ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2014, том 61, № 1, с. 143-147
КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ
УДК 581.1
ИЗМЕНЕНИЕ ФОТОСИНТЕЗА В РЕЗУЛЬТАТЕ АДАПТАЦИИ ПРОРОСТКОВ КУКУРУЗЫ К КРАТКОВРЕМЕННОЙ ЗАСУХЕ
© 2014 г. П. Ю. Воронин, З. Ф. Рахманкулова, С. Н. Маевская, М. К. Николаева, Е. В. Шуйская
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва Поступила в редакцию 26.03.2013 г.
Отделенный лист находится в состоянии усиливающегося водного дефицита и представляет экспериментальную модель, позволяющую выявить закаливающее действие адаптации 8-дневных проростков кукурузы (Zea mays L.) к кратковременной (5 суток без полива) засухе. Исследовали световую стадию фотосинтеза и фотосинтетический СО2/Н2О-газообмен отделенных листьев. Определяли удельную поверхностную плотность листовой ткани (УППЛ), содержание хлорофиллов a и b, пролина, малонового диальдегида (МДА), а также фотосинтетические параметры: квантовый выход флуоресценции ФС II, ассимиляцию СО2 и транспирацию при комнатной температуре и насыщающем фотосинтез свету (плотность потока квантов ФАР 2000 мкмоль/(м2 с)) при атмосферной и пониженной до 50% от атмосферной концентрации СО2. Листья проростков, подвергнутых кратковременной засухе, отличались от контрольного варианта большей УППЛ и более высоким содержанием пролина. Был выявлен закаливающий эффект действия стрессора на темновую стадию фотосинтеза, проявляющийся в поддержании увеличенной против контроля фотосинтетической ассимиляции СО2 за счет повышенной устьичной проводимости для СО2, диффундирующей в лист. Судя по отсутствию различий между вариантами в содержании МДА в листьях, кратковременная засуха не повреждала фотосинтетические мембраны. Напротив, в отделенном листе опытных проростков кукурузы поддерживался фотосинтез на более высоком по сравнению с контролем уровне.
Ключевые слова: Zea mays — проростки — адаптация фотосинтеза к почвенной засухе — СО2-газообмен — транспирация — квантовый выход флуоресценции ФС II
DOI: 10.7868/S0015330314010175
ВВЕДЕНИЕ
Предметом большого числа исследований является устойчивость фотосинтетического аппарата к водному дефициту. Действительно, особенность фотосинтетического газообмена высших сосудистых растений заключается в тесном сопряжении процессов ассимиляции атмосферной СО2 и расходовании Н2О на транспирацию. Кукуруза, растение с С4-типом фотосинтеза, является третьей по важности зерновой культурой после пшеницы и риса и играет значительную роль в решении проблем глобальной продовольственной безопасности [1]. Основными факторами, лимитирующими урожайность кукурузы, являются
Сокращения: ТБК - тиобарбитуровая кислота; УППЛ — удельная поверхностная плотность листьев; Хл — хлорофилл.
Адрес для корреспонденции: Воронин Павел Юрьевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Электронная почта: pavel@ippras.ru
абиотические стрессы, в том числе водный дефицит [2].
Полагают, что преимущество растений с С4-типом фотосинтеза при адаптации к водному дефициту основано на более эффективном квантовом выходе фотосинтеза (отношении числа поглощенных молекул С02 к числу затраченных для этого квантов света) и экономном расходовании воды на транспирацию [3]. Однако имеются данные, что так же, как и у С3-, у С4-растений в условиях засухи именно устьичная регуляция углекис-лотного фотосинтетического газообмена является лимитирующим звеном [4]. Таким образом, в вопросе о механизме адаптации фотосинтеза у С4-растений к засухе остается много неясного.
Ранее было показано, что отделение листа от побега у древесных и травянистых растений представляет собой стрессовое воздействие усиления водного дефицита в ткани листа на фотосинтез [5]. В первые 5-10 мин фотосинтетический газообмен у таких листьев изменяется незначительно.
144
ВОРОНИН и др.
Через 10-15 мин у некоторых видов растений отмечали даже временное возрастание устьичной проводимости. Однако уже через 15-20 мин у всех обследованных нами видов растений был отмечен видоспецифический процесс снижения проводимости листа. В сравнительных исследованиях специфичность проявления данного эффекта открывает возможность экспериментально оценить закаливающее воздействие кратковременной засухи на фотосинтез.
Цель настоящей работы состояла в идентификации той стадии фотосинтеза, которая у проростков кукурузы ответственна за проявление их адаптации к засухе. Поэтому в задачу входило сравнительное изучение у контрольных и подвергнутых кратковременной засухе 8-дневных проростков кукурузы функционального состояния световой и темновой стадий фотосинтеза отделенного листа in situ на фоне усиливающегося водного дефицита.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал и условия выращивания.
В опыт брали проростки кукурузы (Zea mays L.) сорта Тройная сладость. Растения выращивали в камере фитотрона в 5-литровых сосудах на смеси песка и дерново-подзолистой почвы (соотношение 2 : 1) под люминесцентными лампами при плотности потоков квантов ФАР 200 мкмоль/(м2 с), 16-часовом фотопериоде и температуре 25/20°С (день/ночь). Содержание воды в почвенном субстрате определяли весовым способом. Засуху создавали путем прекращения полива на 8-й день после появления всходов и выдерживали в этих условиях 5 суток. За это время влажность почвы в опытном варианте снизилась до 28%. Контрольные растения поливали ежедневно, поддерживая влажность почвы на уровне 60% от полной влагоемкости. Пробы для анализов брали из средней части растущего третьего листа.
Удельную поверхностную плотность листа (УППЛ) определяли как отношение площади листа к его сухой массе и выражали в г/дм2 [6].
Определение фотосинтетического СО2/Н2О-га-зообмена. Для определения фотосинтетического СО2/Н2О-газообмена фрагмент листа помещали в термостатируемую при комнатной температуре листовую камеру, описанную ранее Пярником с соавт. [7], и освещали оптоволоконным световодом от осветителя (KL 1500 LCD, "Shott", Германия) с галогеновой лампой (150 Вт, "Philips", Нидерланды); плотность потока квантов ФАР в поле объекта — 2000 мкмоль/(м2 с). Стационарный СО2/Н2О-газообмен листа измеряли с помощью одноканального ИК-газоанализатора (LI-820, "LiCor", США) в открытой схеме [8, с. 48]. Транс-пирацию листа традиционно рассчитывают по
разности влажности газа на входе и выходе из листовой камеры [8, с. 57]. В описываемой здесь установке в опорном газовом потоке на входе в листовую камеру поддерживали известную постоянную влажность с помощью увлажнителя LI-610 ("LiCor"). Для определения влажности на выходе из листовой камеры использовали психрометрический датчик HMP50 ("Vaisala INTERCAP", Финляндия). В качестве питающего газа использовали атмосферный воздух, предварительно собранный в 30-литровом полиэтиленовом газгольдере. Расход газа со скоростью 100 мл/мин обеспечивал непрерывную работу установки в течение 8 ч. Смесительный узел газового тракта позволял при необходимости снижать до заданной величины концентрацию СО2 в воздушном потоке на входе перед листовой камерой.
Определение квантового выхода флуоресценции ФС II адаптированного к темноте фрагмента листа осуществляли с помощью флуориметра PAM 101 ("Walz", Германия) в соответствии с рекомендациями фирмы-изготовителя [9]. Измеряемым показателем PAM-флуориметра был AF/Fm -квантовый выход флуоресценции ФС II. Расчет показателей флуоресценции с досветкой образца слабым модулированным потоком красного света по ходу измерений осуществляли аналого-цифровым преобразователем PDA-100 ("Walz"), передающим первичный сигнал от флуориметра на персональный компьютер со специализированным программным обеспечением, по формуле [9]:
AF/Fm = (Fm - Fc)/Fm.
При расчетах учитывали фоновое значение переменной флуоресценции (F0) и значение максимального выхода флуоресценции (Fm).
Процедура измерений СО2/Н2О-газообмена и квантового выхода флуоресценции ФС II состояла из ряда последовательных этапов. Перед началом опыта газгольдер наполняли атмосферным воздухом (опорный газ). Затем газовый тракт продували опорным газом в течение 15 мин, измеряли в нем стационарную концентрацию СО2 и задаваемую увлажнителем относительную влажность в листовой камере. После этого фрагмент листа, выдержанный минимум 30 мин после срезания при нормальных условиях, помещали в листовую камеру и адаптировали в темноте в течение 510 мин. Следующие 15 мин измеряли квантовый выход флуоресценции ФС II. Затем пробу освещали насыщающим световым потоком и включали непрерывную регистрацию текущего значения СО2 на выходе из листовой камеры.
Для определения стационарного СО2-газооб-мена по ходу опыта визуально отслеживали достижение момента стабилизации концентрации СО2 на выходе из листовой камеры. Измеренное таким образом отклонение концентрации СО2 на
Таблица 1. Влияние 5-дневной засухи на содержание пролина, МДА, хлорофиллов а и Ь, их соотношение и удельную поверхностную плотность листьев проростков кукурузы
Вариант Содержание пролина, мг/г сухой массы Содержание МДА, нмоль/г сухой массы Содержание Хл (a + b), мг/г сырой массы Отношение Хл a/b УППЛ, г/дм2
Контроль Засуха 0.23 ± 0.01 0.37 ± 0.02 57.5 ± 4.6 60.0 ± 4.8 2.9 ± 0.3 3.0 ± 0.1 2.7 ± 0.1 2.8 ± 0.1 0.70 ± 0.01 1.00 ± 0.10
выходе из листовой камеры от ее опорного значения заносили в протокол опыта в качестве результата стационарного фотосинтетического СО2-га-зообмена на насыщающем свету при атмосферной концентрации СО2. С помощью газосмесительной системы на следующем этапе концентрацию СО2 в опорном газе снижали примерно вдвое и определяли стационарный фотосинтетический газообмен, как описано выше. На заключительной стадии листовую камеру затемняли и через 510 мин определяли квантовый выход флуоресценции ФС II. После этого фрагмент листа извлекали из камеры и измеряли точное значение пониженной концентрации СО2 в опорном газе. Наконец, с помощью газосмесительной системы возвращали концентрацию СО2 в опорном газе к исходному значению.
Определение хлорофиллов a и b (Хл (a + b)) проводили спектрофотометрически в спиртовых экстрактах [10, 11].
Опред
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.