БИОХИМИЯ, 2014, том 79, вып. 3, с. 338 - 352
УДК 577.355.4
ИНДУКЦИЯ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ, СОДЕРЖАНИЕ ХЛОРОФИЛЛА И ЦВЕТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИСТЬЕВ КАК ПОКАЗАТЕЛИ СТАРЕНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
© 2014 В.В. Птушенко12*, О.С. Птушенко3, А.Н. Тихонов24
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, 119992 Москва; факс: +7(495)939-0338, электронная почта: fxb@genebee.msu.su, ptush@belozersky.msu.ru
2 Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, 119334 Москва, ул. Косыгина, 4; факс: +7(499)137-4101, электронная почта: ibcp@sky.chph.ras.ru
3 ГБОУ города Москвы средняя общеобразовательная школа № 261, 121108 Москва, ул. Кастанаевская, 29, к. 1; электронная почта: sch261@sch261.edu.ru 4 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет, 119992 Москва; факс: +7(495)932-8820, электронная почта: info@physics.msu.ru
Поступила в редакцию 27.11.13 После доработки 11.12.13
Параметры индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ) широко используются в качестве показателей физиологического состояния листа в биохимических, физиологических и экологических исследованиях, а также в сельскохозяйственных приложениях. В данной работе мы анализируем данные по вариабельности ряда параметров ИФХ: Ф¡¡рл = В„/Вт (относительная величина переменной флуоресценции, измеренная после достаточно длительной адаптации листа к темноте), (коэффициент нефотохимического тушения), («коэффициент жизнеспособности») осенних листьев десяти видов древесных растений средней полосы. На примерах липы сердцевидной и рябины обыкновенной показана корреляция флуоресцентных показателей фотосинтетической активности и содержания хлорофилла в листьях. Показано, что в период массового пожелтения листьев адекватной характеристикой их фотохимической активности может служить Ф р1л, в то время как в летний период более информативны такие характеристики, как или Установлена корреляция между величиной Фр§л, характеризующей максимальную фотохимическую активность фотосистемы II, и «координатами цветности» листа, характеризующими его цветовые свойства. Координаты цветности, определенные по спектрам отражения света, служат количественной характеристикой цветовых оттенков листьев, что создает предпосылки для визуальной экспертной оценки физиологического состояния листьев.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: фотосинтез, флуоресценция хлорофилла, цветовые характеристики листьев.
Для анализа физиологического состояния используется как для решения фундаменталь-
фотосинтетического аппарата (ФСА) растений ных задач биохимии и биофизики фотосинтеза,
широко используется метод индукции флуорес- физиологии растений, так и в разнообразных
ценции хлорофилла (ИФХ) [1—11]. Этот метод экологических, сельскохозяйственных и других
Принятые сокращения: ИФХ — индукция флуоресценции хлорофилла; Кар — каротиноиды; МКО — международная комиссия по освещению; НФТ — нефотохимическое тушение; ФС1 — фотосистема I; ФС11 — фотосистема II; ФСА — фотосинтетический аппарат; Хл — хлорофилл; Ф^п — эффективность фотохимической активности ФСП, Ф^п = (ВР — В ')/^Р; Ф Рот — стационарное значение эффективности фотохимической активности ФСП; Ф трл — максимальная эффективность фотохимической активности ФСП, Фр^ы = Д,/Вш; — коэффициент нефотохимического тушения флуоресценции, = = (Вт — В1Р)/ВР; — «коэффициент жизнеспособности», = (Вм — Вт)/Вт.
* Адресат для корреспонденции.
исследованиях. Основными достоинствами флуоресцентных методов исследования фотосинтетического аппарата (ФСА) являются неинвазив-ность, возможность проведения экспресс-анализа в полевых условиях, чувствительность определяемых данным методом параметров к ряду практически важных стрессовых факторов среды [1, 7, 12, 13]. Первые работы по использованию флуоресцентных методов анализа ФСА были выполнены более 80 лет назад Каутским и Хиршем [14], которые обнаружили немонотонные изменения интенсивности флуоресценции листьев разных растений. Медленная фаза кривой индукции флуоресценции коррелировала со скоростью ассимиляции CO2, подавлялась при низких температурах и ингибировалась цианидом. В настоящее время известно, что основным источником флуоресценции листьев зеленых растений является Хл а фотосистемы II (ФС11); вклад фотосистемы I (ФС1) в суммарную флуоресценцию ФСА при физиологических температурах незначителен, но возрастает при низких температурах (4—120 K) [6]. Начиная с середины 1980-х гг. широкое применение получил метод PAM-флуориметрии (Pulse Amplitude Modulation Fluorimetry) [15]. Этот метод основан на измерениях флуоресценции при освещении растения непрерывным «действующим» светом, наряду с которым подаются короткие импульсы света насыщающей интенсивности. На рис. 1 показана типичная картина изменений интенсивности флуоресценции Хл в листьях высших растений, полученная в соответствии с общепринятым протоколом измерений. Зигзагообразными стрелками показаны моменты действия вспышек света насыщающей интенсивности, подаваемых в темноте или на фоне непрерывного света. Исходный уровень флуоресценции F0 соответствует свечению при действии слабых импульсов измерительного света. В ответ на первую вспышку насыщающего света, подаваемую до включения непрерывного света, наблюдается рост флуоресценции от начального уровня F0 до максимального уровня Fm. После спада флуоресценции в темноте, включали непрерывный свет. Интенсивность флуоресценции, измеряемой во время действия непрерывного света, изменяется немонотонно. Из рис. 1 видно, что сразу после включения непрерывного света интенсивность флуоресценции сначала быстро возрастает, а затем сравнительно медленно уменьшается. Это уменьшение может быть вызвано, во-первых, активацией на свету реакций цикла Кальвина, и, во-вторых, усилением тепловой дезактивации возбужденных состояний Хл в светособираю-щей антенне. Освещение хлоропластов приводит к быстрому восстановлению пластохиноно-
вого пула, что проявляется в сравнительно быстром начальном увеличении интенсивности флуоресценции. Светоиндуцированная активация реакций цикла Кальвина приводит к ускорению оттока электронов от ФС1. В результате этого пул пластохинона реокисляется, что проявляется в снижении флуоресценции Хл (фотохимическое тушение флуоресценции) [3, 9, 16, 17].
Другая причина спада интенсивности флуоресценции во время действия непрерывного света — усиление тепловой дезактивации возбужденных состояний Хл в светособирающей антенне, называемое нефотохимическим тушением (НФТ) флуоресценции Хл [7, 9, 18]. Нефотохимическое тушение позволяет снизить вероятность образования синглетного кислорода, который может служить началом неконтролиру-
Непрерывный свет!
Темнота
е
н т
о
ZS
н
е
ZS
с
е р
о ©
1,0
0,5
о
Q.
-z. ХУ
1,0
■е 0,5
Fm
^\ \ w
1 Ft _1_
•i «I
^ т т т
0-0-0-0-0-0-<р—- ФPSt.
^Sll
120 240
Время, с
360
Рис. 1. Кинетика индукции флуоресценции хлорофилла листа липы (T. cordata), записанная с использованием PAM-протокола. Показаны моменты включения и выключения непрерывного света (вертикальными линиями), моменты вспышек света насыщающей интенсивности (зигзагообразными стрелками), изменения величины флуоресценции при освещении листа (вверху) и параметров ФР8П и gNPq (внизу)
0
0
0
0
емых окислительных реакций в клетке [19—21]. Об усилении НФТ можно судить по уменьшению интенсивности флуоресценции, измеряемой при действии насыщающих вспышек света, которые подаются на фоне непрерывного света (рис. 1). Усиление НФТ флуоресценции Хл в све-тособирающей антенне, как известно [22—25], отражает защитную реакцию ФСА растений в ответ на избыточное освещение.
Эффективность НФТ удобно охарактеризовать параметром qNPQ = (Fm — Fm)/Fm (см. определения на рис. 1), который называется коэффициентом нефотохимического тушения флуоресценции. В качестве характеристики фотохимической активности ФС11 часто используют параметр Фр8п = Fv/Fm, где Fv = Fm — Fo — переменная флуоресценция, измеряемая в ответ на насыщающую вспышку света, подаваемую после достаточно длительной адаптации листа к темноте (от десятков минут до часов [10, 22]). Параметр Ф mSII характеризует максимальную эффективность фотохимической активности ФС11. «Рабочая эффективность ФС11», ФР8П = (Fm — F')/Fm, измеряемая во время освещения листа (или при недостаточно продолжительной темновой адаптации после освещения), как правило, ниже, чем Ф pfn, причем ее величина падает по мере роста интенсивности света [10]. По мере адаптации к освещению Фр8П постепенно возрастает и достигает стационарного уровня Фрдп (рис. 1). При этом интенсивность светозависимого транспорта электронов через ФС11 при заданном освещении пропорциональна параметру ФPsii, измеренному в данный момент времени в данных условиях. Наряду с этими коэффициентами также используются коэффициенты RFd = (FM - FT)/FT [26, 27] и FM/FT = = RFd + 1 [28, 29]. В зависимости от конкретной задачи также используется ряд других параметров ИФХ, измеряемых в широком временном диапазоне (от мс до десятков мин) [8, 9, 30, 31].
Вопрос о том, какие параметры ИФХ являются наиболее предпочтительными для анализа фотосинтетической активности ФСА и защитных реакций ФСА от избыточного света, до сих пор является предметом острых дискуссий. Так, одним из наиболее часто используемых параметров, характеризующих ослабление активности ФС11, связанное с активацией механизмов защиты ФСА от фотоповреждений, является коэффициент нефотохимического тушения флуоресценции Хл #NPq [18, 23, 24]. С другой стороны, Деммиг-Адамс с соавт. [22] критически оценивают возможность использования этого параметра для оценки физиологического состояния растений, подверженных условиям длительного (например, сезонного) угнетения фотосинтетической активности. Для оценки стресс-обусловленного
подавления фотосинтетической активности авторы предлагают использовать параметр Ф р^д.
В настоящей работе мы провели сравнительный анализ возможности использования некоторых параметров ИФХ для оценки физиологического состояния листьев древесных растений средней полосы в летний и
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.