УДК 581.8
К ВОПРОСУ О РОЛИ ХЛОРОФИЛЛА b В ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИХ АДАПТАЦИЯХ РАСТЕНИЙ
© 2014 г. Е. В. Тютерева, А. Н. Иванова, О. В. Войцеховская
Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, Санкт-Петербург E-mail: tuterlena@mail.ru, ovoitse@yandex.ru
Исследовали мутанты ячменя chlorina3613, лишенные хлорофилла b, от стадии семени до естественного завершения онтогенеза в условиях открытого грунта при естественном освещении. На различных стадиях онтогенеза растения затеняли в течение одной недели и исследовали влияние этого воздействия на последующий рост растений. Исследования показали, что растения chlorina3613 характеризовались крайне низкой вегетативной и семенной биомассой по сравнению с диким типом (сорт Donaria). Однако отсутствие хлорофилла b, при условии, что были индуцированы структурно-функциональные перестройки фотосинтетического аппарата на стадии выхода растений в трубку, не мешало chlorina3613 на последующих стадиях онтогенеза достигать высокой продуктивности.
Ключевые слова: хлорофилл, chlorina3613, затенение, антенна, вегетативная продуктивность, семенная продуктивность, онтогенетические адаптации.
ВВЕДЕНИЕ
Хлорофилл b - облигатный компонент фотосинтетического аппарата зеленых водорослей и высших растений, основной функцией которого считается увеличение размера светособирающей антенны при недостатке света. Высшие растения в разной мере приспособлены к изменениям светового режима. От эффективности такого приспособления зависит успешный рост и семенное размножение растений, что зачастую влияет на конкурентоспособность вида и, в итоге, на положение в растительном сообществе. Полагают, что хлорофилл b непременно участвует в приспособлении к долговременным (несколько суток и более) изменениям освещенности у высших растений как светолюбивого, так и теневыносливого типа (Любименко, 1963; Murchie, Horton, 1997). Многократно и на большом количестве объектов было показано, что при снижении освещенности в хлорофиллоносных тканях растения повышается количество хлорофилла b, и увеличивается его относительное количество в сумме хлорофиллов (Цельникер, 1978; Куренкова, 1998; Rosevear et al., 2001). Исследованиями последних десятилетий подтверждено участие хлорофилла b в перестройках антенных комплексов фотосистем и изменении гранальности хлоропластов (Eggink
et al., 2001; Lokstein et al., 1993; Tanaka, Tanaka, 2011). Показано, что уровень биосинтеза основных белков фотосинтетической антенны зависит от уровня биосинтеза хлорофилла b (Tanaka, Tanaka, 2000).
В исследованиях морфологических и физиоло-го-биохимических основ фенотипической изменчивости растений для выявления роли структуры или функции метаболита с успехом применяется метод сравнения растений дикого типа и модельных растительных организмов - мутантов (Lin et al., 2009). Мутанты растений, лишенные хлорофилла b, считаются заведомо уступающими растениям дикого типа в фотосинтетической продуктивности, поскольку они не могут гибко реагировать на изменения освещенности, меняя соответствующим образом размер периферической антенны фотосистем (Tanaka, Tanaka, 2000). Действительно, лишенные хлорофилла b мутанты ряда видов растений, выращенные при различной интенсивности света и непостоянном световом режиме, характеризовались низким уровнем фотосинтеза, и, как правило, повышенной светочувствительностью, что вызывало отставание их в росте и продуктивности по сравнению с растениями дикого типа, например, ячменя (Leverenz et al., 1992; Peng et al., 2002) и риса (Lin et al., 2003).
Однако, фотосинтетический аппарат высших растений, кроме периферической хлорофилл ¿-содержащей антенны, обладает набором белков так называемой "малой" антенны, которые связывают хлорофилл а и некоторое количество ксантофиллов, включая пигменты виолаксантинового цикла (Dekker, Boekema, 2005). Таким образом, даже лишенные хлорофилла b и, как следствие, периферической антенны растения теоретически могут при адаптации к меняющимся условиям освещения использовать белки "малой" антенны. Возникает вопрос, возможны ли у растений, лишенных хлорофилла b, по крайней мере, на некоторых стадиях онтогенеза, перестройки фотосинтетического аппарата, обеспечивающие успешную адаптацию к световому режиму, а значит высокий уровень фотосинтеза и продуктивности?
Цель настоящей работы - исследование влияния на мутантов высших растений, лишенных хлорофилла b и стабильно характеризующихся низкой продуктивностью, снижения освещенности, которое при длительном воздействии могло бы индуцировать компенсаторные перестройки "малой" антенны на фоне отсутствия основных компонентов периферической антенны.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Объектами исследования стали растения мутанта ячменя chlorina3613 и растения родительского генотипа Donaria (Hordeum vulgare L.var. himalayense (Ritt.) Körn.). Семена были получены из банка семян института им. Лейбница (Leibniz-Institut für Pflanzen genetik und Kulturpflanzenforschung, Гатерслебен, Германия). Растения ячменя обоих генотипов выращивались в открытом грунте. Почва посевной площадки была целинная, среднеплодородная, пригодная для культуры ячменя - легко суглинистая, с pH 6.5-6.8, слабо засоленная сульфатами и гидрокарбонатами, малообеспеченная по содержанию общего азота и фосфора и среднеобеспеченная по содержанию калия. Делянки засевались в один и тот же день, после установления положительных среднесуточных температур. Наблюдения проводили в течение трех вегетационных сезонов 2006-2008 гг. В разные годы посев происходил с 5 по 11 мая. Соблюдалась нормальная плотность посева на делянках: размер междурядья составлял 7 см. Растения произрастали при естественных колебаниях температуры, влажности, атмосферного давления, ветровой нагрузки и чистоты воздуха. Условия произрастания корректировали только для предотвращения пе-
реохлаждения растений и дефицита почвенной влаги.
В течение вегетационных сезонов 2006-2007 гг. растения контрольных групп от стадии проростка и до завершения онтогенеза произрастали при естественной освещенности. Растения экспериментальных групп произрастали при полной естественной освещенности до фазы проростка, кущения - выхода в трубку или начала колошения. На каждом из этих этапов для выбранной группы растений осуществлялось первое экспериментальное воздействие - на семь суток растения затеняли с помощью многослойного марлевого полога. Пологи устанавливались в безоблачный день после спада полуденного максимума освещенности и температуры. На одних экспериментальных делянках освещенность понижалась от 2500 мкмоль фотонов фотосинтетически активной радиации (ФАР) м-2с-1 до 1200 мкмоль м-2с-1 (60%), а на других - до уровня 800 мкмоль м-2с-1 (40%). После чего осуществлялось второе экспериментальное воздействие - растениям возвращалась полная инсоляция, которая сохранялась вплоть до завершения онтогенеза.
Исследовали: 1) сухую вегетативную биомассу надземных частей и семенную продуктивность растений (масса зерна в 100 колосьях), которую определяли у контрольных и экспериментальных растений в конце периода вегетации после созревания колосьев; 2) содержание хлорофиллов a и b в листьях; 3) ультраструктурные параметры хлоропластов клеток мезофилла листьев. Пробы листьев для измерений содержания хлорофил-лов и для ультраструктурного анализа брали накануне затенения, на 7-е сутки затенения и на 7-е сутки после возвращения полной естественной освещенности (с 12:00 до 12:30). Пигменты экстрагировали из листа ацетоном. Количество хлорофиллов измеряли на спектрофотометре "Specord UV VIS" (Jena Zeiss, Германия) с последующими расчетами по формулам Лихтенталера (Lichtenthaler, Wellburn, 1983). Наличие хлорофилла b в листьях chlorine3613 проверяли методом бумажной хроматографии с последующим колориметрированием (Сапожников и др., 1964) и методом ВЭЖХ на хроматографе Perkin Elmer (Diode Array Detector 235C) при скорости проходящего потока смеси растворителей 1 мл/мин, времени прохождения хроматограммы 23 мин, длине волны детектора 450 нм. Использовали растворители А - ацетонитрил : вода : метанол (100 : 10 : 5; по объему) и B - ацетон : этилаце-тат (2 : 1, по объему). Градиент растворителей изменяли в следующей последовательности: первые 18 мин - постепенное понижение доли
10 9
8Н 7
6Н 5
4Н 3 2-\ 1 0
chlorina3613
Хлорофилл а
10 12 14 сут.
а
10 9-\ 8
7Н
6
5
4Н
3
2Н 1
Donaria
Хлорофилл а
--
Хлорофилл Ь
14 сут.
Рис. 1. Динамика содержания хлорофиллов в листьях chlorina3613 (а) и Donaría (б) в контроле и в вариантах затенения до уровня инсоляции 60% и 40%. Период затенения показан штриховкой. Круги - хлорофилл a; квадраты - хлорофилл b. Белый цвет - контроль; серый - затенение 60%; темный - затенение 40%.
раствора А с 90 до 30% с одновременным повышением доли раствора B с 10 до 70%: с 18-й по 23-ю мин - промывка 30%-ным раствором А и 70%-ным раствором B. Интенсивность инсоляции в единицах плотности потока фотонов ФАР определяли микросенсором инфракрасного газоанализатора LCA-4 (ADCBioscientific Ltd., Великобритания). Для трансмиссионной электронной микроскопии растительный материал фиксировали по стандартной методике 3.5%-ным глутаро-вым альдегидом с постфиксацией 2%-ной осмиевой кислотой, а затем обезвоживали в спиртах и ацетоне и заключали в эпоновые смолы. Ультратонкие срезы последовательно контрастировали
уранилацетатом и цитратом свинца и фотографировали на электронном микроскопе Hitachi-600 (Япония). Морфометрическую обработку срезов (15-20 срезов на вариант) проводили с использованием программы CellAF (Olympus Optical, Япония).
На рис. 1 и в таблице приведены средние арифметические и их ошибки из 2-3 биологических проб и двух анализов одной и той же пробы. Данные, полученные в разные вегетационные сезоны, не усреднялись и анализировались отдельно. Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента при 95%-ном уровне значимости.
Показатели вегетативной и семенной продуктивности ячменя Бопапа и сЫоппа3613 в контроле и в экспериментах с кратковременным изменением светового режима (за 2006 и 2007 гг.)
Показатели вегетативной и семенной продуктивност
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.