ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 3, с. 333-340
УДК 581.1:577.3
ОЦЕНКА ТЕРМОУСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ПРИ РАЗНЫХ УРОВНЯХ ОСВЕЩЕННОСТИ МЕТОДАМИ МЕДЛЕННОЙ ИНДУКЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА И СО2-ГАЗООБМЕНА
© 2004 г. Е. Н. Заворуева, С. А. Ушакова*
Красноярская государственная архитектурно-строительная академия, Красноярск *Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск
Поступила в редакцию 14.05.2002 г.
Проведена оценка термоустойчивости ценозов растений пшеницы (Triticum aestivum L.) и редиса (Raphanus sativus L. var. minor) в ответ на действие повышенных и повреждающих температур воздуха (35°С 20 ч, 45°С 7 ч) в условиях светокультуры при различных уровнях ФАР с помощью измерения параметров медленной индукции флуоресценции хлорофилла на 682 и 734 нм и внешнего С02-газообмена. Вне зависимости от уровня освещенности экспозиция ценозов при 35°С не приводила к необратимым изменениям фотосинтетического аппарата растений. Минимальное повреждение ценозов пшеницы и редиса под воздействием температуры 45°С наблюдали при 150 Вт/м2 ФАР, а максимальное - при уровнях освещенности, близких к компенсационной точке фотосинтеза ценозов (50-70 Вт/м2 ФАР при температуре воздуха 24°С). Индекс жизнеспособности оказался наиболее чувствительным параметром по сравнению с другими показателями, определяемыми методом медленной индукции флуоресценции при 682 и 734 нм. Характер его изменений в ответ на действие стрессового фактора совпадал с изменениями интенсивности фотосинтеза исследуемых ценозов.
Triticum aestivum - Raphanus sativus var. minor - флуоресценция - термоустойчивость - пигменты - СО2-газообмен
Реакция растений на повышение температуры зависит от величины стрессового фактора и длительности его воздействия. Если условия воздействия варьируют в пределах толерантной области жизнедеятельности растительной клетки, то это не нарушает гомеостатическое состояние живой системы [1]. Почти для всех растений наиболее благоприятным является диапазон температур от 10 до 35°С, а температура 35°С - пороговая температура перехода от благоприятных к неблагоприятным условиям жизнедеятельности [2]. Действие температуры на фотосинтез обратимо, если снижение фотосинтеза в листьях растений составляет 50-60% от исходного значения [3]. При повышении температуры воздуха до 45°С, являющейся границей активной жизнедеятельности растительной клетки, происходят значительные
Сокращения: ^82 и ^734 - интенсивности флуоресценции хлорофилла при 682 нм и 734 нм; и - стационарные уровни флуоресценции хлорофилла в норме и после остановки нециклического транспорта электронов; Рвид - видимый фотосинтез; -Рфакт - фактический фотосинтез; (682) и Я (734) - индексы жизнеспособности при 682 нм и 734 нм. Адрес для корреспонденции: Ушакова Софья Аврумовна. 660036 Красноярск, Академгородок. Институт биофизики СО РАН. Факс: (3912) 43-34-00; электронная почта: ubflab@ibp.ru
повреждения фотосинтетических мембран, приводящие даже к гибели растений [2].
Имеется достаточно много экспериментальных фактов, свидетельствующих, что в связи с физиологическими особенностями различных видов растений, их реакция на разные уровни и длительность действия стрессового фактора может существенно отличаться [3-5]. Для оценки устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды в качестве объекта исследований нередко используются их отдельные структуры. Но реакция отдельных структур далеко не всегда адекватна реакции целого растения [6], не говоря уже о ценозах. Нам не известны исследования по термоустойчивости ценозов высших растений.
Методы анализа состояния фотосинтетического аппарата растений все шире применяются для ранней диагностики повреждений и прогноза развития растений. К таковым можно отнести метод медленной индукции флуоресценции хлорофилла при 682 и 734 нм [7]. Указанный флуоресцентный метод широко используется за рубежом при изучении влияния стрессовых воздействий на состояние растений [8].
В связи с вышеизложенным целью настоящей работы являлось исследование влияния интенсивности света на устойчивость фотосинтетического аппарата ценозов растений пшеницы и редиса к
действию повышенных температур 35° и 45°С, оцениваемую методом медленной индукции флуоресценции хлорофилла при 682 и 734 нм, и сопоставление полученных результатов с изменениями интенсивности фотосинтеза этих ценозов.
МЕТОДИКА
Объектами исследования служили 14-дневные ценозы яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) линии 232, специально выведенной для использования в условиях светокультуры, и редиса (Raphanus sativus var. minor) сорта Красный великан, хорошо растущего при непрерывном освещении и имеющего максимальный КПД усвоения лучистой энергии в диапазоне уровней освещенностей, близких к таковым для пшеницы 232 [9]. Растения выращивали в герметичных вегетационных шкафах в контролируемых условиях среды методом гидропоники на керамзите при непрерывном освещении (150 Вт/м2 ФАР, температура воздуха 24°С). Растения были выращены на площади 0.64 м2, густота стояния на 1 м2 1000 и 185 растений пшеницы и редиса соответственно. В качестве источника излучения использовали лампы ДКсТВ-6000 (объединение Гелион, Россия).
В 14-дневном возрасте ценозы были подвергнуты воздействию повышенными температурами воздуха 35°или 45°С. Длительность экспозиции при 35°С была равна 20 ч, а при 45°С - 7 ч. Ранее мы установили, что более длительная экспозиция при 45°С приводила к необратимым повреждениям репродуктивных органов растений [10]. Во время теплового воздействия использовали по три уровня освещения: 70, 150, 240 Вт/м2 ФАР для пшеницы и 50, 150, 240 Вт/м2 ФАР для редиса. Уровни освещенности 50 и 70 Вт/м2 ФАР при температуре воздуха 24°С близки к уровню компенсационной точки фотосинтеза ценозов редиса и пшеницы соответственно. 150 Вт/м2 ФАР - освещенность, при которой были выращены растения. Выбор уровней освещенности при повышении температуры определялся особенностями реакции ценозов и имеющимися техническими возможностями. После воздействия стрессового фактора растения возвращали в прежние условия выращивания. В качестве контроля использовали исследуемые ценозы перед повышением температуры.
Измерение содержания пигментов в листьях ценозов растений пшеницы и редиса проводили следующим образом: отбирали несколько растений из ценоза, определяли концентрацию пигментов во всех верхних листьях каждого растения, полученные показатели усредняли. Содержание пигментов определяли спектрофотометрически в 96%-ном этаноловом экстракте и рассчитывали по формулам [11]. Интенсивность видимого фотосинтеза растений (Рвид.) и дыхания ценозов оп-
ределяли по скорости изменения концентрации С02 в закрытой камере с помощью газоанализатора ГИАМ-14 со шкалой 0-0.5% (Смоленское АО "Аналитприбор") при концентрации С02, равной 0.1%. Интенсивность дыхания на свету (Щсвет) оценивали по величине темнового дыхания в первые 20 мин после выключения света. Фактический фотосинтез (Рфакт.) рассчитывали как сумму видимого фотосинтеза и дыхания на свету (Рвид. + Ясвет) [12].
Измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла листьев растений проводили на флу-ориметре, сконструированном и изготовленном в ИБФ СО РАН [13]. Спектральную полосу 380540 нм выделяли с помощью светофильтра СЗС-22. Интенсивность возбуждающего света составляла 180 Вт/м2 ФАР. Эта освещенность близка к среднесуточной освещенности в летнее время года. Перед регистрацией флуоресценции высечки выдерживали в темноте в чашке Петри с влажной фильтровальной бумагой в течение 20 мин. Свечение регистрировали при комнатной температуре.
Для оценки скорости фотосинтетического транспорта электронов использовали ЛР-метод [14, с. 30]. Высечки из листьев растений помещали в кювету с диуроном в концентрации 10-5 М [15] и выдерживали 60 мин в темноте при комнатной температуре. По разнице в стационарных уровнях флуоресценции в норме и после остановки нециклического транспорта электронов рассчитывали отношение (Р+л - Р-а)/Е+а или [14, с. 35], где ¥_л и Р+а - стационарные уровни флуоресценции хлорофилла в норме и после остановки нециклического транспорта электронов. По кривым медленной индукции флуоресценции хлорофилла рассчитывали максимальное значение флуоресценции хлорофилла Рт и стационарное - Р. (рисунок). Индекс жизнеспособности Щ (или потенциальную фотосинтетическую активность листа), характеризующий весь процесс фотосинтеза, включая индукционный переход от Рт к Р. и фотосинтетическую фиксацию С02, определяли по формуле Щ = (Рт - [7].
В таблицах указаны средние арифметические значения трех биологических повторностей. Различия между вариантами оценивали на уровне 0.95 по /-критерию Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В таблицах 1 и 2 приведены значения содержания пигментов на единицу площади листа, соотношение между хлорофиллами, флуоресцентные параметры и составляющие С02-газообмена ценозов пшеницы и редиса. Видно, что при всех уровнях освещенности не было зафиксировано существенных изменений в суммарной концентрации хлорофиллов и соотношении между ними для обоих видов растений. Экспозиция при темпе-
ратуре воздуха 35°С вызывала снижение концентрации каротиноидов в листьях пшеницы на 18%, а у редиса - на 12% при низком значении освещенности и не оказывала значимого воздействия на их содержание при других уровнях ФАР.
Воздействие температуры 35°С не влияло на значения "структурного индекса" (Р734/Р682). Колебания в соотношении пиков дальней красной и красной флуоресценции хлорофилла были в пределах ошибки измерения. Индексы жизнеспособности Щ (682) и Щ (734) при низких уровнях освещенности снижались у пшеницы на 35 и 33%, у редиса на 45 и 40%; при 240 Вт/м2 ФАР увеличивались у пшеницы на 36 и 33% и у редиса на 24 и 19% соответственно. После прекращения температурного воздействия через двое суток репарации величины Щ достигали исходных значений (табл. 1 и 2). Понижение освещенности света во время действия температуры 35°С на ценозы пшеницы и редиса приводило к падению Рвид. до нуля и уменьшению Рфакт. на 63 и 72% соответственно. При 150 Вт/м2 ФАР наблюдали уменьшение Рвид. ценоза
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.