научная статья по теме ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ Биология

Текст научной статьи на тему «ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛИСТЬЕВ ПШЕНИЦЫ»

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.

Показать целиком