагает больную устоЛчпвость к затононпю потенциальной активности хлоропластов. Сравнение фотохимических роакцай хлоропластов кукурузы (табл.1) и ясеня (Павлова, 1977), рассчитанных для ясеня как на хлорофилл, так и на единицу площади листа, со скоростью фотосинтеза при световом насыщении в пнтактних листьях тех же растений (Цольникор, 1973; Станчова, I9SS), тагасо говорит о боль-гей устойчивости к затоношт световых реакций по сравнению с том-новы:я. 3 то жо вромя скорость элоктрошюго транспорта в пнтакт-ных листьях, оценошгая по световым криви;.! 35 (рпс.2А), прян» связана с изменениями фотосинтеза (рпс.З). Тот факт, что при за-тепошш активность электронного транспорта в"листьях снижается

'г--.-- I ,У.," V . • • •;/Таблица: I У/у-

Влияние облученности растений на фотосинтетические реакции, и свойства мембран хлоропластов из листьев кукурузы, сорт Воронежская 7 6

Показатели

Фотосинтетические реакции: восстановление без добавок К3Ре(СН) 6 (Щ) + А£5*5Н-

Единицы ' измерения

Облученность. Вт/ц' 160 80 -20

мкмоль фц'" 205

л на иР хл-ла

в час 40:

отн. ед. 2,2-1

Фотофосфорили-рованив

+ СЖ

+ $ц

г>жмсль Ф„;-' 208 [117

на мг хл-ла в час, •••-

176х 146я

Ног »ч* 353х 2,55х1 2,65х 1261х .

129 Л00

отн. ед. отн. ед.

0,25 : 0.27 0,31

3,С8 3,39 3,67

1,53 2,02, 2,22

•1,89 3,34' 3.20

Относительная величина медленной фазы ЗФ в суспензиях хлоропластом

Величина стимуляции ЗФ: ;

при впрыскивании Кд00л '

при смене рН среды

Отнопошю пиков В / А

на спектрах ЭПР в присутствии

спиновой матки

х Различия между световым и затененным вариантами достоверны -, при уровне значимости 0,05

больше, чо:я его потенциальная активность в выделенных хяороплас-тах, свидетельствует об увеличении в условиях затенения степени лимитирования световых реакций со стороны тошовых. "".'•;'"

Сравнонио реакции на затопеняо светолюбивых и теневыносливых пород (рис.25, рис.3) приводит к выводу, что;Фотосянтотаче-ский аппарат тоиовыносливых растонпй проторяоваотбблоо значи- ' талышо изменения. Это выражается в более крутом росто световых кривых 35 при более низких интонспвностях света (рис.2Б), а так-80 в относительно большом возрастания стационарного уровня"35 в ? листьях затонешшх растопий при сравнительно мопьпом падения скорости фотосинтеза (рис.З). Это означает, что при затенения в листьях теневыносливых древесных пород лямлтировапио первичных роак-

ций фотосистемы 2 со стороны последующих реакций фотосинтеза '. выражено сильнее... •/><„ "["• •"••••

I . . • Предотавленннев Х'ссортации опьпы по изучению "кинетики восстановления P7QQ при хро:латических переходах в листьях древесных-растений (Тихонов, Павлова, 1978) подтверждают увеличение- лимитирования электронного транспорта при затенении со стороны последующих реакций и доказывают,*-что "лпАштиругацее" звено-логдт на окислительной стороне«5C-I. Эти жо результаты, наряду с исслодо--ванпяг-а быстрой £луоросцонцаа в тох so древесных породах (Караваев и др., 1078), свидетельствуют о большой восстановленностп DTlf в листьях затеношшх, растений при нонаевдажцих пнтенсивиостях света. . ,'.'.,.- *?' .•'•;-' '...' •!,'т,;";.Г

"•„ ..2. 1'зуло.^1л,а_,э,н9хгазаи;д..у.е'.'.ига?;.АУ.РОДДДС?.ОД .;. •"!; ,"-3 качестве критерия оценки эноргизации мембран тилакоидов использовали величину медленной фазы роста 35 после некоторого периода (5-30 сок) текнотн. Связь медленной фазы роста 35 с величиной Д-рН па мембранах показана во многих работах ( vvraighti Crofts, 1971; itbh'-et'al.';".'" • 1971 и др.). Суть'этой связи состо-ит'в закпеденпи внутритнлакопдного пространства,' которое может •' вызывать увеличение концентрации реко.чбинационных пар, а такгхе . ; возникновение разности поверхностных потенциалов тилакоидных мембран, что способствует усилении интенсивности 35 ( liaikin, 1977; Barber. ',.:Д960).:.:>\ а7;>, ' - и"'\*\ ,.; s ;>'.".. .' ;> ...;' *;л. 3 работе подробно рассмотрено изменение; энергизацпп мембран твлакоидов. под влияние?.! световых 'условий выращивания".'как в выделенных хлоропластах,; так п.в" пнтахтных листьях. На изолированных хлоропластах показано,', что. величина' медленной "фазы,;, а' такке ин-дукшюшйгаизгленешщ 35,зависят',от'рН,среды и содержания в ней ионов Ms'"+. Изолированные хлоропласты затененных растений .без до-

: вавок при всех испытанных рН среды имели болъиую величину медлен- \ ной фазы 30,;чго свидетельствует о большем 'закисленаи внугренней\:•'- •''" фазы тилакопдов по сравнении с хлоропластами сватовых растений. <: с ,.'. В'интактннх листьях затененныхрастений"такяе.наблвдалооь . -увеличение '"медленной фазы ЗФ.соответствущее большей, энергиэа-;; •даитилакоидных мембран при ненасыщающих* интенсивностях све'таг • • Изучение световой зависимости кинетики роста-33 после 5-<:екундюсг темповых интервалов в листьях кукурузы показало, что в затененных;. . вариантах рост медленной лзы кручей происходит.при более низких ; интенсявноотях действующего света и скорее достигает 'насыщения :. (рио.4). При атом по каре, снижения интенсивности действующего света нарастание медленной фазы ЗФ в листьях'затененных растений растягивается во времени и"приближается"по.форма к кинетиквУроста ЗФ в листьях световых растений при" высокой интеноивности; света';'-" (рис.5). Следовательно,"она зависит от'балшюа поступления)и вы-• /хода протонов из тилакоидов, а!не от абсолютной скорости этих '.

процеосов. Балано этот, по-видимому, одинаков в листьях 'затенен. . ных растений при-низкой интенсивности света и в листьях световых 'растений при выоокой интенсивности света. 'V; У '. V;' :" ; :

Рост энергизайии 1га1г1раИ в интактных; листьях по мера увели-;. чения интенсивности света говорит о лимитировании скорооти элект- '. .. ровного транспорта и работы протонной помпы со стороны выноса ; протонов, ооузествляемЬго главным образом за счет фотофосфоршга-: рования в частично за счет пассивного выхода протонов через мем-' - брану. Более крутой рост энергизапяи-свидетельствует о большей. ',;."• отепени лиматирования со стороны выноса протонов, что вероятно предполагает, болше а снижение активности фотофосфорилирования в .'. условиях.затенения по сравнению о начальной скоростью электронно-" го транспорта. Уволичонио энергизации может.способствовать.такхэ

¡г

XV

Б1

Л

Рас.З.

© береза

(О осина

(з) яоень

© клен

(5) каштан

12

в^

п

8-

8 4-

о к

100-1 __ 80-11™" 60- в

........

ф .

/2 /« 20 14

Гдгонсивносгь фотосинтеза, мг со§/б1гл (по Цеяънякер,М78)

Изменение относительной интенсивности 30 листьев разных .пород в зависимости от скорости <Готосиптбза при выразаванип в различных сватовых условиях. Цифры около экспоримектадь-пих точек обозначают освещенность в процентах от естественной.

160 ВТ/И'

Ю 20 ЖСгО во

Интенсивность возбуадцшпего света, Вт/а*

Рас.4. Световые кривые обЛзй величины (1,2) н начала модлекпоЗ фазы (I', 2 ) Э5 после 5-секушзшх телновых антерзалов в ластьях кукургзы.овырэдонноП при облученности Г60 (1,1 )

Рас.5. Нор.\алазованнне ппдуксаояныо кравые ЭЗ тех же ластьев кукурузы после 5-сокушишх темповых интервалов пра янтенсивно-стях возбукдатего света 100 Щ, 47 (2), 38(3), 16 (4) И ' 8 (5) % от максимальной 50 Зт/м~.

О

Л

Л

Рио.6. Темновое падение'энергизапин мембран тилакоздов в оуспензя-ях хлоропластов (А) и в интактных листьях кукурузы (Б).

А - в суспензии'без добавок (I). в присутствии ФЦ (2), ' • в присутствии ФЦ + + Фн (3).

Б - растения выоащены при облученности 160 (I), 80 (2) И' - 40 (3) Вт/м2Г

Рис. 7 Рис. 8

Рис 7 Ицдукциошшо кривые листьев ясоня. выраженного пря 50 (I) и 3 (2) % от естественной освещенности.

Рис.8. Индукционные кривые 35 листьов куктрузьг, выраженной при

облучошюстн 1ь0 (I) я 40 (2) Вт/мл после 3-х минут темповой адаптации.

Стролкака обозначается вкдшецпо п выхлвчонпо возбувдаицо-го света. . .•-•.

'. . •';. , '13 .-. .

снижение пассивной утечка протонов из тилакопдов. Ото показано D огитах с регистрацией падения протонного градиента в темноте по кинетике изменения медленной £азы 05 с увеличением темпового интервала от I до 30 с. Скорость /теглнового падения д р!1 значительно увеличивается в присутствии акцептора электронов и понижается нрк последующем добавлении кофакторов фотофосфоралировагшя (рис. 6А), что свидетельствует о зависимости скорости пассивного выхода протонов от величины энергизаядп мембран. Тем не менее в листьях наиболее затененных растений мы наблвдали более медленный выход протонов а темноте (рис.бБ). Это ДОЛЕНО означать уменьшение ионной. проницаемости мембран- тилакоидов в условиях выращивания при низкой освещенности, связанное с изменениями структуры хлороплао-тов и их мембран.

.'. 3, Изучение ИНДУКЦИОННЫХ процессов Фотосинтеза в листьях; дварвенн* расгадцал куюсрззд При изучении процессов индукции фотосинтеза использовали регистрации кинетики затухания свечения и медленной *азн 35 после периодов темноты в разных точках .пндукциошшх кривых 32 листьев затононнцх и нозатоненннх растений (рис. 1,9). Полученные результаты позволили' установить, что а индукционном максимуме Т наблюдается оияжошо* скорости эхоктрошюго транспорта (Павлова я др., 1978). Показано также, что в индукционном максимуме возрастаем электрохимический трансмомбряшнЯ потенциал Д/лн+ , При этом соотнесение. й ц> и Д рН мэжот бить раэлячииа у разных видов растения и в листьях разного возраста, однако вклад Ли' , по-видимому, всегда весьма велик. Получошшо выводы согласуются с совромеюшми продотавлонкями, ovpaxoimmci в литературе (!>.5ато-ран И др., 1973; Bradbury , Ваког • , 1981; Krauso ot al. , 1982, 1983. 1984}.

-' Затенение растений приводит к большому замедлению электрон"" ного транспорта и возрастали» протонного градиента в индукционном периоде, что видно из кинетики затухания и из индукционных кривых и; ЗЭ'(рдс, 1,7-Э), Вместе о тем обнаружено существенное различие в

- реакции на оатепение индукционных процессов С3-растений (древес -

- них и гороха) и С4-растений кукурузы, В древесных растениях под .. . оляяниеч затенения наблюдалось" растягивание индукционных процессов во времени (Павлова и дрА, 1978, ряс.7), а в листьях кукурузы

--их сокрасонко (рас,8-9), По нашему мнению, эти различия, таряду

- с различиями в характере кр;шцх"35, видных из,ряс.7-9, могут свидетельствовать о дигятврооагаи индукционных процессов в этих рас- -• тениях раэтта реакциями темнового мотаболпзга. В Сд-растонпях

скорость олектрошюго транспорта и.фото*ос$орллярованял прямо зависят от скорости Ззксацип С02, связанной с" активностью НЗОК и , •". активируемой в процессе индукция. В СА-растониях эта связь опо-

- •- средована фиксациой СО при участки ОЭП-карбоксплазы, не смспзоЯ

- ЛЕмптирутоого значения,-а также фосфорялнрованием и восстановяо-инсМ значительного числ"а промзкуточшяс продуктов. Возкочаю, за-

}• полненио объема пулов.этих продуктов п определяет длительность _ индукциошпес пороходов в клотках мезофилла С4-раотений. В листьях ." ' затененных растений кукурузы величина этих пулов» по-вадачогиу,*

- >, гмоиы!0, вероятно поэтому ИНДУКЦЕСНННО переходу протекают быстрое.

,;'',- 4. Цаизтаа. шиоп. штататхч .тшюидпяс мябрн

. " 8 >кдэ.одтгодагодпедло,ропдадти • <.•," .

- ~ , Для изучения ионной пронпцаомостя тплакоидтсс мембран в сус-

пензиях хлоропластов использовали метод стимуляции свечения вод '-,- влиянием дяллузиошюго . потенциала" донов, ' вознпкаюцого на момбра-нах при бистром вприекпваниа солей за счет разно!} скорости движения через мембрану анионов и катяонсв, а также при выстрой смене

)

мм

VI Ч

во с

АЛА

V • V Ч

ТЛ

Г\Г

ч

•ч

Рас. 9. Лзмонзыло быстрой и шдлошюй фазы 35 после 5-секундгшх ТСГМОВЦХ шггервадов на протяЕоши иядуккпокаай криво* в лзсгьях кукурузы, вирадзпаоД при обдуманности 160 (А) И 40 (Б) Вт/ц"/» • • : , _

1

Л

• 16 . •; '

рН с кислого на щелочной за счет разно:'! концентрация протонов по разные стороны мембраны ( Barber. Kvaan , 1970; Kfaan ot al. 1970). Для впрыскивания использовали соля калия, скорость проникновения которого через мембрану в присутствия Балппогсщина настолько велика по сравнению с использованными аннонами, что моте? " быть принята за разную в разных вариантах опытов. При этом увели-. чош:о стимуляции Э5 долгою свидетельствовать об згмельп:от:я проницаемости тилакопдпнх мембран для анионов (при- впрыскивания солей .' калия) или для протонов (при смоно рН среды).

* 3 работе показано, что сопрягающая способность мембран хлоропласт ов у разных ЕПДОЗ растений коррелирует с их донной проницаемостью. Увеличение сопряжения электронного транспорта с фото- фосЛорилпровашюмпря добавлении з среду суспепдярованпя енвэро-V точного альбумина татпо сопровождается уменьшением ионной аренн-*. цаомости мембран тилакондов (Павлова, f.'-аторяп, I983). - «_ В хлоропластах, выделенными листьев затененных растений разных впдоз, мы такяе в больсянстве случаев наблюдалп увзличеняо - (\опряхошюсгЕ электронного транспорта и фотофос$орплпроваш:я, со.". проаОЕдавдзеся возрастанием'стимуляции 55 при впрыскязаняп соде Л калия пля при быстро;1! смене рН, а также увелпченпегл cTeneini отно-— ,-• сительного падения 35 при добавлении в суспензию хлористого аммония или валшюмпцина (Павлова*; 1983; Павлова, Коскин, I9S5). 11з данных табл.1 видно, что сопряженность электронного транспорта с фотофосфорплкрованием ( Г™ / 10 ) имеет такую ке тенденцию из. монений под влиянием затенения, как величина медленной фазы 33 в' суспензиях хлоропластов кукурузы и стимуляция свечения при добав-\ ках солей или смене рН среды. Эти данные свидетельствуют об •

умэны-енпи в хлоропластах затененных • растений' • проницаемости тяла-коидных мембран для анионов" и протонов,.что может служить одной

•,-■":/•, • .[. -/■• ■: ■•■.■ 17 /у • > . ■ ■

из причин увеличения их сопрягающей способности.".

Опыты с отрицательно заряженной спиновой меткой (Павлова, .,'« 1983 ; Павлова, Кошкин, 1985) и определение рН-завлсимости прони- . : / цаемоста мембран для анионов свидетельствуют о том, что причиной изменения проницаемости мембран для анионов может быть увеличение плотности отрицательных зарядов на поверхности тилакоидов в лис" : тьях затененных растений (табл.1) . Это, в свою очередь, может регулироваться как величиной защелачивания строми в процоссо электронного транспорта. так и степенью восстановлешости пластохино-нового пула через росфорилированне мембранных светособираачих ХБК.

•<'• ' :;*-(•; ЗАКЛЮЧЕНИЕ .//

, . До сяхпор при изучении адаптации растений к затенению на '•'•''уровнв первичных процессов фотосинтеза наибольшее значение прида-, валось увеличению поглощения слабого света и возрастанию антенны 0С2 за счет больного количества светособирающнх XGK ( Loons , Anderson, 1983, 1984; Anderson , I98G; Рубин и др., 1987). Отмо-. чено. также увеличение сопрят.онности электронного транспорта с фо-, то.£осфорилпрованием (Крендолзва и др., 1973; Ивапов и др., 1974; Шмолова и др., 1976; Николаева, Осипова, 1979). Вмосте с темno-оказано умоикгошго при затенении активности фотохимических реакций и содержания поропосчпков ЭТЦ, особенно цитохрома * , в расчото на хлорофилл ( Boordsan , 1977; Wild , 1979; Bjorksan , 1981).

' Наги дашшо дополняют представления об адаптации фотосинто-тичоского аппарата к затенению. поскольку позволяют оцонить относительные изменения различных процессов фотосинтеза в интактных листьях и пзмононня ионной прсницаомости мембран тилакоидов. Установлено. снижение активности электронного транспорта в листьях затененных растений. Однако показано, что оно лимитируется процессами, локализованными на окислительной стороне CCI, и ото ли-

• ' Л 8

матирование при затенении усиливается! 3 результате переносчики ЗЩ в листьях затенешшх растений находятся в более восстановлен-~ ном состоянии. Одновременно возрастает величина энергизацан мембран тилакоидов, что связано как с их менкзей ионной проницаемостью, так и с меньшей активностью фотофосфорялирования по срав-" нению с начальной скоростью электронного транспорта а,протонной • . помпы. . • • (."_.•*,

~ Все эти функционалыше изменения являются следствием струк-. турннх изменений хлоропласгов, а именно увеличения числа граналь--;иах талаксидов со сдавлошш'Л! мембранами, и умоньиения поверхно-"- сти иесдавланных мембран, несущих 'коталекс'ы SCI и белки сопрягаю-*♦ цего фактора ( Lichtonthaier et ai.," I983| 1985).. Это доляно не-Опзбо-кно вести к снижению активности • фотофосфорилировання. Вместо

с тем отмоченное нами возрастание протошгого"градиента и умоиьсо-.; нпо яошюД прошщаомостп момбран в листьях затенешшх растений должны способствовать активации_молекул ЛТФ-синтотазн и увеличению сопряженности электротюго транспорта и фотоЗосфоралирования, ' что в,какой-то море копенсирует снаконае количества.АТО-сйнте-тазц в хлоропластах. л ~ • ' * ' -

Однако основную роль возрастают эноргазации мембран тидакэя-дов я восстансвлокности ЗШ, прз назкой интенсивности-света в листьях затенешшх растонлйми ВИДИМ В создании внутра хлоропластов высокого энергетического фона, позволявдого поддерживать конфор-"- мацкю темповых ферментов в активирэзанном состоянии. При этом -„значительная часть энергии,оказывается запасенной в вздо промосу-точних продуктов фотосишоза, a также в виде протонного градпепта, солряяонного с изменением концеитрапал ионов в стромо. Это, по-видимому, и создает предпосылки для высоко;! эффективности фотосинтеза затенешшх растений при низкой интенсивности света.

" Представленные в нашей работе данпые о превышении потенци-: v. vvVMbHofi" активности первичных реакций над вторичными в лястьях за-':\тенеюшх растений, лежащие в основе.oroicaromx адаптивных измене-,\ гай, согласуется с'модолышми расчетами Звалинского и Литвина ., .; *; (1983, I9S4), предсказываицимн усиление лимитирования первичных реакций вторичгоига при возрастании нелинейности в области перегиба световой кривой фотосинтеза. Именно тшсой случай наблвдает-, ся в листьях затененных растений, характеризующихся крутым пере-

•ГТ; гибом световых кривых фотосинтеза в области светового насыщения '.-"-• (Тооминг, 1969; Цельникер, 1978).

'\ -,. По нашим данным;, в листьях теневыносливых древесных пород лимитирование первичных процессов вторичными выражено в большей .'.' степени," что подтверздаот' адаптивное значение наблюдаемых "эффектов. -. , ' -/;';• .:; V • ВЫВСЛЫ

, .."'' -; : I. В интактных листьях затененных растоний. по сравнению оо • • световыми набдвдается сшгаенио окорости электронного транспорта," котораялимитируется реакциями, локализованными на окислительной сторона CGI. Максимальная скорость фотосинтеза листьов снижается при затенения больпе скорости порвячных фэтохкмячоских реакций изолпрсваншхх хлоропластов.

2. В хлоропластах интактных листьев затоношшх растений наблюдается больсоо закислонио внутренней фазы тилакоядов, что ко-котслужить локезатолом увеличения оноргизации тплакоидных мом- • брал. Возраотшшо оноргизации мембран тилакоядов с ростом иитон-:. - спшости свота в лпотьях затеиошшх растоний начинается при более •>_ " низких оовеАонностях, происходят быстрое и окороо доотигаот насы-, цзнял.-Зто свидетельствует о большом'.прввыаодиа в них начальной "'-л; скорости протонной' помпы при Ш13КИХ освещениоотях над скоростью

выноса протонов из тилакоидов.

А 3. В точение первых секунд освещения в листьях наблюдается - падешю скорости электронного транспорта и возрастать электро-\" хитческого потенциала на мо.".!бранах тилакоидов. Затененио приводит к большему за.\яздленнго электронного транспорта и возрастанию протонного градиента в индукционном периоде. ,

4. Обнаружены различия в кинетике индукционных процессов в Сз-дровосшк раст01шях и в СА-растониях кукурузы и пх зависимости от освещенности. Ли.'итнрованио электронного транспорта в пндук-циошюи периоде осуществляется У этих растений на разных стадиях

,- тестового мотаболкзма. •" - ~ ' ' ,---_

5. При затенении происходит снижение пассивной проницаемости .- мембран тилакоидов йаК для анионов, так и для протонов, что спо--. собствуот усилению сопряженности электронного транспорта с фото-

фосфорилированием. - • ' •

,\...' 6.Адаптация растений к затенению на уровне порзичних про"" цессов фотосинтеза проявляется в поддержании при низкой интенсивности света высокой эноргпзацли мембран тилакоидов и высокой вос-становленности пероносчиков ЭТИ, что создает условия для эффективной работы фотосинтотического аппарата. Это достигается за счот большого агахвния активности вторичных реакций по сравнению с первичны:.::!, а такта за счот снижения ионной прсцицаомости мембран. В растениях, "генетически адаптнрозашшх к пониженной освещенности, указанный тип адаптации проявляется в большей _, степени, чем у светолюбивых.

- Наториалы диссертации опубликованы в работах:

I. Павлова U.S. Влияние "условий освещения на фотохпгачоскую активность хлоропластов из листьев древоспых растений // Фи-

зиол. растений. - 1977. - Т.24. - Вш.2. — С.237-242. • '2. Павлова И.Е., Наторян Д.Н., Венедиктов П.С. Исследование

замедленной флуоресценция листьев древесных растений, выращен-.-.'.V.-' них в разных условиях освещенности // Так» яз - 1978. - Т.25. -:••• Вып. Г, - C.97-I06.7';' 7 '."*•

3;' Тихонов А.Н., Павлова И.Е. Влияние различной освещенности при

• выращивании: на кинетику фотоиндуцированяых окпслительно-воо-. становятельных превращений P7QQ В листьях древесных растений

// Там же. г 1978. .- Т.25. - Виа.З.'. - С.477-483. 4." Караваев В.А., Павлоза И.Е., Кукушкин А.Н.Влияние условий освещения при выращивании.на.индукцию флуоресценции листьев древесных растений // Там жз. - 1978.- Т.25. -Вып.4. -,С.798-802.

.5.'. Павлова И.Е. Влияние световых условий выращивания на фотосин-

тетичоские реакции и свойства мембран хлоропластов некоторых "древесных и травянистых растений // Там ае. - 1983. - Т.ЗО." -Вып.4. - С.660-667. V 6. Павлова И.Е., {.Ьторяц Д.Н. Изучение ионной проницаемости

.тилакоядных мембран хлоропластов с разной биохн».:ичоской активностью // Оизиол. п биохим. культурных растонпй, 1983. -

• Т.К. - JS2 . г С.133-133.

7. Павлова И.Е. Зависимость функциональной активности хлороплас-

тов некоторых древесных и травянистых растошгй от продолжа-- тельности затенения и возраста листьев // Биол. науки. -

1983. - № 10. - С.85-90. Б. Павлова И.Е., Копкид Е.И.. Третьяков Н.Н. Некоторое АШШШЗМИ адаптации фотоспнтотичоского аппарата кукурузы к поши=сенной освещенности // Тезисыдокл. 2-го Всосошпого совет. по физиологии кукурузы: "£мзиодого-бнохикичоскао основы повышения

- гг.:

продуктивности кукурузы" - Днепропетровск, 1984. -С.27. 9.'Павлова И.Е., Кошкин Е.И/'Влияние пониженной освещенности на ". фотоспнтетичеокий аппарат кукурузы // Морфо-фязиологические • основы устойчивости'растений. - М.: ТСХА, 1985. - С.45-52.~ -10.. Павлова И.Е., Третьяков Н.Н., Веселовскпй В.А. Влияние световых условий выращивания- на некоторые характеристики замедленной флуоресценции листьев кукурузы // Физиол. и баохим. культурных растений. - 1987. - ^9. - » 3."- С.254-257.

Л-77131 15.03.88 г. Объем 1'/2 п. л.

Зак. 670. . Тир. 100

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

Бесплатно