научная статья по теме ДЛИТЕЛЬНАЯ ПОЧВЕННАЯ ЗАСУХА УСИЛИВАЕТ ЭКСПОРТНУЮ ФУНКЦИЮ ЛИСТА BETULA PLATYPHYLLA Биология

Текст научной статьи на тему «ДЛИТЕЛЬНАЯ ПОЧВЕННАЯ ЗАСУХА УСИЛИВАЕТ ЭКСПОРТНУЮ ФУНКЦИЮ ЛИСТА BETULA PLATYPHYLLA»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 4, с. 563-568

УДК 581.1

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПОЧВЕННАЯ ЗАСУХА УСИЛИВАЕТ ЭКСПОРТНУЮ ФУНКЦИЮ ЛИСТА БеМа р1а1урНу11а

© 2004 г. Ц. Мао, Ю. Ванг, С. Ма, X. Дзьян, Ю. Цзу, П. Ю. Воронин*

Центральная лаборатория экологии лесных растений Министерства образования Китая

и Северо-восточного университета леса, Харбин, Китай * Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва

Поступила в редакцию 15.10.2003 г.

В вегетационном опыте, имитирующем сильную кратковременную (4 сут) и длительную (3 нед.) почвенную засуху, с помощью ИК-газоанализатора непосредственно на интактных однолетних растениях Беш1а р1а1урку11а Бик. измеряли зависимость С02-газообмена листьев от интенсивности ФАР (0-1400 мкЕ/(м2 с)). В ходе опыта регистрировали температуру, транспирационную проводимость листа и средний прирост листовой площади у растений. После перехода от сильной (20% Н20 от массы почвы) кратковременной засухи к условиям достаточного (35-40%) увлажнения почвы растение через неделю полностью восстанавливало С02-газообмен листьев. В условиях сильной длительной засухи С02-газообмен листьев растений был подавлен на 30-35% по сравнению с вариантом достаточного увлажнения почвы. Такой эффект был обусловлен в 3.7 раза меньшей против контроля транспирационной проводимостью листьев растений при длительной засухе. Наблюдаемая константа карбоксилирования и дыхание листа на свету не зависели от длительности засухи. Скорость роста листьев в условиях длительной засухи по сравнению с вариантом достаточного увлажнения была подавлена на 64%. Таким образом, в условиях длительной почвенной засухи, следствием уменьшения устъичной проводимости листа явилось снижение концентрации С02 внутри листа и подавление фотосинтетической ассимиляции углерода. При этом, несмотря на снижение фотосинтеза, экспортная функция листа существенно возросла.

Беш1арШурНуНа - фотосинтез - почвенная засуха - адаптация - донорно-акцепторные отношения

Почвенная засуха инициирует множество адаптивных процессов. На молекулярном уровне адаптацию растения к почвенной засухе определяют как экспрессия специфических генов [1-3], так и гормональный статус клетки [4-7]. В любом случае, как и любой другой стресс, засуха стимулирует синтез специфических белков [8; 9, с. 110; 10; 11]. 0днако можно предположить, что молекулярный механизм защиты от длительной почвенной засухи является крайней мерой. До тех пор, пока растению удается поддержать клеточный гомеостаз, его первоначальная адаптация к засухе не вызовет качественных изменений белкового синтеза. На ранней стадии адаптации растение просто переходит в режим экономии воды. В зависимости от степени водообеспечения листьев устьица за-

Сокращения: gw - полная транспирационная проводимость листа (моль/(м2 с)); C - концентрация С02 внутри листа (мкмоль/(моль воздуха)).

Адрес для корреспонденции: Воронин Павел Юрьевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (095) 977-80-18; электронная почта: root@ redaksiya.ippras.ru

крываются частично или полностью. В результате фотосинтез, а значит и прирост биомассы растения, снижаются. Поэтому на тканевом уровне засуха проявляется через торможение пролифе-ративных процессов и ксероморфизм. В условиях жесткой засухи растение нередко сбрасывает часть листьев и хвои [12]. В условиях умеренной почвенной засухи нередко отмечают активизацию роста корней [13]. Предполагают, что последнее обеспечивает более полное использование растением влаги почвенного горизонта. По мере снижения водного потенциала почвы водный потенциал корней изогидратных растений не изменяется или даже возрастает [14, с. 327]. Но для того, чтобы поддерживать возросшую разность водных потенциалов, тонкие корни растения должны увеличивать свой осмотический потенциал. Показано, что усиление почвенного водного дефицита сопровождается увеличением уровня сахаров в корне. Такое увеличение содержания сахаров в корне обеспечивает, с одной стороны, возрастание осмолярности клеточного сока, а, с другой, - обеспечивает корни дополнительным субстратом для усиления их роста [14, с. 327]. Таким образом, в условиях продолжительной поч-

563

6*

Календарные даты августа

Рис. 1. Динамика содержания воды в почве в ходе вегетационного опыта.

Содержание воды представлено как весовая доля (%) Н2О от сухого веса почвы. 1 - кратковременная засуха (первая группа растений), 2 - длительная почвенная засуха (вторая группа растений). Каждое значение представляет среднее из трех биологических по-вторностей и стандартную ошибку.

венной засухи следует допустить усиление акцепторного запроса со стороны корневой системы и адекватное усиление экспортной функции листа. Если первая часть этого предположения хорошо документирована [13], то прямых данных, относящихся ко второй части, пока нет [14, с. 328].

Цель настоящего исследования состояла в том, чтобы, во-первых, выяснить, способна ли в условиях длительной почвенной засухи устъичная регуляция водного баланса клетки поддержать постоянство кинетических характеристик фотосинтетического газообмена. Во-вторых, проверить гипотезу о возрастании донорной функции листа в условиях длительной почвенной засухи, когда рост листа существенно подавлен.

МЕТОДИКА

Растительный материал и условия опыта. В

вегетационном опыте использовали шесть однолетних сеянцев березы (БвШ1ар1аТурку11а Бик.). До начала опыта растения выращивали в сосудах (4.25 л) на почвенно-песчаном субстрате (2 : 1 по объему) в теплице при естественном освещении, температуре воздуха 30 ± 5°С и достаточной вла-гоемкости почвы. Растения поливали в вечернее время с 21:00 до 22:00 часов. Опыт начали 3 августа. Растения разделили на две равные группы. С этого дня все растения перестали поливать с тем, чтобы добиться сильной почвенной засухи.

Вечером 6 августа, после взятия проб на содержание воды в почве, возобновили полив по двум схемам. Ежедневную норму полива для растений первой группы выбрали с расчетом, чтобы в течение следующих двух недель восстановить содержание воды в почве на уровне, соответствующем началу опыта. Норма полива для второй группы растений обеспечивала лишь частичное восстановление содержания воды в почве по сравнению с уровнем в начале опыта. Таким образом, на второй стадии опыта растения первой группы поддерживали в условиях умеренного водного стресса. Растения второй группы по-прежнему находились в условиях сильной почвенной засухи. В соответствии с этими условиями первая группа растений была отнесена к варианту кратковременной (4 сут), а второй - к варианту длительной (3 нед.) почвенной засухи.

Определение содержания воды в почве. Для контроля весового содержания воды в вегетационных сосудах в течение опыта каждые 3-5 сут перед поливом с помощью стального цилиндра (диаметром 1.2 см и длиной 5 см) брали пробы верхнего слоя почвы. Образцы почвы сушили в течение суток при температуре 80°С. По разнице исходной и сухой массы образца судили о содержании влаги в почве (доля, % воды от веса соответствующего высушенного образца почвы). Динамика изменения содержания воды в почве представлена на рис. 1.

Измерение газообмена листа. Для характеристики газообмена листа использовали значения показателей его транспирационной проводимости (gwt) и СО2-газообмена (концентрации СО2 внутри листа, C) при изменении светопотока ФАР от 0 до 1400 мкЕ/(м2 с). Измерения проводили с помощью ИК-газоанализатора LI-6400 в комплекте с листовой камерой, снабженной низкоэнергетическим источником ФАР и температурным датчиком ("LI-COR Inc.", США). Регистрировали температуру и концентрацию СО2 внутри листа (C) Все измерения выполнены на неотделенных от растения листьях.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В случае сильной кратковременной засухи отмечали существенное понижение СО2-газообме-на (рис. 2). При этом дополнительное снижение СО2-газообмена во второй половине дня было больше аналогичного эффекта, наблюдаемого в условиях достаточного увлажнения почвы. После возобновления полива растения контрольной группы быстро восстанавливали СО2-газообмен до исходного уровня (рис. 2а и 3 а). Однако в случае длительной почвенной засухи, при пониженной норме полива, отмечали переход растений к уровню СО2-газообмена, примерно на 30% ниже контроля (рис. 36). Проявление данного эффекта

(а)

14 12 10

л ч о £ м £

се н о к ч к о £ ю о о ш

а

и ■

О и

-2 -4

14

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

(б)

а

В к ч

к

о £ ю о о ш

а

и ■

п

о и

Освещенность листа, мкЕ/(м2 с)

Рис. 2. Динамика фотосинтетического СО2-газообме-на листа в условиях сильной кратковременной почвенной засухи.

а - вариант достаточного увлажнения почвы (40% Н2О) до начала опыта (3 августа), температура листа 34-35°С; б - вариант сильной (20% Н2О) кратковременной засухи (6 августа), температура листа 29-30°С. 1 - до полуденной (около 9:00) депрессии, 2 - после полуденной (около 14:00) депрессии транспира-ции. Измерения выполнены на неотделенных от растения листьях.

соответствовало пропорциональному снижению общей транспирационной проводимости листа (рис. 4). В результате отмечали примерно 30%-ное уменьшение концентрации СО2 внутри листа. Кинетика СО2-газообмена не зависела от длительности почвенной засухи (рис. 5). Наблюдаемая константа карбоксилирования и дыхание на свету при почвенной засухе были идентичны значениям в контроле. При почвенной засухе скорость прироста общей листовой площади растений опытной группы была на 64% ниже, чем у растений в условиях достаточного увлажнения почвы (рис. 6).

ОБСУЖДЕНИЕ

Представленная экспериментальная модель позволила имитировать разный уровень влаго-

16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4

14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4

(а)

100 300 500 700 900 1100

(б)

200 400 600 800 1000 1200 1400

Освещенность листа, мкЕ/(м2 с)

Рис. 3. Динамика фотосинтетического СО2-газообме-на листа березы в условиях длительной почвенной засухи.

а - вариант достаточного увлажнения почвы (40% Н2О): 1 - 10 августа, температура листа 33-34°С; 2 -14 августа, температура листа 30-33°С; 3 - 19 августа, температура листа 26-28°С; б -

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