Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние восстановленной и окисленной форм азота на фотосинтетический метаболизм растений

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Влияние восстановленной и окисленной форм азота на фотосинтетический метаболизм растений"

Р Г Б ОД

2 3 ОПТ 1395

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК казанский институт биологии КНЦ РАН

на правах рукописи

НЕСТЕРОВА Татьяна Николаевна

УДК 581.133.1

ВЛИЯНИЕ ВОССТАНОВЛЕННОЙ И ОКИСЛЕННОЙ ФОРМ АЗОТА НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ МЕТАБОЛИЗМ РАСТЕНИЙ

03.00.12 - физиология растений

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

КАЗАНЬ - 1995

Работа выполнена в Институте биологии Казанского научного

центра РАН.

Научный руководитель - доктор биологических наук,

профессор В. И. Чиков

Официальные оппоненты: - доктор биологических наук,

Хохлова Л. П. , - кандидат биологических наук, Максстова Н. Н.

Ведущал организация - Институт почвоведения и фотосинтеза

РАН Сг.Пущино)

Защита состоится г. в ,//' час.

V

на заседании специализированного Совета К 002.16.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук при Казанском институте биологии КНЦ РАН по адресу: 420503, Казань,ул. Лобачевского, 2/31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского института биологии КНЦ РАН.

Автореферат разослан "Л/ " 1995 г.

Ученый секретарь Совета кандидат биологических наук

Лосева Н. Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш исследований. Э последние несколько лет наблюдается повышение интереса к вопросам взаимодействия азотного к углеродного ьгетаболазиа при фотосинтезе.Прошло несколько конференций, соввлзнкЗ, бшуцэн ряд монографий и сборников,посзяцен-нкх исследовании этой проблемы С Андреева 1969; Измайлов, 1986; Кротоавч, 1033; ЧжговД887; Соколов и др. 1990).

Связано зто презло всего с тем, что выяснялась важная роль фотоднхання и штабелю ца пжсолата в усвоении азота растением. Накоториэ исследователя даже считает, что гляколатный цикл -главки?' путь усвоения азота растением С0дгсп,1978). Однако до енх пор остаптся спорныш вопросы о способе образования гякколата л о рола световых условна з концентраций 00р и в этой-процессе. Не вшгеноза роль экологических факторов во взаимодействии азотного а углеродного обдана растений , что ваяно для познания механизмов рагуяадзга продукционным процессом.

В ряде работ показано существенное различие в действии окисленной п восстановленной форы азота на ростовые процессы, газообмен Св т. ч. фотодаханне) и ферменты фотосинтетического иетаболизма углерода С Тг^енко,Нагокедов,1^1;Тищашсо, Белоног, Никитин,1983; Тейзшсо а др. 18Ш 3.

В то жв время не ясно как изшняется фотосинтатичесхиа метаболизм утлзрода СФСЫУЭ и в т.ч. образование и метаболизм гликолата* после подкоргш! растений удобрениями, содержащими азот в различной форка:окисленной шла восстановленной.

Выяснение этих вопросов ваяно такзе и в связи с том,что изменение соотпэяания ивхду углеводной я неуглеводной составляющий продуктов фотосинтеза является чувствительным показателей реакции ФСКУ на саше разные внзетке воздействия С Тарчевсхай,1964;Пьянков, 1283,1984;Чихав, 1^7;Хохлова Л.П.и др. ,1988,19933. А зто означает, что выяснение механизмов регуляции направленности ФСМУ имеет прямое отношение и к установлении природы адаптивных реакций растений

Цель н задачи исследования.

Цельо данной работы являлось изучение особенностей изменения §СМУ растений при изменении уровня и форш их азотного питания, а такгэ возможность через воздействие на азотный обдан направленно влиять на продукционный процесс растения. Для осуществления поставленной цели было намечено решить следущие задачи:

-1-

1. Изучить распределений среда различных меченых продукт фотосинтеза у растений как выраженных на разноы уровне азотнс питания, так и посла подхоршш удобрениями, содержавши окне лея] иди восстановленную форму азота.

2. Бшснить роль световых условий, концентрации С02 и 02 в s нениях ФСМУ под действием азотных подкормпк.

3. Провести кинетические опыты для установлена особенное; образования продуктов гликолатного цикла у растений, подкормлен] развоя формами азотных удобрений.

4. Опрэделнть возможность управления продукционны« процессом j тений путем изменения формы их азотного питания.

Натчная новизна.

Впервые на пвенице изучены особенности влияния разных фо] азотного питания на направленность ФСМУ до наступления изиекек! в морфологических показателях растения, аграха&до: ростовые гам цессы в его пигментации.

Изучена роль световых условия, концентраций С02 и 0U, изменения 4ЮМУ ори внесении удобрений, содержащих азот и oi ленной или восстановленное форсе.

Впервые показано различие действия восстановленной и окаслс: форм азота на степень разоыкнутости глисолатного цикла.

Впервые обнаружена меньшая чувствительность образования щ>. тов глюолатного пути к снижению концентрации кислорода до 1'5.

Показано, что различив в синтезе основного продукта фотосизг - сахарозы у растение,подкормленных восстановленное или окисла! формами азота обусловлено не столько ее образование«,сколько т< севшем ее эвакуации из листа.

Показаны новые возможности направленного изменения щюдукцяоз процессом растений путем подхормок восстановленным азоте«.

Практическая ценность результатов. Результаты проведенных следований углубляют представления о клеточных и организме® механизмах регуляции фотосинтеза, фотодыхания и продукциош процесса растений.

При изучении влиянии различных воздействий на ФОНУ мокет < полезным предположены* метод оценки изменения степени замкнут! гликолатного цикла на цикл Кальвина.

Выявленные особенности изменение ФСМУ под действием par форм удобрений могут быть использованы при разработке рацконал) системы удобрений сбльокохоэяйствевихх растений.

Результата келкоделяночных опытов свидетельствует о перспективности предполагаемых подходов не только для повышения урожайности,но и для качества получаемой продукции.

Апсобацдя работа. Результаты исследований были представлены на Всесоюзной конференции " Физиолого-биохимическне основы проблемы интенсификации селекционного процесса" ССаратов,1984),на Всесоиз-ном симпозиуме "Связь метаболизма углерода и азота при фотосинтезе" (Пуцвно,1885),на Всесовзном совещании "Фотосинтез как основа продукционного процесса и продуктивности растекиа"СЧэрннгоз,1987Э, на научных конференциях Казанского института биологии (Казань, 1690-18945.

Публикации.Основное содержание диссертации отражено в 8 опубликованных работах.

Объем и структура диссертации.Диссертационная работа содержит введение,обзер литературы, описание объектов и методов исследований, результаты и их обсуждение,заключенно,выводы,а также список цитируемой литературы. Работа содержит 26 таблиц, 10 рисунков. Список литературы состоит из Д/о наименований, из них /35" зарубежных авторов.

ОБЪЕКТЫ И НЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

Объектом изучения служила яровая пшеница сорта "Москозская-ЗЗ". Большинство экспериментов было проведено в условиях вегетационного опыта по методике, описанной Дурбицким С1968). Растения вы-равдвали в почвенной культуре при влажности почвы 70% от полной влагоемхосги. Минеральные удобрения вносили в почву в зависимости от постановки опыта либо при посеве, перемешиванием их с почвой, либо прн поливе вечером, накануне предшествуввдаго опыту дня. При подкормках в качестве восстановленной форыы азота использовали мочевину, в качестве окисленной-азотножнельй кальций.

В опытах использовали растения в репродуктивной фазе развития.

Для исследования фотосинтеза использовали радиоизотопный метод СТарчевский,1958; Быков, КоакинДЭЗЭ). Интенсивность фотосинтеза определяли на неотчлененных от растения листьях. Состав газовой смеси в газгольдере определялся постановкой опыта* из сочетания концентраций углекислоты 0,03% и 0,3% и кислорода 21?Р и 1'Л. Скорость потока воздуха через терностатируеыув листовую кашру составляла 90 л/час. Внезапное изменение освещенности листа в моыент фиксации достигалось использованием вклпченая-вык-лвчення осветителя ЛЭТИ-60Ы.

Время от начала экспонирования листа в атмосфере ^С02 до фше-

-3-

сацин составляло 2 минуты.Для.разделения в идентификации пкзкоио-лекулярных продуктов фотосинтеза использовали методы двумерной хроматографии на бумаге и радиоавтографии (Тарчевский,1958;1064). Радиоактивность пятен на хроматограммах, соответствувдих ыэченыц соединениям, определяли на сцинтилляционном счетчике "Дельта-300"

Повторность опытов - пятикратная. Статистическая обработка полученных экспериментальных данных проводилась по методике Ракнтс-кого (1973).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ.

1.Особенности Фотосинтетической функции растений, вырадешшх при разном уровне азотного питания.

Как известно, повышенный фон азотного питания увеличивает удельнуи плотность листьев, содержание хлорофилла и интенсивность фотосинтеза на единицу поверхности листа. Эта изменения несомненно связаны с неуглеводной направленностью фотосинтетического метаболизма углерода. Изучение изменения направленности 4СМУ и входило в нашу задачу на первой этапе исследований.

Опыты проводили на растениях, выращенных на почве, удобренной перед посевом из расчета 2г.азота на сосуд. Контролем слуянла растения, выращенные на неудобренной почве. Таким образом, контрольные и опытные растения, вырааенвые на разном уровне минерального питания, имели ярко вырахеннные визуальные различия.

У удобренных растений, по сравнении с контрольным вариантом Стабл.1), наблюдалось относительно меньшее включение меченого углерода в сахарозу и фосфорные зфары Сахаров (<КЗС), во болысэе- а свободные гексозы, алашга, и аспартат.

Снижение радиоактивности ФЗС у удобренных растений позволяет предположить, что величина пулов интермедиа«® восстановительного цикла у них относительно меньше,чем у остальных продуктов фотосинтеза. Поскольку у удобренных растений более высокая интенсивность фотосинтеза, они имеет- высокую"оборачиваеьгость" фериентов и повышенную пропускную способность цикла.

Как известно С Тарчевский, 1964 ), одним из признаков неспецифических изменений ФСМУ при действии неблагоприятных факторов является пониженное отношение рЕздиоахтавностей сахароза/гексозы. Такие изменения наблюдаются и при увеличении уровня азотного питания Срис.13. Из этого следует, что повышены^

-4-

уровень азота по характеру своего действия ноаэт быть отнесен к неблагоприятным для фотосинтеза факторам. В то и время уменьшение отношения сахароза/гексозы свидетельствует о трудностях протекания реакций гексозы —сахарсза.

Результата проведенных опытов подтвердили также известный факт Г Карпилов,Недопеюхна,1934;Андреева,196Э;1982],что усиленное азот-ноо питание способствует более активному включении ^С в органические и амино-кяслоты, в числе которых значительное место занимает- соединения глпколатного цикла Стабл.1).

Таблица 1.

14

Влияние уровня минерального питания на распределение С среда продуктов 2-х минутного фотосинтеза листьев пшеницы при естественной концентрации СО^ С в % от суммы радиоактивности спирто-водорастворимой фракции).

Соединения Варианты опыта

неудобренные растения удобренные при посеве

Сахароза 45,6-1,7 42,0*1,3

Гексозы 4,5*0,7 11,4*0,3

esc 21,0-2,1 14,0*1,1

Глицин + сэрин + гкнколат 8,2*0,4 10,2*0,8

Алании 7,2*0,7 8,7*0,8

Аспартат 1,0*0,2 1,4*0,1

Малат 0,9*0,1 0,9*0,0

Глнцерат 6,6*0,7 6,4*0,8

Пигменты 1,3*0,3 1Д*0,0

Сахарсюа/токсозн 10,0 3,7

Сахароза/2©0 2,4 3,8

Интенсивность фотосинтеза 21,4-2,2 27,0*0,9

Сиг СОр/да^г)

Скорость образ, продуктов С ккг CG^SmZ мин.):

глнцян + серин + глнколат 53 92

гяацерат 46 58

Радиоактивность глицина,серина и гликолата при этой у удобренных растения повышается, что, при практически отсутствующее разнице включения в глицерат,способствует увеличению отношения радно-азствэностей серив + глицин + гликолат / глицерат Срис.13.

Все это позволяет говорить об относительной накоплении меченого углерода в той части глихолатного цикла, из которого он может выходить в виде аминокислот, участвуя в образовании белков. Т.е.у растений удобренного СудЗ варианта, по-сравнению с неудобренным С н/у), гликолатный цикл в значительно большей степени разомкнут, а углерод продуктов этого цикла возможно болывр отвлекается на синтетическое процессы.

Отн ед.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

н/у

н/у

УД-

УД-

Отн. ед.

■1,8 ■•1,6 ■1,4 • 1.2 •1,0 ■0,8 ■0,6 •0,4 •0,2

сахароза глицин+сержн+гликопат

гексозы

глицерат

УД.

н/у

Отн. ®Д.

-- 4

• 3 •2

сахароза —ШГ~

Рис. 1 Соотношение радиоактивностей некоторых продуктов фотосинтеза у растений пшеницы, выраженной на разном уровне азотного интанся.

Если расчитать скорость образования продуктов глшсолатного пути в абсолютных единицах СмкНХ^'ДЫ^1*™-3, то можно заметать Стаб.13, что в удобренном варианте она выше более чем в полтора раза.

Таким образом, с изменением уровня азотного питания меняется соотношение между основным потоком углерода, выходящего из цикла Кальвина (синтез сахарозы), и образованием неуглеводных продуктов фотосинтеза (прежде всего аминокислот) через гликолатный путь и вевосстановятелыюв превращение ФГК.

-в-

2. Реакция <ЮМУ на внезапное повыаоние уровня азотного питания.

Как уне отмечалось выше, изменения ФСМУ у растений, выросших при различном уровне минерального питания могут являться след-следствием различий их морфологических

показателей. В дальнейших опытах оценивалась реакции 4СЫУ на "внезапное" изменение уровня или формы корневого азотного питания.

Накануне опытного дня растения быта политы растворами удобрения из расчета 2г. азота на сосуд в одном случае мочевиной, а в другой нитратом кальция. На сладувдий день через 1-1,3 часа после начала прямого солнечного освещения изучалось фиксация и включение в продукты фотосинтеза верхних флаг-листьев шеннцы.

{^следования показали Стабл.2), что подкормка азотными удобрениями в случае мочевшш вызвала стимуляции интенсивности фотосинтеза, а подкормка нитратами привела к резкому снижению фиксации ^СС^. По- сравнении с контролем, наблюдалось более высокое откоаешзе радаоактнвностой сахароза/гексози у растений,подкормленных мочевиной и более низкое -у нитратных растений.

Это, по-видимому, свидетельствует о достаточно интенсивном транспорте ассимялятов из листьев у растений, подкормленных мочевиной и торкохензи его у "нитратных" растений. Корреля-ттяцяя между иктеисиБНостьэ транспорта ассшдаштов и концентрацией сахарозы в листе показана в работе С Но ,1876).

Поскольку у растений, подкормленных мочевиной, интенсивность фотосинтеза выше до можно говорить о повышенной эффективности функционирования восстановительного цикла Собразование сахарозы на единицу пулов интермедиатов цикла).

Различия между вариантами становятся еде более выраявнньвгп, если расчитать распределение^^С среди всех меченых соединений за нсклп-чекиемнием $50, размер пула которых зависит от их оборачиваемости.

У подкормленных растений (особенно нитратного варианта) больпая часть меченого углерода вкличается в иалат, аспартат п аланин, которые характеризуют нвтенснвность цитоплазматических процессов. Это ,вероятно, связано с усвоением большего количества азота. Активация цитоплазматических процессов, у нитратных растений может быть связана еаэ и с тем, что, как отмечает [S5.vhr.ey, На1к, Ш.ско1а5,19781, нитрат функционируете митохондриях как альтернативный кислороду акцептор электронов для НАШ.

Таблица 2.

Влияние азотных подкормок на фотосинтез и распределение среди продуктов 2-х минутного фотосинтеза при естественно4 концентрации С02-

Соединения Контроль ЬЬчевана Нитраты

Сахароза 37,9 ± 0,8 41,3 1 0,8 33,4 * 1,3

ЮС 27,б 1 1,1 24,1 * 1,0 16,3 - 0,6

Гексозы 4,3 ± 0,7 3,2 ± 0,7 6,7 4 0,9

Серан 9,1 4.1,1 7,7 4 0,2 12,3 ± 1,2

Гликолат+глицвн 2,7 - 0,3 3,6 1 0,2 6,4 1 1,2

Алании 6,0 1 0,4 8,7 1 0,2 7,3 ± 0,8

Малат+аспартат 1,7 - 0,1 3,4 4 0,3 5,3 4 0,9

Глицерат 4,1 ± 0,7 2,0 ± 0,3 4,1 * 0,6

Пигменты 0,7 0,9 0,6 .

Интенсивность + фотосинтеза 24,4-1,1 иг.(Х^ч^дм2 26,8*0,9 9,3*0,3

Сахароза/гексозы 8,8 12,9 4,9

Сахароза/ЮС 1,4 1,7 2,0

Интересная информация была получена при расчете интенсивности образования отдельных соединений в мг.ОО^см^сек'^. На рис.2а видно, что скорость синтеза сахарозы в варианте с естественно концентрацией СО^ у растений, подкормленных мочевиной, вескольк вше, а у нитратных растений значительно нихе, чем у контрол Т.е. наблюдается разнонаправленность в действии разных форм азот на этот процесс.

Данные по вклвчения14С в 40С на рис.2в показывают,что повшг ние концентрации С0£ стимулирует попадание метки в фосфорные эфа Сахаров.. Степень стимуляции- наибольшая у растений, подкормлена нитратами,а наименьша я-мочевиной.Растения,подкормленные нитрата* по-видимому,более зависимы от уровня поступления углерода в цикл

120

110

100

80

60

40

20

50

40

30

20

10

70

60

50

40

30

20

10

7

6

5

4

3

2

1

с 2.

И

ш

I-1 - 0,0354 002

рГ] - 0,3% оо2

а) Сахароза

К-контроль. М-мочевина. Н-ннтраты.

ГШ К I 1 И____

си Алании + ыалат + аспартат

К К

Л.

гГ

£Й

глйколат + глйвдн

хякие азотной подкормки на скорость образования некоторых в 2-х минутного фотосинтеза СигСО^сы^сек-1}.

Н

Вполне вероятно, что это связано с повышением устьичного сопротивления диффузии 00g в лист.

С повышением концентрации COg в обоих вариантах усиливался невосстановительный метаболизм ФГК. Это проявлялось в увеличении включения в малат,аспартат и аланин(2 б).№ этого можно заключить, что в условиях внезапного (в момент фиксации ^СО^) повышения концентрации СО^ скорость образования пула ФГК превывает процесс ее восстановления.

Обращает на себя внимание тот факт, что при насыщающей концентрации 00g наблюдается увеличение различий между контролем и опытными вариантами по включению меченого углерода в продукты глико-латного циклаСрис. 2г).

То есть, при насыщающей концентрации COg образование продуктов гликолатного пути не только не ослабевает, но и усиливается за счет деятельности механизма,отличного от РБФ-оксигеназного.

По имеющимся в литературе данным С Гиббс,1972) гликолат и продукты его метаболизма могут быть также образованы в транскетолаз-ной реакции цикла Кальвина. Для осуществления этой реакции необходимо присутствие супероксидрадикала CAsami S.,Akasava Т.,1977), который образуется путем восстановления молекулярного кислорода компонентами электронтранспортной цепи хлоропластов С реакция Малера).

Таким образом, в клетках мезофилла гликолат и продукты его метаболизма синтезируются и в процессах, сопряженных с транспортов электронов,и роль этого механизма усиливается с повышением уровня азотного питания растений. Особенно выражен этот механизм s растений, подкормленных мочевиной.

Последнее может быть связано со стимуляцией в хлоропластах фотопоглощения кислорода (реакция Ыелера), т.к. в присутствии иона №4, образовавшегося в результате разложения мочевины (Robinson, Michael, Gibbs,1982), возможно усиление транспорта электронов в ЭТЦ в результате его разобщения с фотофосфорилнрованием. Последнее может привести к перевосстановлению переносчиков злектррэна и возрастанию сброса электронов на кислород с образованием супероксидрадикала.

Большая значимость интенсивности функционирования гликолатногс цикла в процессе усвоения азота в ходе фотосинтеза и важность для этого интенсивного образования "восстановительной силы" выявила необходимость изучения особенностей действия азотных подкормок на ФСМУ при изменении таких условий осуществления фотосинтеза,

-10-

хзх осв53£Шость ж концентрации С02 и 0^.

3.Влияние освевднности на изменение ФСМУ в ответ на дополнительную подкормку минеральным азотом.

Поскольку образование "восстановительной силы" в хлоропласта;: в основном зависит от количества поступавших квантов света, т.е. от освззденнссти, нами бшш проведены опыты, в которых растения выращивались в условиях как естественной освещенности, так и при трехкратном ее снихении. Растения в фазе трубкования подкармливали СО^н оценивали распределение среди продуктов фотосинтеза спирто-водорастворимой фракции. Как видно по данный табл.3, изменения в распределении среди продуктов фотосинтеза под действием разных форм азотных подкормок оказались сходными с результатами предвдуцих стлав- а в случае, веля растения вырадивали при затенении.

Таблица 3.

Влияние азотной подкормка на фотосинтез и распределение*^С среди продуктов 2-х минутного фотоситеоа листьев пшеницы, выраденной в условиях затенения Св У, от суммы спирто-водорастворн-иой фракции). С£3^=0,03К.

Соединения Контроль Мочевина Нитраты

Сахароза 38,1 * 2,9 34,7 ± 1,3 24,3 ± 2,7

ФЭС 10,1 * 0,9 11,4 ± 1,2 7,1 ± 0,8

Гексозы 8,9 * 0,9 10,6 ± 1,1 7,6 ± 0,4

Саран 9,3 ± 0,8 8,2 * 0,7 20,6 - 1,6

Глицнн + гликолат 1,9-0,2 3,0 ± 0,3 3,3 ± 0,3

Алании 13,1 ± 1,3 17,0 ± 0,9 20,7 ± 1,6

Палат + аспартат 1,6 ± 0,1 2,8 - 0,3 4,1 ± 0,4

Глицерат 4,3 ± 0,4 6,0 ± 0,7 4,3 4-0,4

Шгиенты 0,8 ± 0,1 1,1 1 0,1 1,0 ± ОД

Сахароза/гексозы 4,3 3,3 3,2

Интенсивность

фотосинтеза 12,9 18,3 4,0

ЫГ.С02ДИ"2Ч"'1

^Примечание: фиксация ^С02 осуществлялась в условиях вырадиваяия.

СнзгвнЕе освецешости неоднозначно повлияло на интенсивность фотосинтеза удобренных растений, что видно при сравнении данных

-11-

Табл. 2 а 3. У растений удобренных мочевиной фотосинтез снизился в меньшей степени (в 1,63 раз), по сравнении с нитратами Св 2,33 раза). Контрольные растения занимали прошауточное положение по этому показателю (в 1,9 раза). Таким образом,очевидно, что растения,подкормленные-нитратами,более зависимы от освещенности.

У растений всех вариантов условия затенения вызвали эффект сходный с действием азотных подкормок и с действием неблагоприятных факторов : увеличение содержания ^С в неуглеводных продуктах, что, по - мнению И.А.ТарчевскогоС1973; 1982), свидельствуат о возрастании в этих условиях роли темновых цитоплазматическнх и митохондриальных процессов в фотосинтетическом метаболизма углерода

Уменьшение радиоактивности продуктов гликолатного пути во всех вариантах данного опыта в определенной мере свидетельствует о зависимости вывода углерода из цикла Кальвина через этот канал от ассимиляционной силы, образуемся в хлоропластах.

В другом опыте одновременно со снижением освещенности повышали концентрации СО^ до насыщавшего значения.Такое воздействие привело к относительному усиленно углеводной направленности фотосинтеза у контроля и некоторому снижению этого показателя у удобренных растений. Из этого следует,что при повышении концентрация (Х>2 до насыщающего значения увеличивается сопряжение ФС2 и 4€1 и при этом резко усиливается соток электронов на восстановление ферредоксива и далее НАДФ+. В связи с этим становится очевидным, что при усилении потока электронов в ЭТЦ с образованием НАДФ* появляется возможность и более интенсивно использовать восстановительную силу на синтез Сахаров. Расчет скоростей образования отдельных продуктов фотосинтеза показал, что одновременное снижение освещенности и повышение концентрации С02 резко увеличило интенсивность синтеза Сахаров, особенно у растений, подкормленных нитратами.

4. Кинетика поступления меченого углерода в некоторые

продукты фотоевнитеза.

По результатам проведенных кинетических опытов было показано, что кривые изменения радиоактивности продуктов метаболизма гли-колата Ссерии ,глицин, глихолат)и глнцерата сходны.Это позволяет говорить об общности метаболических предшественников этих соединений и подтверждает правомерность использования для оценки

-12-

степени заикнутоста глаколатного цикла отношение радаоактивностей гликолат ■»■ глицин / глицврат.

Результаты опытов по исследовании кинетики включения в сахарозу показали большое сходство контрольного и опытного вариантов растений при коротких экспозициях листа в ^COg- Различие возрастало по мере увеличения времэнн фиксации листом печеной углекислоты. Это шкет свидетельствовать о той, что поток углерода з сторону образования сахарозы на начальных этапах фотосинтеза не ннгибирован, а снижение ее синтеза в дальнейшем у нитратных растений шжно объяснить скорее затрудненней ее эвакуации, чей новообразованием.

3. Влияние кислорода на ЮС рас-тений.подкормленных азотом.

Данные литературы и результаты предедставленных опытов показали, что при действии повышенных доз азота наиболее активную роль в изменении ОСЫУ играет процесс образования гликолата. Этот процесс, наряду с метаболизмом ФГК,является наиболее чувствитель-льтш к азотным подкормкам. Как было показано выше, по данным литературы, образование гликолата связывается исследователями прежде всего с функцией РБФК/0, причем отношение кабокснлазная / оксигеназная активность зависит от соотношения концентраций COg/Og в реакционном центре фермента.

Э связи с этим, мы в своих опытах попытались просхтедить изменение ФСЙУ у растений, подкормленных разными азотными удобрениями при изменении концентрацияй С02 и 02- Было показано, что при снижении концентрации кислорода до 1%, ингнбированне фотосинтеза кислородом, т.н.эффект Варбурга, наблюдался только у контрольных растений и только при лимитирующей фотосинтез концентрации С02. У растений, подкормленных мочевиной,интенсивность фотосинтеза при естественной концентрации углекислоты почти но изменилась, а у нитратных наблюдался существенный антизффвкт Варбурга Стаб.4). Характерно,что снижение концентрации кислорода при насыщающей концентрации углекислоты во всех вариантах вызвало автоэффект Варбурга .

1Ьвестно,что автоэффект Варбурга наблюдается иыенно при насыщавши концентрациях 002 и освещенности С Вийль в др.1972; Hiachi, Okade ,19763, но убедительного объяснения природы этого эффекта пока нет. В нашей лаборатории дано толкование зтоиу явленшзСЧккоа, 1S873,согласно которому при насыщающих концентрациях С02 ннтекснв-Еосгъ фотосинтеза определяется скоростью выноса углерода из ЦК,. который осуществляется в основном через углвьодныЗ канал.

-13-

Таблица 6.

Влияние кислорода на интенсивность фикса/'.ин листьяин

пшеницы Сиг 002 дм-2«-1).

Состав газовой среды при ц фиксации -С02 Контроль Мочевина Нитраты

21% 02; 0,03% С02 24,4-1,6 26,8*1,4 9,3*0,3

1% 02; 0,03% С02 30,4*1,8 27,0*1,5 6,6*0,3

Эффект Варбурга + 6,0 * 0,2 - 2,7

в % от 1%02 + 20% + 0,7% -41%

21% 02; 0,3% С02 96,6*1,7 88,4*1,5 73,0*2,9

1% 02; 0,3% С02 35,7*0,9 51,5*7,3 37,2*1,3

Эффект Варбурга -60,9 -36,9 -37,8

в % от 1%02 -171% -72,0% -102%

Это особенно характерно для завершивших рост листьев-экспортеров ассимилятов при нонвхеннои уровне азотного питания, когда углеводная направленность ФСКУ особенно выражена.

В присутствии кислорода усиление метаболизма ассимилированного углерода через гликолатный путь создает дополнительнув возможность для разгрузки цикла Кальвина.

Расчет интенсивности образования некоторых продуктов фотосинтеза (табл.5? показал,что снижение концентрации 02 при насыщении по С02 уменьшило синтез Сахаров сильнее всего у контрольных растении, меньше - у растения подкормленных мочевиной. То есть, снижение синтеза Сахаров было меньше там, где был активен гликолатный катаболизм.

Понижение содержания кислорода при наседающей концентрации С02 снизило и образование продуктов глшсояатного пути. Минимальным это пониженна было 7 нитратных растенвй.

Интересно сравнить включение меченого углерода в продукты фотосинтеза при повышении концентрации С02 в условиях пониженной кон-концентрации кислорода. Это условия, когда должно быть подавлено образование гликолата и через РБФ-оксигеназу и через транскэтолазу.

Таблица 5

Влияние кислорода на интенсивность образования некоторых продуктов фотосинтеза. С нгСОр см-2мин-1 ).

Варианты опыта Сахара Продукты метаболизма глшсолата Алании Халат аспартат

0,3%С02 31% о2 Контроль 7150 1050 1660 402

Мочевина 6630 1210 2180 784

Нетраты 5550 1180 1730 1230

0,0354 С02 1 Контроль ХО 2 3520 328 610 83

Мочевина Нитраты 2960 623 305 170 630 149 180 81

0,3« со2 1% о2

Контроль- 4400 238 683 99

Мочевина 5270 206 1470 444

Нитраты 3780 593 1070 320

0,3%С021Й02/0,03%С021 Контроль 1,21 0,73 1,12 1,06

Иочевина 1,78 0,Ь7 2,30 2,47

Нитраты 6,00 3,50 7,18 3,93

У контрольного и аммонийного вариантов растений так и произошло. У растений, подкормленных нитратами, образование продуктов глшсо-латного метаболизма не только не снизилось, но и возросло.

Механизм усиленного образования глшсолата в подобных услоЕзях пока не ясен. Иохно предположить, что при избытке нитратов в листе появляется возыохность образования окислителя, необходимого для транскетолазного механизма образования гликолатаС Азаш, Аказауа, 1977 ) за счет эндогенного кислорода. В этом случае окислитель, по-видимому, может образовываться как прокэгуточнкй продукт восстановления нитратов до аммиака.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Результаты проведенных исследований и литературные данные С Измайлов,1986; Кретович, 1987; Чихов,1987 3 показывают тесное взаимодействие азотного и углеродного метаболизма на только на уровне гликолатного цикла и фотодыхания, но и на уровне невосстановительного метаболизма ФГК с образованием четырехуглеродвых

соединений. Обнаруженные особенности влияния разных форм азотного питания, как на газообмен, так и на КШ указывают на наличие специфики их действия на ФСА.

При внезапном повышении уровня азотного питания наблюдается различие в действии окисленной и восстановленной форм азота. По некоторым показателям разные формы азота оказали противоположное по сравнению с контролем действие на ФСЫУ. Относительное включение 14С в сахарозу под действием подкормки мочевиной, как правило, повышалось, а в варианте с нитратами снижалось. У этих двух вариантов растений наблюдалось разная степень влияния повышения концентрации СО-, на включение ^С в продукты невосстановнтеяьного метаболизма ФГК С аланин, аспартат,малгт 3.

Следует отметить, что любая форма азотной подкору^я стимулировала гликолатный метаболнзм .Это свидетельствует а различиях в механизмах образования глнколата при действии окасленной и восстановленной форм азота.

У растений, подкормленных восстановленной или окисленной формой азотных удобрений,в разных условиях, по-видимому, различна судьба и в метаболизации образовавшегося гликолата, В условиях голодания по азоту или затенения восстановленная форма азота способствовала замыканию гликолатного цикла на цикл Кальвина.Это выражалось в относительно большей среди продуктов гликолатного пути радиоактивности глидереva.

Попавшие в клетку ионы вызывают подщелачиваете ее содержимого клеткиС Henderson,1971; Pokozny, Peslova,Chros»k,1988 ), а это может сттаугшровать поступление неорганического фосфата в ХП, повышая активность челночных переносчиков триозофосфатов и стимулировать синтез сахарозы. С другой стороны, при щелочной рН повышается активность ферментов гликолатного пула, ФЕП-карбоксалазы, амгнотрансфераз СТищеяхо, Магомедов, 19813.0 стимулировании ферментов С4 метаболизма при поступлении в растение мочевины сообщается в работах Тиденко и НагомадоваСТищенко,Магомедов,1983, 1988).

НН^ -катаоцы, вероятно, могут повлиять н на энергетический заряд тилакоидов, снижая его. В результате чего усиливается процесс слипания мембран тилакондов в граны. Последнее способствует возрастании соотношения активностей ФС2/ФС1, что сопровождается повышенном н отношения образующихся НАДФН/АТФ.

Активация образования гликолата а продуктов его катаболизма в растениях, подкормленных нитратами,может в определенной степени происходить ж в результате торможения экспорта сахарозы, как это показано и в опытах с удалением потреблявших ассимиляты органов С Чшсов, Булка, ^гунов, 1985 ). Это подтверждается и возрастанием соотношения радиоактивпостей гексозы/сахароза.

При налнчнкя у растении достатка шшораяьяого азота образование гликолата не подавляется повышением концентрации СОд до насыщающего уровня. Это значат, что у таких растений в образования гликолата большее участие принимает механизмы,не связанные с РБФ-охсягеназсй, а, по-видимому, образуется в транскето-лазной реакции. Повышение уровня азотного питания увеличивает роль этой составлялся в образовании гликолата а продуктов его кетаболнзиа.

Исследование роли кислорода в образовании гликолата показало' различие в механизмах его синтеза в зависимости от формы азота, используемого клеткой. Меньшая чувствительность образования гликолата к изменение концентрации кислорода у нитратных растений свидетельствует либо о насыщении траяскетолазной реакции при 1"Л концентрация кислорода, либо о возможности использования активных форм кислорода из нитрита при его восстановления в ЭТЦ ХП С иивиуО. Возможно также, что эндогенный кислород, образующийся в ХП, может локально повышать свою концентрацию а участвовать в реакции Иэлера, создавая необходимый супероксидра-днкал для транскетолазного механизма.

Различное влияние восстановленной и окисленной форы азота та образование в ходе фотосинтеза сахарозы и ее экспорт из листа позволяет рекомендовать подходы к оптимизации азотного обмена растения с целью повышения его продуктивности. Полученные результаты, а также результаты опубликованные сотрудниками нашей лабораторий Чинов, Иванова, 1588; Зернова, 1988; Чшсов, Вабашвили, 1992) свидетельствуют о том, что в начальный период вегетации, когда идет нарагугзанне фотосинтетнческого потенциалаС площади листьев ) растения, необходимо, чтобы азот поступал в виде нитратов, т.к. в

-17-

этой случае ассимиляты будут кспальзованы в саьгой листе.

С наступлением периода, когда сформировала ярко выраженные доноры и акцепторы ассиыалятов Сплодоэлеманты) подкормка растений нитратами неприемлема. Эмпирически к такому выводу практики с/х производства пришли давно и поздние азотные подкормки обычно проводят мочевиной. Проведенные нами работы под это правило подводят теоретическую основу. Кровд того, показано, что воздействуя на растение восстановленным азотом, особенно (ИН^^СО-д можно успешно регулировать продукционные процессы растений и хозяйственный урожай.

ВЫВОДЫ.

1.Независимо от исходного уровня азотного питания растения дополнительная подкормка азотными удобрениями вызывает изменение его фотосинтетической функции. В зависимости от формы азотной подкормки изменения фотосинтетического метаболизма углерода могут быть различными. Восстановленная форма азота, активируя азотный обмен, не подавляет углеводного русла фотосинтеза, а нитратная-снижает поток углерода по основному фотосинтетического руслу -образование сахарозы.

2. Повышенное азотное питание вызывает дополнительную разгрузку пулов восстановительного фотосинтетического цикла через неуглеводные каналы: гликолатный путь н путь невосстановительного метаболизма ФГК, в результате чего снижается доля углерода, содержащегося в фосфорных зфирах Сахаров.

3.Азотная подкормка активирует образование и метаболизм гликолата. Показано, что восстановленный азот в ряде случаев С голодание по азоту, затенение ) способствует замыканию потока углерода по гляколатному циклу на цикл Кальвина, а нитратный азот вызывает усиление размыкания гликолатного цикла.

4.Снижение образования сахарозы у растений,подкормленных нитратами, связано с трудностями ее эвакуации из листа, а не с ее синтезом.

5.После нитратной подкормки при насыщающей концентрации С02 образование гликолата становится менее чувствительным к изменению концентрации кислорода.

в. Подавление углеводного русла ФСМУ, наблюдающееся после нитратной подкормки,через несколько дней уменьшается, но у удобренных растений сохраняются такие основные признаки изменений ФСМУ как раз оыкнутость гликолатного цикла, усиленные

-18-

шгаболнзк глжсолата я темновая фиксации COg .

7. Оптимизацией соотношения восстановленный/окисленный азот в питании растений можно существенно увеличить их продуктивность и повисать качество хозяйственно ценной части урожая..

ЙАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУВДН ПУБЛИКАЦИЯХ:

1.Чикав В.И.,Чемякосова С,Б..Лутфуллин У. А..Газизова Н.И.. Бакщюва Г.Г.. Кузьмина Г. Г. »Нестерова Т.Н. Некоторые данные об искусственном регулировании распределения ассинилятов в растении //Вопросы химизации сельского хозяйства.Казань.19®.С.109-111.

?.. Чакоа В.Н, .Чомшсосова C.B. .Нестерова Т.Н. .Эернова О.В. Особенности фотосинтеза и экспортной функции листа при усилении азотного питания растений // Фотосинтез и продукционный процесс. Свердловск.1989.С. 145-154.

3.Чемякосова С.Б..Нестерова Т.Н..Чихов В.И.Фотосинтетический метаболизм углерода и экспорт ассимвлятов из листа пвеницы прей различном уровне и форме азотного питания//Перзый съезд Всес. об-ва физиологов растений.Тез.докл.Канск. 24-29 сант.1990.С.96.

4. Чяков В.И. .Чемякосова C.B..Нестерова Т.Н. Фотосинтез и пост-фотсюяитатнческий процесс у различных органов пэаницы при под-зеорккэ нитратом кальция // Тез. докл. конф. фазиолого-генетичесюсе маетяизмы регуляции азотного питания растений.Киев. 14-19 охт. 1991. С. 42-43.

9.Нестерова Т.Н.,Чемшсосоза С.Б..Чахов В.И. Исследование связей условий фиксации с направленность!) фотосинтетнческого штаболнзыа углерода с экспортом ассиынлятов из листа пдоницы // Тез. докл. II съезд Всес.об-за физиологов растений.Москва.1992.

С. 147.

6.Нестерова Т.Н., Чекшсосова C.B. .Чзссов В.И.Особенности распределения С ассимилятов из различных органов растений пвеницы подкормленных нитратом кальция//Тез.Третьего Всероссийского об-ва фазяол. расггенгЗ. Санкт-Петербург. 1963. С. 332.

7.Чзшпсосова С.Б. .Конпхова Т.И. .Эврнова О.В. .Нестерова Т.Н.. Чихов В. И. Образование и транспорт низкомолекулярных продуктов фотосинтеза из разных органов пзвнвды//Таы хй.С.447.

8.Чемякосова С. 0..Нестерова Т.Н. Постфотосннтетическнй метаболизм углерода из различных органов пшвпзцы//Там ze. С.448,

•Подписано к печати .

Формат ус. печ. л. ^А

Тираж заказ

Отпечатано в кмс РИВЦ Министерства сельского хозяства и продовольствия Республики Татарстан г.Казань, ул. Оренбургский Тракт. 24.