Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Внутривидовая корреляция структурных и функциональных признаков C4-растений в связи с адаптацией к условиям аридного стресса

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Внутривидовая корреляция структурных и функциональных признаков C4-растений в связи с адаптацией к условиям аридного стресса"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИИ им. К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи ВОРОНИН Павел Юрьевич

ВНУТРИВИДОВАЯ КОРРЕЛЯЦИЯ СТРУКТУРНЫХ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

ПРИЗНАКОВ С4-РАСТЕНИЙ В СВЯЗИ С АДАПТАЦИЕЙ К УСЛОВИЯМ АРИДНОГО СТРЕССА

03.00.12 — физиология растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамен Институте физиологии растений им. К- А. Тимирязева А! СССР.

Научный руководитель — академик АН СССР А. Т. Мок роносов.

Официальные оппоненты: доктор биологических иаур профессор А. К. Романова, кандидат биологических нау Ю. В. Балнокин.

Ведущее учреждение—Ботанический институт им. В. Л. Ко марова АН СССР.

Защита состоится « Р. » . Ф^Ц^Ь ^ . . 1991 г

в 1М часов на заседании специализированного совета ш присуждению ученой степени кандидата биологически: наук (К 00242.01) при Институте физиологии растений имеш К- А. Тимирязева АН СССР по адресу: 127276, Москва И-27С Ботаническая ул., 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инсти тута.

Автореферат разослан « » РЧ-^У^^^А. 1991 г

Ученый секретарь ( *0

специализированного совета — ^ —.

кандидат биологических наук / Л. И. Сергеев*

ОВЦМ ХШКТЕРИСТ1Ш РАБОТЫ

Актуальность тош. Исследование С^-моханизиа ассимиляции СОд в листьях высших растений выявило существенную взаимосвязь структурного и функционального признаков С4-растешй. Однако принта феномена кооперации двух типов тканей, обусловливающая сам С^-моханизм, остается поясной. В самом общем виде проблема была сформулирована Лэгчем (1ае1;г.с!п , 1974): независимо или согласованно происходило формирование структурного и йункционального признаков С^-растешш в ходе эволюции? Первые систематические исследования наследственности С^-синдрома, проводенныо по инициа-тивс Бьёркмана ( Овтопа ег п1. , 1980) в ра^у близкорздстзен-ш видов рода Агт1р1ех (сьспоросИасссе ). бьглл с успехом проложены после обнаружения В родах МоПи^о, Е1еос11аг1г., Рог1:и1а-са, Рап1сит, ггауег^а, Ашпгп^Ьио промежуточных

(С3-С^)-видов. Попытки определить характер наследования С^-приз-паков привели к достаточно противоречивым результатам. Так, согласно одним данный характер наследования р -карбоксплирования носит рецессивный характер ( Сотегоп et а1. , 1989), согласно другим ( Chasta3.ii, Choliet ,1989) - следует прогивополомишй вывод. Трудность интерпретации результатов исследований по близкородственной гибридизации состоит еще и в той, что нельзя исключить существенную разницу темпов эволюции близкородственных видов в качестве причины особенностей наследования С4-призпаков, поскольку С4-растения встречаются, как правило, среди сравнительно молодых и продвинутых в эволюционном отношении таксонов (Вгсжп , 1975; Вознесенская,'Гамалей, 1986). Относительно взаимной скоррелироваиности структурных и функциональных признаков С^-растений известно еще меньше. Разнообразие различных комбинаций этих признаков, отраженное в современной класс:?Тшкацпи

... '

С^-растений (Гамалей, Вознесенская, 1У86), косвенно свидетельствует б пользу независимости их формирования в ходе эволюции. Однако этот аспект проблемы Лзтча ( laetвch , 1984) изучен но достаточно полно. Данное исследование лс;шт в русле работ, решающих эту задачу. И наконец, изучение механизмов формирования структурных и функциональных С^-признаков на начальном этапе видообразования позволяет оценить возможность случайного сочетания структурных и функциональных признаков в С^-механизме ассимиляции СО-, у растений в связи с их адаптацией к условиям аридного стресса.

Цель и зацачи работы. Долью настоящей работы было исследование внутривидовой корреляции структурных и функциональных признаков С'4-растений в связи с адаптацией к условиям аридного стрес са (формирование структурных и функциональных признаков (^-растений и регуляция их проявления).

Были поставлены основные экспериментальные задачи:

1. Провести сравнительное изучение структурных признаков С^-расгенш на разных уровнях организации (орган, ткань, клетка) на трех экологических типах одного и того же С^-вйда. '

2. Изучить особенности проявления функциональных С4-признаков и механизмы их регуляции в связи с различной степенью адаптации трех экотипов одного и того же С^-вида к условиям аридного стрес са. ' .'■'■.•-'.. •

Научная новизна работы/ Работа представляет собой первое систематическое исследование внутривидовой корреляции структурных. И функциональных признаков С^-расгаиий.-в связи с адаптацией к . условиям аридного стресса. Обусловленная внутривидовой специализацией гетерогенность вида проявляется в виде сосуществования ,. ряда экологи».эских типов. Поэтому сравнительное изучение струк-

турных и (функциональных признаков С^-растоний, принадлежащих одному виду, позволяет, во-первых, оценить относительную скоррели-рованностъ С^-признаков на начальном этапа видообразоБаштя, и, во-вторых, преодолеть трудность учета возможного влияния разного теглпа эволтоцяи даже близкородственных видов на формирование структурных и функциональных С/рпризнаков.

Установлено, что регуляция проявления структурных и фунгащо-

нальных признаков С^растошш осуществляется в ходе различных процессов. Проявлегаю структурных признаков в рапу эютипов, по-

разному адаптированных к условиям аридного стросса, обусловлено одинаковой последовательностью событий морфогенеза листа и потоку различия между структурными С^-признакамн внутри одного вида незначительны. Регуляция С^-карбоксилирования у разных экотипов осуществляется на двух уровнях. Медленная регуляция представляет собой увеличение ФЕП карбоксилазной активности в расчете на единицу веса листа с увеличением степени адаптации к условиям аридного стресса в ряду экологических типов С^-ввда. Ингибиторный контроль ФЕН карбоксилазной активности первичными продуктами гетеротрофной фиксации С02 реализует быструю регуляцию р, -карбо-ксилировашгя в листьях С^-растения. Таким образом в основе отсутствия внутривидовой корреляции структурных и функциональных признаков С^-растеций лежат различия в механизмах их проявления и регуляции в связи с адаптацией к условиям аридного стресса.

Практическая значимость работы. Группа стргуктурно-функциональ-ных признаков С4-растешш рассматривается как полезное для адаптации растения к условиям аридного стресса эволюционное приобретение ( ЬагсЬег , 1975). Поэтому, изучение внутривидовой корреляции, структурных и функциональных признаков С^растений имеет важное практическое значение. Действительно, разработка оптималь-

ной стратегии селекции высокопродуктивных п достаточно устойчивых к условиям аридного стросса линий хозяйственно генных C^-bi дов требуот знания степени внутривидовой корреляции и механизме регуляцш проявления структурных и фушсциоаалышх признаков С4-растешш. Данная работа была предпршшта по инициативе Всесоюзного научно-исследовательского института каракулеводства (Догог о научном сотрудничестве швду ВШ-СК ц ИуР All СССР от 15.04.07) Значительная часть работы выполнена па базе Карнабского селекца ошюго центра ВНИШ.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Всесоюз кой конференции по изучению, охране и рациональному использован природных ресурсов (Уфа, 1989), на 17 ыехедународном молодежном симпозиуме но физиологии и биохимии растений (Хольцхау, I9U9), на 1У Всесоюзной конференции молодых ученых по физиологии расти тельной кдож! (Ушек, I9S0), на У ыездународном молодежном сим позиуме по регуляции метаболизма растений (Варна, 1900) и на се манаре лаборатории экологии (¿ютооинтеза Ботанического института АН СССР (Ленинград, 1931).

Публикации. По теме диссертация опубликовано 5 тезисов и 2

статьи. '

г '. '

/ . - -

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит следущш разделы: введение, обзор литературы, цель и задачи исследования ттершлы и методы, четыре главы, в которые вошли результаты экспериментов, обсуждение результатов, заключение, выводи и ошюоз литературы (286 источников,.из них 244 зарубежных). Работа изложена на 188 страницах машинописного текста, включает 20 таблиц, 34 рисунка и 9 фотографий.

МАТЕРИАЛЫ И ШЗТОДО ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использовали завершившие рост листья кохии (Kochia pro-strata, к. acoparla L), культивируемой в естествешшх условиях Карнабского селекционного центра (Шамсутдинов, 1987) и кукурузы

( Zea mays i,. ) сорта "Воронежская", выращенной в климатической камере при 25°С и двух вариантах освещенности 4 и 15 тис.люкс. В пределах вида к. prostrata исследовали эдафлческие экотипы со свойства!,® гиперксерофига (v. villosissima ), эуксерофдта (v. canescens ) И псашоксерофита ( v. vireecens ),

Гипэрксерофит обитает на песчаных почвах (песчаный экотлп) и представляет собой опушенную, крупнолистную разновидность кохии. Эуксерофит - обитатель щебнистых участков с крупными листьями средней степени опушенносги (каменистый экогил). Псаммоксерофит -мелколистный, малоопушенный биотип кохии, приуроченный к глинистым, засоленным почвам (глинистый экотип).

Полевые исследования проводили с середины мая до середины июня в 1987, 1988 г.г.

Для подсчета объема клеток и хлоропластов, парциальных объемов клеток в ткани листа и структурных элементов хлоропласта по методике Силаевых (Силаева A.M., Силаев A.B., 1979) использова-

2

.та материал (кусочки ткани листа размером I мм , вырезанные из средней части листа), фиксированный 2,5/йшм раствором глюта-ральдегида с последующей дофиксацией в 1,0$-ном растворе чега-рехокисй осмия и заключенный в эпон 812 после предварительного обезвоживания в спирте и ацетоне по стандартной методике (Кагио-\вку , 1965)'. Срезы получали на ультрамикротоме " 1KB 8800" (фирма LKB, Швеция), контрастировали 1,0#-ным раствором уранил-ацетата и просматривали под электронным микроскопом " JE.1-I0QQ"

(фирма ¿ео1 , Япония). В таблицах представлены средние арифметические значения данных из двух биологических ловторностей и их стандартные ошибки статистической выборки обработанных срезов.

В опытах на интактных растениях стационарную интенсивность С02-газообмона при естествешюм освещении измеряли последовательно через каждые 20 минут света и принудительного затемнения в течение светового дня с помощью инфракрасного газоанализатора " Мга!^ - 4 " (фирма ^ипоа1ог , ГДР), включенного в двухка-нальную (контрольный и измерительный каналы) открытую систему с листовой иаморой-пршцепкой (объем листовой камеры - 3,5 см3, скорость продува - 0,5 л.шн-*). В ходе экспзршленга методом прямой конденсации измеряли количество испаренной листьями влаги и рассчитывали среднюю за период света и темноты соответственно трано-пирацшо в расчете на г сухого вещества листьев в течение светового дня. Для избежания случайных ошибок, ризванных дневными колебаниями условий микроклимата в листовой хедере, наблюдаемые показатели газообмена, тэмпература и освещенность были усреднены- аа весь световой день.

(^-газообмен отделенных листьев измеряли с помощью термоста-тируемои листовой камеры (Мокроносов, Добров, 1973) к включенной в замкнутую схему (Лонг, Холлгрен, 1989) с инфракрасным газоанализатором " 1пГга1у1 - 4 ". 5 качестве источника света использо вали МГЯ лампу ДРФ-ХООО. Экспозицию СОз в рейде "глоток" прово-.

дили в термостатируемой листовой камере в атмосфере 0,5$ С02 с

I

удельной активностью 110 мКи.л . Продукты фотосинтеза разделяли «а ионообменных смолах ( Сапу1п,- А1;1апв , 1971). Основную и кислую фракции фотосинтатов подвергали двумерной хроматографии в тонком слое селикагеля в системах бутанол; муравьиная кислота.: вода (6;1:1) и пропанол; изопропанол: аммиак (1:1:1) с последую-

щей авторадиографией. Фракцию аминокислот разделяли методом хроматографии в тонком слое сильной катионоэбменной смолы по методике фирш-производителя ТСХ пластин (Надьтонь, Венгрия).

РЕЗУЛЬТАТА И ОБСУЖДЕНИЕ.

I. Сравнительная характеристика морфологических показателей листьев трех экотдпов кохии

Листья лсаммоксерофита таг. vireacens короче, ужо, но толще, чем листья двух других разновидностей кохии. Для листьев этого биотипа можно отметить несколько увеличенную объемную долю сосудистой ткани от общего объема листа за счет уменьшения объемной доли слоя клеток обкладки. Изученные нами разновидности кохии значительно различаются мевду собой по степени опушенности: у гиперксерофита ( ver. rillоaissin а ) число волосков на единицу площади листа превосходит аналогичный показатель эуксерофи-та (к. var. caneecens ) в 3 раза, а псаммоксерэфига ( к. var. viresoens ) g 18 раз. При этом поверхностная плотность устьиц

для разных биотипов варьирует незначительно. Имеющиеся небольшие сравнительные особенности мезоструктуры листа разных экотипов кохии на тканевом уровне сводятся к повышенной поверхностной и объемной плотности расположения клеток обкладки у гиперксерофита и большей толщине их клеточной стенки. Подсчет числа клеток в поперечном сечении листа кохии позволяет установить, что в среднем по экотипам на каждую клетку обкладки приходится 8 клеток мезофилла. У всех биотипов кохии клетки обкладки примерно в 5 раз крупнее клеток мезофилла. Клеточная стенка мезофилла в 5+10 раз тоньше клеточной стенки обкладки. Хлоропластов в клетке обкладки в 2+3 раза больше, чем в клетке мезофилла, но относительный объем клетки, занимаемый хлоропластами мезофилла и об-

-ч-

кладки, варьирует незначительно. Несмотря на заметное различие средних размеров хлоропластов из разных тканей и экотйпов кохии, соотношение парциальных объемов структурных элементов хлоропластов из сходных тканей почти неизменно. >.

Ддя всех грех экотипов кохии обнаружена четкая тканеспецифич-ность хлоропластов. Так число тилакоидов в гране хлоропласта.обкладки в среднем в два раза меньше числа тилакоидов в гране хлоропласта мезофилла (таблица I). Парциальный объем праналышх тилакоидов хлоропластов обкладки в 2,4 раза меньше парциального . объема граналышх тилаковдов' в хлоропласте мезофилла. Парциальный объем пластоглобул в хлоропласте обкладки примерно втрое меньше парциального объема пластоглобул в хлоропласта мезофилла. В отличие от хлоропластов обкладки крахмальные глобулы в хлоро-пластах клеток мезофилла отсутствуют. Однако в отношении обнаруженной в результате статистической обработки гетерогенности популяции граналышх тилаковдов по длине, диморфизм хлоропластов не проявился. Поскольку парциальных объем пластоглобул характеризует индивидуальный возраст хлоропласта, то можно сделать вывод о принадлежности хлоропластов мезофилла к более ранним поколениям в раду кяеточнцх генераций по сравнению с хлорогоюстами ; обкладки. Наличие минорной популяции "длинных" (около 0,8 мкм) гран из 2+3 тилакоидов во воэх хлороцлаотах является еще одним свидетельством общности происхождения диморфных хлоропластов в листьях кохии. Описанные выше результаты отражают общую тенденцию 'сглаживания различий морфологических показателей лиота трех разновидностей кохии при переходе с тканевого на клеточный уровень организации, По такому ключевому структурному 04-признаку • как диморфизм хлоропластов на клеток обкладки и меаофилл^ между биотипами кох га различий нет. . '..■'. \

• -8- ' ■ : V- -

Габлица I. Параметры некоторых структурных элементов хлороплас-гов мезофилла и обкладки листьев трех экотипов кохии.

Экотипы кохии Среднее

» Параметры var. villo- var. ca- var. vi- ПО ЭКОТЙ-

siasima nescena re всепа пам

I Толщина граналь-

ного тилакоида n = 200 *

хлоропласта (нм)

а) мезофилла 14,6 ± 0,4 13,7 ± 0,3 14,4 ±0,3 14

б) обкладки- 11,3 ± 0,3 11,4 ± 0,3 12,0 + 0,3 12

2 Длина граналь-

ного тилакоида n = 500

хлоропласта (нм)

а) мезофилла 242 ± 8 258 ± 9 247 ± 10 250

б) обкладки 267 + 7 244 ± 7 241 ± 7 250

3 Среднее число** •

тилакоидов в

гране хлоропла-

ста

а) мезофилла 5,6 • 6,9 6,8 6

б) обкладки 3,0 3,0 2,8 3

4 Диаметр пласто-

глобул в хлоро- = 20 '

пласте (нм)

а) мезофилла 180 ± 10 180 ± 10 170 ± 5 177

б) обкладки 190 ± 5 280 ± 8 190 ± 6 220

* Указано число повторных измерений статистической выборки. х Среднее значение определяли в соответствии с весом плотности ероятности случайного появления некоторой граны \ ■" -

П. Вариации удельной скорости fi -карбокоилирования на свету в листьях трох экотипов ко хил

Поскольку объектом исследования в данной работе является С^-растешю, то скорость карбоксилирования на свету ( V ) 01 раиает активность фермента - фосфоелолшруваг карбоксилазы (КЗ 4.1.1.31). Известно, что у С^-растошЙ наблюдается почти полна роассишлящш СО^ (Вознесенский и др., 1981). В этом случае vc равна суше COg-газообмена и темпового декарбоксилирования (ТД на свету, т.к. вклад фотодыхания С^-растении в процесс декарбо ксшшровашш на своту незначителен ( de Veau, Burrie , 1989). Однако в данной работе ТД контролировали по выделению CQg в те ноте на 20-ю минуту после выключения света в экспериментах на интакгшх растениях и непосредственно после выключения света в экспериментах на отделенных побегах кохии. Поэтому требуется обосновать использование ТД в темнота в качество корректного приближения к величине ТД на свету. В дополнение к имеющимся в литературе данным t незначительном изменении скорости декарбою дарования при переходе свет - темнота в листьях С^-раегений ( Chapman, Oemond , 1974) возможность использования такого приближения была обоснована в результате прямых измерений мака мальных скоростей карбоксилировшпш в листьях кохии и кукурузы с использованием GOg ври высокой (0,5$) концентрации COg в листовой каыеро (таблица 2). Интересным результатом проделанных нами расчетов Vc является решение вопроса об .аномально высокое наблюдаемогд значении транспирационного коэффициента у к. var. ■ virescene (Воронин, 1989). Причина этого явления состоит в том, что на своту около 60% всего фиксированного в дикарбоновш кислотах С02 направляется в ТД. После внесения поправки к газообмену ..а величину ТД на свегу, значение транспирационного

аблица 2. Максимальные значения скорости карбоксилировашта и потенциального фотосинтеза (мг СС^. листьев

кукурузы и трех экотипов кохии.

Вид | Максимальные значегатя *

1 скорости карбокси-! лировацмя 1 - I потенциального ! фотосинтеза

еа пауе 50 (20; 50) ** 56 -(20; 50)

ос!11а prostгata

аг. у111ое1ве1та 23 (28; 60) 24 (20; 50)

аг. свпевсепв• 26 (30; 65) 343«

аг. у1гсЕоепе 31 (30; 57) 32 3005

Среднеквадратичное отклонение от среднего из не менее чем трехкратной биологической повторности не превышает 20$.

16 В скобках приведены средняя температура (°С) и освещенность (тыс.люкс) в течение опыта.-

Данные экспериментов Пьянкова с сотр. (1988) получены в сходных с нашими оштами природных условиях.

ээффициеята попадает в классическую для С^-растений область Ю-5-350 г Н20.г-1 сухой массы (Магомедов, 1988).'

Дня того, чтобы привести полученные нами для разных биотипов зхии данные по С02~газообмену к сопоставимому виду следует 19стъ обнаруженные б результате сравнительного изучения мезо-груктури листа, разлитая медцу экогипами по велишше прилистно-) сопротивления да'Музии С02 в лист, а также изменения устьич-)Го диффузионного сопротивлешм ог измерения до измерения. Так

-а-

как интенсивность транспирации, в условиях наших огшгов, однозначно характеризует степень лимитирования диффузии С0,_, в лист

(см. рис.1 и Vaadia_ , 1989), то порэсчст всех показателей

СС^-газообмсна в темноте и на свету к одному и тому же уровню

транспирации будет означать приведение их к одному и тому же ди

фузионному сопротивлению листа газообмену. Применение такой про

цедури унификации всех газометрических показателей к одному и т

-Т -I

му же уровню транспирации о г Н^О.г .ч позволяет заключить, что средние значения скоростей карбокешшрования для изоформ ко ХИЯ var. vireecens, var. caneccens, var. villosissiina расПОЛага ются последовательно в порядке возрастания.

Известно, что нарастание стрессового воздействия на растение в яредолах толерантности сопровождается увеличением скорости ТД (Имамалиев, 1989). Увеличение расхода фотосштезированного вещества в реакциях темпового декарбокешшровашш сникает нетто-

продуктишость фотосинтеза. В этой связи представляет значительный интерес исследование характера обратного воздействия ТД на Vc на свету. Если случай зависимости ТД в темноте от фотосинтеза изучен достаточно полно ( Ис Cree , 1970) и объясняется субстратным наполнением дыхательных пулов метаболитов в результате фотосинтеза, то случай, когда световые реакции фотосинтеза осуществляются в факторостатных условиях,'а'варьируемым параметром является ТД на свету, до сих пор мало изучен. Трудность реализации экспериментальной модели, в которой независимым параметром является ТД на свету, а регулируемым параметром является vc , в данном исследовании удалось преодолеть путем использования в качестве объекта исследования'трех различных экологических тило! (с различней амплитудой толерантности к условия,i аридного стресса) кохия. Действительно, исследование С02-газообмена листьев

-¿г-

X К. уаг. у111ое1<!еаши

ь К. уаг. сапессепо

О

.о

о К. тег. у1гезсеаз

0 2 4 6

8

10

Транспирация, г Н2О.Г" ,ч'

,-1

Рис.Х. Зависимость С02~гаэообмена на свету от интенсивности транспирадии листьев интактннх растений кохии.

трех разных экотипов в одинаковых и факторостатных для световых реакций фотосинтеза условиях произрастания позволяет получить обусловленный генотипическими различиями ряд значений ТД на свету при одинаковом для всех изоформ кохии уровне стрессового воздействия (почвенно-климагические условия произрастания). Соотношение между Ус и ТД на свету- в явном виде представлено на рис.2. Полученная зависимость нелинейна: участок пропорционального роста сменяется насыщающей областью значений Ус , Точки, соответствующие гиперксерофиту и эуксерофиту КосЫа ртовгхаЪа , компактно ложатся около одной кривой. Однако, точки, относящиеся • К псаммоксерофиту, выпадают из общего ряда. Как будет отмечено ниже, такое отклонение обусловлено сравнительно меньшей удельной .активностью ФЕП-карбоксилазы в листьях к. у&г. ^^гереепз-Характер нелийнейной взаимосвязи Ус и ТД на свету подтвердился .и в опытах на отделенных побегах кохии. Действительно, представ-

С\2 О О

24

20

16

6 8 10 ТД, мг С02-г"1-ч~1

12

14

Рис. 2 . Влияние темнового дыхания (ТД) на скорость карбоксюшро-вания IV ) на свету в листьях интактных растений кохии. Обозначения те ке, что на рис. I.

Данныетна графике соответствуют интенсивности транспирации 5 г Н20-г -ч .

р*

р

ог 8

0,04

0,2 0,4 0,6 0,8

1/ТД, мг-1 С02т-ч

Рис. 3. Зависимость скорости карбоксшшрования (V ) от темнового дыхания (ТД) на свету в листьях отделенных побегов трех экотипов кохии в двойных обратных координатах. Обозначения те ке, что на рис. I.

2

4

ленные на графиках зависимости vc от ТД в двойных обратных координатах, экспериментальные точки с высокой степенью точности ложатся на прямую линию (рис.3). Аппроксимация прямых к оси ординат позволяет оценить максимальные значетш v для трех изоформ кохш-1. Сравнение этих значений с измеренными in vitro максимальными активностями ФЕП карбоксилазы (табл.3) позволяет прояснить вопрос о наблюдаемых в экспериментах in vivo разл"чиях между максимальными карбоксилазными активностями трех разновидностей ■ кохии. D лордцке увеличения СЕП-карбоксилазной актшзности окоти-пы кох1Щ располагаются в очередности: var. vireucemj, var. са-noEoonc, var. villociEcima . Увеличение до определешю-

го предела скорости карбоксилирования при увеличении ТД, по-зи-димому, можно рассматривать как опосредуемый ТД мехашхзм компенсации .возросши. энергетических затрат в ответ на стрессовое воздействие .

Ш. Механизм рзгуляштц jh -кпрбоксилировшпгя на свету варьированием температуры в листьях С^-расгетгй

Обычно стимулирующее влияние роста температуры на скорость * карбоксилирования связывают с возрастанием константы реакции в соответствии с правилом Q10 (Larcher , 1975). В этом случае резкое увеличение температуры на Ю°С привело бы к монотонному возрастшшю как карбокснлазной активности, так и ТД примерно вдвое. Действительно, увеличение температуры с 10 до 30°С сопровождалось ростом ТД в соответствии с правилом q10 . Однако, изменение скорости карбоксилирования на свету при резком температурном переходе I2+23QC носило более сложный характер (рис.4). Следующая после повышения температуры в соответствии с правилом q10 фаза возрастания скорости карбоксилирования через 2 минуты сменялась фазой угнетения ФЕП-карбоксилазной активности. Посколь-

ш

о хэ

п

50

40

V 30

V

ч' 30

1 и

С\) 25

о

о 20

Ь

15

10

0 2 5 10

Время после смены тешературы, мин Рис. 4. Динамика скорости карбоксилирования (крестики) и отношения содержания тяжелого-14 изотопа углерода в аспартате к его содержанию в малате (А/1Л) (крржи) в листьях С4-растений после смены температуры в листовой камере от 12° до 23° С.

" ; во яГ

о о; 50 е*

о

О)

и . к о >=; 0) Н

Ф &

а

Ри

о 40

0

1 30 8 20

10 0

0 2 5 10

Время-после смена температур, мин Рис. 5, Динамика перераспределения метки (5 секундный "глоток"

14С02 при 12°С) в листьях кукурузы после резкой смены тешературы в листовой камере с 12° до 23°С. Процент метки в щелочной фракции обозначен кружками, в.кислой фракции - треугольниками, в нейтральной фракции - крестиками.

Таблица 3. Значения максимальной удельной активности ( v )

ФЕП-карбоксилазы из листьев вида icochia proatrata. х

Экотип кохии

vn , мг С02.г"1.ч~1

in vivo

in vitro

vb^, virescens таг. canescens

var. villosiBeima

33,2 (67) *** 37,9 (76) 49,6 (100)

23.4 (53) 30,3 (68)

44.5 (100)

X

Среднеквадратичное отклонение от среднего из не менее чем

трехкратной биологической повторносги не превышает 20%.

** Приводится с любезного разрешения А.Н.Кузьмина (Ш0С АН СССР).

5006 В скобках приведено относительное (%) значение ФЕП-карбо-ксилазной активности.

ку первичные продукты гетеротрофной фиксации С02 манат и аспар-тат являются конкурентными ингибиторами ФЕП-карбоксилазы (Huber, Edwards , 1975), то наблюдаемое ингибнрование ß -карбоксшш-рования доеле увеличения температуры, по-видимому, обусловлено

резким повышением концентрации дикарбоновых кислот вблизи центров карбоксилирования. Такой вывод следует как из динамики изменения соотношения окисленных и восстановленных продуктов гетеротрофной фиксации C0g на свету (рис.4), так и из результатов опытов по изучению динамики- продвижения метки фиксированной на холоду в листьях кукурузы после резкого увеличения температуры (рис.5). Действительно, увеличение доли окисленных первичных продуктов фотосинтеза в основном в форма аспартата свидетельст-

вует о лимитировании процесса оттока фотосинтатов через русло светового восстановления оксалоацетата до малата. Значительная лаг фаза во времени прохождения метки из пулов окисленных первичных продуктов £ -карбоксилирования при 12°С в листьях кукурузы после резкого увеличения температуры до 23°С, в свою очередь» свидетельствует о значительном возрастании концентрации немеченных продуктов фотосинтеза в первые минуты после температурного перехода.

Транспорт дикарбоновых кислот из клеток мезофилла в клетки обкладки является составной частью С^-механизма фотосинтеза (Эдварде, Уокер, 1986, стр.376). Характер относительного изменения толщины гранальных тилакоидов в хлоропласта* мезофилла и обкладки позволяет сделать вывод о повышенной фосфоглицерат киназной активности в хлоропластах мезофилла (табл.3) и является косвенным свидетельством зависимости транспорта дикарбоновых кислот от синтеза АТФ в клетке (Raghavendгa, Баз , 1978). Роль

ТД в окислительном фосформировании АТФ общеизвестна. В этой связи ТД выступает, с одной стороны, как донор АТФ для транспорта фотосинтатов из клеток мезофилла в клетки обкладки. С другой ■ ТД является мощным агтрагиругацим центром для промежуточных ж конечных продуктов фотосинтеза. Таким образом, с учетом вышесказанного можно заключить, что воздействие ТД на скорость карбоксилирования на свету носит характер ингибигорного контроля.

ЗАЩШШЕ

Несмотря на то, что к настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал по структурно-функциональной организации процесса ассимиляции СО2 в листьях С^-растений, вопрос о

корреляции структурах и Функциональных признаков С^-механнзма в связи с адаптацией к условиям аридного стресса изучен недостаточно полно. Вопрос о внутривидовой корреляции структурных и функциональных признаков рассмотрен нами па примере трех экологических типов одного вица кохии, произрастающих в точение длительного времени (5+6 лег) в одинаковых условиях и, потому, выровненных по фенотипу. Отметим, что задача выяснения соотношения фенотигшчеокой и генотипической составляющих у псслоцован-ннх струютурных и функциональных признаков в проведенной работе не рассматривалась, Анализ совокупности полученных наш результатов подводит к выводу об отсутствии жесткой корреляции (табл. 4) между основными структурными и функциональными признаками С^-растеяим на внутривидовом уровне. Однако, констатация самого р^акта отсутствия корреляции структурных и фушшдональних признаков С^-растения была бы мало содержательной без поилки выяснения причин отсутствия такой корреляция. Поэтому анализ наших результатов проведен с позиции оценки механизмов проявления основных структурных и функциональных признаков С4-растений.

Представленные в проведенной работе данные по сравнительному изучению диморфизма хлоропластов клеток мезофилла и обкладки для трех экотипов кохии подтвердили традиционную концепцию диморфизма хлоропластов в части общности их происхождения в листьях С^-растений. Однако, полученные в нашем ксследовашш данные по содержанию плаотоглобул в диморфных хлоропластах не поддаются-интерпретации в раьжах положения о редукции гранальных тияакои-дов в клетке обкладке в онтогенезе. Наблвдаемый диморфизм хлоропластов клеток мезофилла и обкладки,' по-видимому, обусловлен разницей их индивидуальных возрастов. Хлоропласт обкладки моложе хлоропластов мазофилла вследствие запаздывания момента вступления предшественников клеток обкладки в стадию дифференцагров-

Таблица 4. Коэффициенты внутривидовой корреляции между некоторыми структурными и функциональными признаками С^-растешй трех экотипов кохии.

Структурные признаки

Функциональные признаки

Удельная -: сшшзная

Т

А -карбок-! Транспиращюнш, активность|коэффициент

Диморфизм хлоропластов - 0,98

Отношение толщины клеточных

стенок обкладки и мезофилла 0,96

Расстояние между проводящими пучками - 0,51

Отношение объемных долей

тканей обкладки и мезофилла 0,94

0,20

- 0,14

- 0,11 - 0,31

Диморфизм хлоропластов трех экотипов кохии охарактеризован отношением среднего числа гран в хлороплаоте мезофилла к среднему числу гран в хлоропласте обкладки.

ки. Кроме того, относительно продолжительный рост клеток обкладк при тенденции к сохранению опии,ильного пласгвдно-плазменного соотношения, с одной стороны, стимулирует пролиферацию хлоропластов обкладки, а с другой стороны, в сочетания с падением содержания ДНК и белка в хлоропласте с течением времени (Гамалей, 1975) снижает способность более поздних поколений хлоропластов к синтезу тилакоидных мембран. Поскольку формирование структурннх С^-приэнаков обусловлено главным образом именно последовательностью событий морфогенеза и мало различается между экотипада кохии То ^ож-но , гл^о ¿^х^« ^и^с^аД

аассуСГл^и.^ .¿л. ° с-л ох ^ Ъли^ х

-20~

признаков к условиям аридного стресоа на разных уровнях организации (лист, ткань, клотка) монет сказываться лишь на тешах, но не на последовательности событий морфогенеза. Исследовашшп в данной работе механизм внутривидовой, адаптации ß -карбоксилировашш к условиям нарастания аридного стресса затрагивает лишь адекватный стрессовой нагрузке процесс регуляции углеродного баланса в листе vj^-растения и отношения к последовательности' собитш! морфогенеза листа не тлеет. Действительно, полученные в данном исследовании результаты лишь подтверждают сформулированный ¡»нее (Иокро-носов, 1983) принцип существования двух уровней регуляции фотосинтеза. Применительно ко внутривидовой адаптации G^-растенпй к уоловиям аридного стресса медленная регуляция проявляется в форме увеличения удельной ФШ-карбоксилазной активности, компенсирующей увелкчнние сопротивления прилиотного слоя диффузии СО2 Е лис,г (опушенность листа). Быстрая регуляция фотосинтеза осуществляется путем ингибиторного контроля '1'ЕП-карбоксилазшй активности со стороны ХД на свату, л представляет собой случай воздействия на про-цесо фотосинтеза в системе донорно-акцепгорных отношений. В качестве донора ассимилятов выступает реакция ß -карбоксилировашш, а в качестве аттрагирущего элемента - реакция ТД на свету.

В связи о вышеизложенным, эволюционное приобретение лабильного механизма ß -карбоксилировашш в цитоплазме клеток мезофилла листьев позволило С4-раотениям осуществлять быструю по оравненшо с базовым "кальвиновским" типом фотосинтеза адаптацию процесса ассимиляции двуокиси углерода к неблагоприятным воздействиям факторов окружающей ореды, , ' »

вшода • - .'

I, Ультраструктурные параметры хлороплаотов оходных тканей листьев Трех' экотшюв Kochia proatrata L. (К, var. virescens, К. Vax. canescens, К. var. villosleeiraa) идентичны.

~2i-

2. Парциальный объем пластоглобул в хлоропласте обкладки примерно втроо меньше парциального объема пластоглобул в хлоропласте мезофилла. Поскольку парциальный объем пластоглобул характер] зует шщ:шидуалышй возраст хлоропласта, то могло сделать вывод о принадле.-шости хлоропластов мезоТлила к более ранним поколениям в ряду клеточных генераций по сравнению с хлоропластами обкяг дки листа, завершившего рост.

3. Наличие шиорнон популяции "длинных" (около 0,8 мил) гран из 2+3 тилакоидов в хлоропластах как мезофилла, так и обкладки является свидетельством общности происхождения диморфных хлоро-пластов в .листьях кохии.

Л. Увеличение ФШ-карбоксхшазной активности в расчете на еди-шщу веса листа отчасти компенсирует увеличение прллистного сопротивления диффузии С02 в лист (опушенность лиота) в ряду возрастания степени адаптации экологических типов С^-вида к условиям аридного стресса.

5. Увеличенный расход фотосинтатов в результате увеличения интенсивности темпового дыхания при нарастании аридного стресса в определенных пределах может компенсироваться увеличением р -карбоксилазной активности по механизгду ингибиторного контроля С^-кислот над ФЕП-карбоксилазой.

6. Отсутствие внутривидовой корреляции структурных и функциональных признаков С^-растений в связи с адаптацией к условиям -аридного стресса обусловлено особенностями формирования структурных и функциональных С^-признаков.

СПИСОК РАБОТ, ОПгаЖОВАПШХ ПО ТЕМЕ ДОЗЕРТЩШ

I. Воронин П.Ю. "Суточный балапо сухой массы листа КосЫа ргое1гпга"/Д^зучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов: Тезисы научной конференцииДфа - Уфа, 1989, ч.2, с.16.

-г г-

2. Voronin P.Y., Manjulin A.V. "Leading factor of intorecoty-ieo variability Kochia prostrata L. water use officioncy"//IV 5ymp. Youni; Sci. Physiol. Biochcm. Plant: Abctractc/Holzhau [DDK) - Berlin. 1989. P.43.

3. Воронин И.Ю, "Низкое значение транснирационного коэ.Тйлад-шта не является необходимом признаком С4-растешш"//Паучн. тр. 1оск. лесотехн. института. 1989. Выл.211. С.38-12.

4. Воронин П.Ю. "Влияние темнового дыхания на скорость карбо-?. соилирования на свету в листьях кохии носит характер пнгпбитср-[ого контроля"//Тезисы докладов 1У Всесоюзной кон^ервпгщ: молода ученых по физиологии растительной клетки/;,1шск - ItOG. 1.32.

' 5. Воронин П.Ю., Манжулин А.В. "Полиморфизм хлоропластов и ¡корость углеводного обмена в листьях кохии"//Тезисы докладов ХУ 1оесоюзной конференции молодых ученых ао физиологии растительной слетки/Минок - М. 1990. С.33.

6. Voxonin Р.У. "Nonlinear junction between РЕРС activity and dark respiration on the light in Kochia prostrata (L.) Sohrad. leavee"//V International youth symposium on plant netaboliem regulation! Abstraota/Varna (Bulgaria) - Sofia. 1990. P.16.

7, Voronln P.Y. "Nonlinear 3unotion between PEPC activity and dark respiration on the light in Kochia prostrata (1,) Sohrad, leaveS"//Proo. V Int, Youth Symp./Varna (Bulgaria) -Sofia. 1991. P.80-87. . .