БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 2, с. 330-336
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 574.632: 582.263
И СПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМЕТР ОВ ИНДУКЦИИ ФЛУОР ЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА а ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ АНТР ОПОГЕННОЙ НАГР УЗКИ
© 2015 г. Д.И. Орехов, О.В. Яковлева*, С.Н. Горячев*, Ф.Ф. Протопопов* **, А.А. Алексеев**
Российский университет дружбы народов, 113093, Москва, Подольское шоссе, 8/5; *Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119892, Москва, ул. Ленинские горы, 1, стр. 24; **Физико-технический институт Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова,
677000, Якутск, ул. Кулаковского, 48 E-mail: оуакоу@ЫорЪу&.тш.ru. Поступила в p едакцию 28.10.14 г.
Методом регистрации кинетики индукции флуоресценции хлорофилла а проведена оценка физиологического состояния листьев липы сердцевидной (Tilia сотпага), березы бородавчатой (Betula рвипШа) и туи западной (Thuja осайвМа1и) в городских условиях. Обнаружена различная чувствительность растений к неблагоприятным условиям произрастания. Определены наиболее чувствительные параметры JIP-теста флуоресценции PIabs, Fy/Fo, Fy/FM, Rfd для использования в качестве индикаторов физиологического состояния городских фитоценозов. Сформулированы рекомендации по применению метода в мониторинговых исследованиях.
Ключевые слова: растения, фотосинтез, мониторинг, флуоресценция хлорофилла, JlP-тест.
В условиях нарастающей антропогенной нагрузки проблема охраны окружающей среды приковывает внимание исследователей во всем мире. Состояние растений может служить надежным критерием загрязнения ср еды, так как чувствительность растений ко многим загрязнениям часто значительно выше, чем у человека и животных [1,2]. В клетках вегетативных органов растений загрязнения на начальных стадиях вызывают серьезные изменения в физио-лого-биохимических пр оцессах, особенно в хло-ропластах, где протекает процесс фотосинтеза. П роисходит разрушение клеточных мембран и отключение фотосинтетических электрон-транспортных процессов, приводящих к выделению кислорода [3,4]. Причина повреждения ассимиляционных органов растений выхлопными газами может заключаться в том, что многие из них являются сильными окислителями. Накопление выхлопных газов клетками растений, преимущественно в хлоропластах, ведет к окислительному разрушению клеточных мембран и других структур, нарушению использования световой энергии при фотосинтезе, что в свою
Сокращения: ФС II - фотосистема II, ФС I - фотосистема I.
очер едь ведет к развитию «фотодинамических» окислительных процессов. Нарушение фотосинтеза резко снижает способность растений оз-дор овлять окружающую ср еду и противостоять антропогенным воздействиям.
Поскольку растения являются индикаторами благополучного состояния окружающей среды, а физиологическое состояние растения определяется способностью его фотосинтетического аппарата поглощать и преобразовывать энергию света в процессе жизнедеятельности, задача поиска методов, характеризующих со -стояние фотосинтетического аппарата на каждом этапе преоб разования энергии света, остается наиболее актуальной [5-7]. Высокая чувствительность фотосинтетического аппарата к повреждающим воздействиям позволяет использовать методы, основанные на измерении параметров флуоресценции хлорофилла а для экологических исследований [4,8-12]. Традиционно, для определения эффективности преобразования энергии в фотосинтетическом аппарате растения используют относительную переменную флуоресценцю ^/^М, хар актеризую-щую эффективность фотохимического преобразования энергии в фотосистеме II (Ф С II) [1315]. Однако в последнее время для экологических исследований предложено использование
пар аметров, рассчитываемых по кинетикам индукции флуоресценции хлорофилла а [6,9,16], с учетом распределения потоков поглощенной энергии в ФС II. Кинетика световой индукции переменной флуоресценции (OJ1P), измеренная in vivo в миллисекундном диапазоне, характеризуется тремя восходящими фазами: OJ, J1 и IP и последующей фазой снижения флуоресценции, отражающими в основном кинетику перехода центров ФС II из открытого состояния с окисленным акцептором QA в закрытое со -стояние с восстановленными акцепторами. Анализ нарастания индукции флуор есценции с помощью JIP-теста позволяет выявить о сновные характеристики первичных процессов фотосинтеза, характеризующие состояние растения в данных условиях [6,7,10]. Измерение индукционных кривых флуоресценции с высоким разрешением занимает всего несколько секунд и может быть пр оведено на листьях растений без нарушения их целостности.
Целью р аботы явилось исследование пара -метров кривых индукции флуоресценции для растений, произрастающих в городских условиях, и определение наиболее чувствительных пар аметров, которые можно было бы использовать в качестве индикаторных в экологическом мониторинге.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования являлись др евесные растения - береза бородавчатая (Betula pendula Roth.), липа сердцевидная (Tilia cordata Mill.) и туя западная (Thuja occidentalis L.). В качестве контрольных объектов служили деревья, про -израстающие на незагрязненной территории Главного ботанического сада им. Н .В. Цицина РАН. Опытными объектами являлись деревья, произрастающие в условиях загрязнения: на Дмитровском шоссе вблизи автобусной остановки, а также деревья, произрастающие в районе ТЭЦ-21 г. Москвы. Измерения пр оводили на листьях однолетних побегов ветвей нижнего яруса. Для измерений использовали листья не менее 10 побегов.
Параметры индукционных кривых флуоресценции хлорофилла регистрировали на импульсном портативном флуориметре модели Р1иогРеп РР 100 Мах-LM photon System Instruments, Чехия). Измерения проводили неинва-зивным способом на листьях. Специальный зажим обеспечивал плотный контакт с объектом измерения. Перед измерением образцы выдерживали в темноте в течение 10 мин. Регистрировали индукцию флуоресценции с высоким временным разрешением (0,01 мс). Индукцион-
ные кривые флуоресценции хлорофилла а инициировали красным светом (X = 650 нм) интенсивностью 3000 мкЕм-2с-1. Все измерения проводили в 10 повторениях.
Для проведения количественного анализа характеристик первичных процессов фотосинтеза на о снове параметр ов кинетической кривой индукции флуоресценции использовали «ЛР-тест», о снованный на теории потоков, отражающей баланс между притоком и оттоком энергии для системы фотосинтетических пигментов и описывающей судьбу поглощенной фотосинтезирующим объектом энергии [6,10]. Измеряли параметр ы кинетической кривой индукции флуоресценции: интенсивность флуор есценции при 50 мкс 300 мкс (^300 мкс), 2 мс 30 мс максимальное значение флуоресценции (^м) и значение стационар ного ур ов-
ня флуоресценции при длительном освещении (^).
Измеряемые величины использовали для ра счета следующих параметров:
^ = Fм — ^0 — максимальная переменная флуо ресценция;
Бу/^м - максимальный квантовый выход первичной фотохимической реакции в открытых реакционных центрах Ф С II: ¥у/¥м = фРо = ТЯ0/АББ;
^у/^ - показатель эффективности первичной фотохимической реакции (эффективности переноса электронов до QA), зависящий от со -отношения активных и неактивных реакционных центров ФС II: ^у/Р0 = фРо/(1 - фРо);
ФЕо — квантовая эффективность перено са электрона от Q/ (при г = 0): фЕо = ЕТ0/АББ =
(ТК/АВ5)*(£Т0/ТК0) = фроХ = [1 -
(^м)]*(1 -
фПо — квантовая эффективность рассеяния
энергии: фСо = 1 - фро = (^0/^м);
м0 - параметр, который отражает усредненный начальный наклон относительной переменной флуоресценции; величина М 0 пропорциональна скорости восстановления Q/ в условиях, когда Qв и пул пластохинонов нахо-дятся преимущественно в окисленном состоянии (отражает скор ость закр ывания реакционных центров Ф С II и максимальную скор ость восстановления М 0 = 4 X ^300 мкс - ^0)/(^м -
АББ/ЯС — поток энергии, поглощаемый одним активным реакционным центром, характеризует относительный р азмер антенны: АББ/КС = (ТК0/КС)/(ТК0/АБЬ) = М 0/^/(1/фРо) =
(М0/^)/[^м - *0)^м)];
Pис. 1. Сезонные изменения максимального выхода переменной флуоресценции FV/FM в листьях растений: (а) - липа (Tilia cordata), (б) - береза (Betula péndula), (в) - туя (Thuja occidentalis): 1 - ботанический сад, 2 - центральная городская магистраль, 3 - вблизи ТЭЦ.
П10/ЯС - общее количество энергии, рассеиваемой одним реакционным центр ом в виде тепла, флуор есценции или пер ено са к другой фото си стеме п р и г = 0: П10/ЯС = АВБ/ЯС -ТЯ0/ЯС;
Р1АВ[ - индекс производительности - показатель функциональной активности Ф С II, отнесенный к поглощаемой энер гии: Р1АВ[ = (ЯС/АВБ)*(^Ро/(1 - фр0))*(у/(1 - ^с)) = [1 -(^м)]/(Мо/^)*[(^м - ™/*0]*[(1 - У,УУЛ;
Яш = (Рм - - коэффициент жизнен-
ности Ф С II (коэффициент относительного уменьшения флуо р есценции) опр еделяется зна -чением максимальной флуо р есцении Рм и зна -чением стационарного ур овня флуор есценции пр и длительном о свещении Р8. Этот пар аметр характеризует взаимодействие светозависимых р еакций с р еакциями темновой фазы.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Известно, что для характеристики физио-логического со стояния дер евьев многие исследователи используют абсолютную величину и ср еднестатистический р азбр о с максимальной эффективно сти запасания энер гии света Ф С II (Ру/Рм) [8,13]. В нашу задачу входил поиск наиболее инфор мативных пар аметр ов, полученных пр и р егистр ации кр ивых индукции флуо -р есценции хлор офилла ра стений, котор ые можно было бы использовать в качестве индика-тор ных в экологическом монитор инге на пр о -тяжении летне-о сеннего пер иода. В ряде работ было показано, что при переходе древесных р астений из активного со стояния в летний пер иод в со стояние зимнего покоя уменьшается скор о сть фото синтетического тр анспо рта элек -тр онов в р езультате блокир ования тр анспор та электр онов между фото си стемой I (Ф С I) и ФС II [17,18]. Это уменьшение может проявляться в виде снижения относительного выхода пер еменной флуо р есценции хлор офилла Ру/Рм. На р ис. 1 пр едставлены изменения максимального квантового выхода пер е
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.