ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 3, с. 332-339
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ © 2015 г. Т. В. Нестеренко, В. Н. Шихов, А. А. Тихомиров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биофизики Сибирского отделения РАН, Красноярск Поступила в редакцию 18.06.2014 г.
На примере листьев 2-16-дневных растений пшеницы (Triticum sativus L.) изучали возрастную зависимость основных характеристик индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ) и влияние на флуоресценцию световых условий при проведении измерений. Растения выращивали в вегетационной камере в контролируемых условиях светокультуры методом гидропоники на керамзите при облучении световым потоком плотностью 690 мкмоль/(м2 с) фотосинтетически активной радиации (ФАР). Параметры ИФХ регистрировали при интенсивности действующего света (ДС) 380, 580, 820 и 1340 мкмоль/(м2 с) ФАР. Для измерений использовали пятый от основания стебля равномерно освещенный лист. Возраст растений при появлении 5-го листа составлял 16 суток. Определяли максимальный фотохимический квантовый выход ФС II (Fv/Fm), эффективный фотохимический квантовый выход ФС II (Yield), показатели фотохимического (qP) и нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла (qN и NPQ), отношение FJFt и "индекс жизнеспособности" (Rfd). При невысокой интенсивности ДС, применяемой в РАМ-флуориметрах (примерно 380 мкмоль/(м2 с)), наблюдали возрастные изменения NPQ, отношения Fp/Ft и Rfd. Анализ относительных изменений величин характеристик ИФХ разновозрастных листьев пшеницы при увеличении интенсивности ДС от 380 до 820 мкмоль/(м2 с) ФАР показал, что наиболее чувствительными к возрастному состоянию листьев являются "индекс жизнеспособности" (Rfd) и показатели нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла ФС II (NPQ, qN). Эти показатели могут быть использованы как тесты для экспресс-определения возраста листа.
Ключевые слова: Triticum sativus - параметры флуоресценции хлорофилла - интенсивность действующего света - онтогенез листа
DOI: 10.7868/S0015330315020141
ВВЕДЕНИЕ
Для оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата (ФСА) растений и его устойчивости к стрессовым воздействиям в на-
Сокращения: ДС - действующий свет; ИФХ - индукция флуоресценции хлорофилла; ФСА - фотосинтетический аппарат; F0, Fm, - фоновый и максимальный уровни флуоресценции хлорофилла после темновой адаптации; FQ, F'm, Ft - фоновый, максимальный и стационарный уровни флуоресценции хлорофилла в состоянии, адаптированном к свету, соответственно; Fp - интенсивность флуоресценции в максимуме кривой ИФХ, регистрируемой после темновой адаптации листьев растений при освещении их действующим светом; Fv/Fm - отношение переменной флуоресценции Fv, равной Fm - F0, к максимальной (Fm) представляет собой максимальный фотохимический квантовый выход ФС II; Yield = (Fm - Ft)/F'm - эффективный фотохимический квантовый выход или доля световой энергии, используемая комплексами ФС II на транспорт электронов; Rfd - "индекс жизнеспособности"; qP - коэффициент фотохимического тушения флуоресценции ФС II; qN - коэффициент нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла; NPQ - нефотохимическое тушение флуоресценции ФС II. Адрес для корреспонденции: Нестеренко Татьяна Владимировна. 660036 Красноярск, Академгородок, 50/50. Институт биофизики СО РАН. Электронная почта: tv-nesterenko@mail.ru
стоящее время широко используют метод индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ) с применением импульсно-модулированных флуоримет-ров (РАМ-флуориметров) [1, 2]. На основании нескольких измеряемых флуоресцентных параметров (F0, Fm, Fp, FQ, F'm, Ft) можно рассчитать эффективный фотохимический квантовый выход ФС II (Yield), показатели фото- (qP) и нефотохимического тушения флуоресценции ФС II (NPQ, qN), максимальный фотохимический квантовый выход ФС II (Fv/Fm), "индекс жизнеспособности" (Rfd) и другие характеристики ФСА листьев растений [1-3]. Известно, что значения этих характеристик изменяются не только при действии на растения стрессовых факторов [3-6], но и при естественном старении листьев растений [5, 7-12]. Возрастная зависимость значений показателей флуоресценции хлорофилла - известный факт. Однако степень этой зависимости для разных характеристик мало изучена, и часто исследователи ограничиваются сравнением значений флуоресцентных характеристик зрелых и старых листьев с
приблизительной оценкой возраста листьев растений [7-11, 13]. В наших предыдущих работах анализ данных показал, что если значения отношения Д/Дт, характеризующего максимальную квантовую эффективность фотохимических процессов в ФС II, мало изменяются в широком возрастном диапазоне для растений в нормальных условиях роста (порядка 8%) [12, 14], то для отношения Д/Д (Др, Д - интенсивность флуоресценции в максимуме Р и стационарный уровень флуоресценции соответственно [1]) возрастные изменения составляют не менее 40% [14]. При этом существуют условия измерения, которые усиливают или ослабляют эту зависимость [7, 12, 14].
В настоящее время в большинстве работ по физиологии и экологии растений с применением ИФХ используют чаще всего зрелые листья. Как правило, применяют календарный способ оценки возраста исследуемых листьев по количеству суток с момента их появления [7, 15]. Приблизительным ориентиром является максимальная площадь листа [8, 11]. В работе [16] был сделан вывод о зависимости точности и однозначности интерпретации интегрального показателя ИФХ (отношения Д/Д) для оценки состояния фотосинтетического аппарата (ФСА) от выбора периода онтогенеза листьев сравниваемых между собой растений. Из-за сложности процесса онтогенеза и отсутствия общей концепции старения листа в настоящее время отсутствуют надежные критерии перехода зрелого листа к стадии старения [15, 17, 18]. Предполагается необходимость изучения минимального комплекса физиологических, биохимических и биофизических признаков при описании возрастного состояния листа [8, 15-18].
Известно, что для показателя Др/Д наблюдаются характерные изменения и наличие стационарного состояния определенной продолжительности, по времени совпадающей с периодом активного функционирования листа [7, 19]. Однако простой контроль за значением отношения Д/Д еще не дает однозначной оценки возрастного состояния листа на стадии зрелости и начала старения из-за колебаний этого значения, связанных с метаболизмом и развитием растения в целом [20]. В результате проведенных нами исследований на растениях редиса и пшеницы было показано существенное влияние процессов листового старения на световую зависимость показателя Д/Д. При старении листьев наблюдались изменения как количественных характеристик световых кривых Д/Д, так и изменения их характера [12, 14].
Поскольку литературные данные о возрастной зависимости характеристик ИФХ, как правило, получены при одном уровне интенсивности действующего света [7-9], а также часто только для молодых и старых листьев [10, 11, 13], целью ра-
боты было более детальное изучение возрастной зависимости основных характеристик ИФХ и влияние на их значения интенсивности действующего света (ДС). Исследование в этом направлении имеет важное значение для более точного определения возрастного состояния листьев растений и оценки их устойчивости к воздействию различных факторов среды в зависимости от возраста листьев.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследование проводили на растениях пшеницы Triticum sativus L. линии 232 селекции Лисовского [21], выращенных в вегетационной камере в контролируемых условиях светокультуры методом гидропоники на керамзите при облучении их световым потоком плотностью 690 мкмоль/(м2 с) ФАР [21]. Температуру воздуха круглосуточно автоматически поддерживали на уровне 24 ± 1°С. Относительная влажность воздуха составляла 65— 75%. Для измерений ИФХ использовали равномерно освещенные листья верхнего яруса растений (5-е от основания; нумерация по последовательности их появления) в возрасте листа от 2 до 16 суток. Возраст растений на начало измерений составлял 16 суток. Пять возрастных точек соответствовали разным стадиям онтогенеза листа [15, с. 117]: 1-3-я точки относились к стадиям онтогенеза, при которых площади листа были 20; 50 и 80% от максимальной (2; 5 и 9 суток соответственно); 4-я точка - времени окончания роста листа (12 суток), и 5-я точка соответствовала возрасту листа 16 суток. Измерения проводили на средней части нативной, не отделенной от растения листовой пластинки.
Параметры ИФХ регистрировали с помощью флуориметра РАМ-2100 ("Heinz, Walz", Германия) при интенсивностях ДС 380, 580, 820 и 1340 мкмоль фотонов/(м2 с) ФАР. Предварительная темновая адаптация листьев растений перед регистрацией флуоресценции составляла 30 мин. Для каждого светового варианта измерения проводили в 4 повторностях. Протокол измерений параметров ИФХ описан в работах [2, 22]. Определяли максимальный фотохимический квантовый выход ФС II (Д/Дп = (Fm — Д)/Дп) и при постоянном освещении эффективный фотохимический квантовый выход ФС II (Yield = АД/ Fm =
= (F^ - Ft)/F^) [2]. По значению Yield можно приблизительно оценить общий квантовый выход фотосинтеза.
Для определения уровня тепловой диссипации энергии возбуждения использовали показатели нефотохимического тушения флуоресценции qN и NPQ. Для оценки степени тушения вариабельной флуоресценции хлорофилла рассчитывали
0.82
Э 0.81 В
о
^0.80
0.79
5 10 15
Возраст листа, сутки
20
Рис. 1. Возрастная зависимость максимального фотохимического квантового выхода ФС II (Д/Дт) в пятом листе ТгШеит 8ййл>ж (нумерация снизу). Бары на графике — средние арифметические значения ± стандартная ошибка, п = 16.
4.0
3.5
.3.0 д.
2.5
£
о 2.0
г &
Ь-Н
1.5
1.0 0.5
0
4 6 8 10 12 14 Возраст листа, сутки
16 18
Рис. 2. Влияние интенсивности действующего света на возрастную зависимость отношения Д/Д в пятом листе ТгШеит 8ййл>ж.
Цифры обозначают интенсивности действующего света: 1 - 380, 2 - 580, 3 - 820, 4- 1340 мкмоль/(м2 с). Бары на графиках — средние арифметические значения ± ст
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.