ЖУРНАЛ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ, 2007, том 68, № 6, с. 444-458
УДК 581.1:581.5:577.3
ИНДУКЦИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К НЕБЛАГОПРИЯТНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
© 2007 г. Т. В. Нестеренко, Ä. Ä. Тихомиров, В. Н. Шихов
Институт биофизики Сибирского отделения Российской Академии наук 660036 г. Красноярск, Академгородок e-mail: ubflab@ibp.ru Поступила в редакцию 16.08.2006 г.
В обзоре рассмотрено применение метода индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ) для оценки разных видов устойчивости растений (первичной, общей, исходной, адаптационной) к неблагоприятным воздействиям. Обоснована необходимость онтогенетического подхода (учета возрастного состояния фотосинтетического аппарата) для определения общей и адаптационной устойчивости растений к длительным стрессовым воздействиям методом ИФХ. На примере растений Cucumis sa-tivus L. в условиях светокультуры показана возможность использования возрастных качественных и количественных закономерностей ИФХ листьев (изменения формы индукционных кривых флуоресценции хлорофилла и динамики параметров ИФХ в течение онтогенеза листа) для сравнительного изучения различий между полностью активными и подвергнутыми стрессовым воздействиям растениями. Предложены возможные критерии оценки действия неблагоприятных внешних факторов по наличию или отсутствию стационарного периода в динамике параметров ИФХ в онтогенезе листьев. В качестве количественных оценок устойчивости растений при продолжительных неблагоприятных воздействиях предложено использовать длительность стабильного периода после окончания роста листа (оцениваемую по динамике параметров медленной фазы ИФХ - отношения интенсивности флуоресценции в пике P к стационарному уровню флуоресценции Fp/Fs или индекса жизнеспособности RM), а также вариабельность параметров ИФХ в этот период.
В экологической системе контроля состояния окружающей среды оценка состояния фитоцено-зов занимает особо важное место в силу высокой чувствительности растений к изменениям окружающей среды. Центральным методологическим вопросом экологической системы контроля фитоце-нозов является проблема определения физиологического состояния растений по шкале "норма -патология". Все стрессовые факторы, действующие на какую-либо часть растения, в конечном итоге прямо или косвенно влияют на фотосинтез. Поэтому одним из наиболее важных функциональных показателей состояния растений является активность их фотосинтетического аппарата (ФСА) на уровне листа (Мокроносов, 1981). Значение этого показателя обусловлено как важностью процесса фотосинтеза в жизни растения, так и высокой чувствительностью ФСА к повреждающим воздействиям антропогенного и абиогенного характера (Веселовский, Веселова, 1990; Lichtenthaler, 1992; Корнеев, 2002). Общепринятые (газометрические) методы измерения фотосинтеза не являются оперативными, что затрудняет экологический мониторинг, анализ и прогноз состояния растений. Другая сторона проблемы - регистрация перехода от обратимых изменений в структуре и функции ФСА растений к необратимым нарушениям при длитель-
ных стрессовых воздействиях - также не решается классическими физиологическими методами (Булгаков, 2002).
Первичной мишенью стрессовых воздействий являются клеточные мембраны (Жолкевич, 1968; Тарчевский и др., 1975; Веселовский, Веселова, 1990; Семихатова, 1990; Пахомова, 1995). Поэтому большинство косвенных методов оценки устойчивости растений к стрессовым факторам основаны на оценке либо состояния мембранных систем клеточных органелл, плазмалеммы, хлоропластов, митохондрий под влиянием стрессовых воздействий внешней среды, либо метаболических последствий изменения состояния мембранных систем (Удовенко, 1979, 1988; Шабала, Войнов, 1994; Пахомова, 1995). Любой ответ растения на стресс начинается с физико-химических реакций и только потом, при условии достаточной напряженности или длительности фактора, наступают изменения в метаболизме, регистрируемые физиологическими методами. Следует отметить, что при малой напряженности фактора вслед за физико-химическими реакциями может и не последовать биохимических реакций. Это обстоятельство позволяет поставить на особое место биофизические методы, основанные на регистрации первичных физико-химических изменений в клеточных структу-
рах, происходящих иод действием стрессоров. К числу таких методов относится индукция флуоресценции хлорофилла (ИФХ), которая представляет собой немонотонное изменение уровня флуоресценции хлорофилла в фотосинтезирующих тканях растений при освещении их достаточно интенсивным для фотосинтеза светом после некоторого периода темновой адаптации растений (рис. 1). ИФХ считается удобным инструментом для определения индукции стресса и вызванных им изменений, а также регенерации ФСА растений при удалении стресс-фактора. В противоположность другим эко-физиологическим методам, например газометрическим, преимущество метода ИФХ в быстроте, высокой чувствительности и интактности. Метод ИФХ хорошо адаптирован для исследований на уровне отдельных хлоропластов и листьев растений (Веселовский, Веселова, 1990; Lichtenthaler, 1992; Корнеев, 2002). Однако в качестве объекта исследования во многих случаях должны выступать не отдельные листья или целые растения, а сообщества растений (Шихов и др., 2003), поскольку реальный урожай формируется только в условиях фитоценоза (Тихомиров и др., 1991; Тихомиров, Лисовский, 2001). При этом возникает необходимость адекватного переноса данных, полученных с помощью флуоресцентных методов на отдельных листьях или их участках, на ценотический уровень (Тихомиров, Лисовский, 2001; Шихов и др., 2003). Поскольку на уровне ценоза растений целесообразно использовать наиболее интегральные характеристики процессов фотосинтеза (скорость, эффективность) и роста растений, то среди множества флуоресцентных параметров, связанных со структурно-функциональными показателями ФСА листа, необходимо выбрать такие, которые удовлетворяют требованиям неспецифичности отклика на воздействия, минимизации затрат на измерение, надежности результатов и одному из главных требований - возможности однозначной физиологической интерпретации на основе данных параметров (Булгаков, 2002; Тихомиров, Лисовский, 2001).
Взаимосвязь между ИФХ и фотосинтетической активностью, впервые исследованная и описанная Каутским (Lichtenthaler, 1992), успешно используется для изучения потенциальной фотосинтетической активности листьев растений (теоретические обзоры и исследования механизмов фотосинтеза: Карапетян, Бухов, 1986; Веселовский, Веселова, 1990; Lichtenthaler, 1992; Гаевский, Моргун, 1993; Корнеев, 2002; Popovic et al., 2003). Метод ИФХ позволяет проводить непрерывный мониторинг активности фотосинтетического аппарата (ФСА) растений на разных уровнях его организации (Smillie, Heterington, 1983; Карапетян, Бухов, 1986; Lichtenthaler, Rinderle, 1988; Lichtenthaler, 1992; Веселовский, Веселова, 1990; Buschmann et al., 2000).
Современные данные свидетельствуют о том, что действие на растения как естественных, так и
Флуоресценция (F), отн. ед.
Рис. 1. Типичная кривая индукции флуоресценции хлорофилла и ее основные параметры. OIDP - быстрая фаза ИФХ, PSM1M2T - медленная фаза ИФХ; F0, Fm -соответственно минимальный и максимальный уровни флуоресценции хлорофилла в состоянии темновой адаптации; Fp - уровень флуоресценции хлорофилла в максимуме Р; Fml, Fm2 - уровни флуоресценции хлорофилла в пиках М1 и М2 соответственно; Fs - стационарный уровень флуоресценции хлорофилла на стадии Т; Fv - максимальная вариабельная флуоресценция в быстрой фазе индукции флуоресценции хлорофилла, Fd - максимальная вариабельная флуоресценция в медленной фазе ИФХ (обозначения даны по: Kooten, van, Snel, 1990).
антропогенных стрессоров разной природы в подавляющем большинстве случаев сопряжено с первичным влиянием на состояние реакционного центра фотосистемы 2 (ФС 2), которое и определяет уровень флуоресценции в индукционный период (Карапетян, Бухов, 1986; Lichtenthaler, 1992). Результаты последних лет доказывают, что устойчивость и реакции репарации зеленой клетки зависят главным образом от повреждения участка электронно-транспортной цепи, также связанного с ФС 2 (Lichtenthaler, Rinderle, 1988; Сааков, 2000). Несмотря на то что уровень флуоресценции хлорофилла определяется редокс-состоянием первичного акцептора ФС 2 (Карапетян, Бухов, 1986), основную роль в регуляции активности ФС 2 играет редокс-состояние пластохинонового пула (PQ) (Веселовский, Веселова, 1990; Сааков, 2000). В свою очередь редокс-потенциал PQ определяется соотношением скоростей реакций фотосинтеза, темново-го и светового дыхания и других метаболических процессов в растительной клетке (Семихатова, 1992). Это дает основание предполагать возможность регистрации с помощью ИФХ интегральных характеристик энергообмена растения на уровне листа при определенных условиях регистрации индукционной кривой и выбора соответствующих флуоресцентных параметров.
В настоящее время метод ИФХ активно используют в экологическом мониторинге фитоце-нозов (Lichtenthaler, 1990; Астафурова и др., 2001; Корнеев, 2002; Яковлева и др., 2005), а также в физиологии стресса растений при определении исходной или первичной устойчивости фотосинтетической активности растений (Smillie, Heterington,
1983; Lichtenthaler, Rinderle, 1988). Однако на последовательных этапах анализа данных экологического мониторинга (в оценке состояния растений по шкале "норма - патология", в экологической диагностике неблагоприятных факторов среды и определении границ толерантности растений к данным факторам) ИФХ используют еще недостаточно, несмотря на ее большие потенциальные возможности (Lichtenthaler, Rinderle, 1988; Schindler, Lichtenthaler, 1996). Кроме того, на сегодняшний день существует мнение, что индукция флуоресценции хлорофилла наиболее полезна в определении или индикации начала стрессового процесса и оценке исходной или первичной устойчивости растений и менее полезна при хронических или длительных изменениях состояния ФСА (Lichtenthaler, Rinderle, 1988), т.е. для оценки общей и адаптационн
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.