научная статья по теме РЕАКЦИИ ЛИШЕННОГО ХЛОРОФИЛЛА B МУТАНТА ЯЧМЕНЯ CHLORINA 3613 НА ПРОЛОНГИРОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ. 1. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ, РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ Биология

Текст научной статьи на тему «РЕАКЦИИ ЛИШЕННОГО ХЛОРОФИЛЛА B МУТАНТА ЯЧМЕНЯ CHLORINA 3613 НА ПРОЛОНГИРОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ. 1. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ, РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2011, том 58, № 1, с. 3-11

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1

РЕАКЦИИ ЛИШЕННОГО ХЛОРОФИЛЛА b МУТАНТА ЯЧМЕНЯ chlorina 3613 НА ПРОЛОНГИРОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ. 1. ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ ХЛОРОФИЛЛОВ, РОСТ И ПРОДУКТИВНОСТЬ © 2011 г. Е. В. Тютерева, О. В. Войцеховская

Учреждение Российской академии наук Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, лаборатория экологической физиологии, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 26.01.2010 г.

На примере мутанта chlorina 3613 ячменя (Hordeum vulgare L.) исследованы ответные реакции растений, лишенных хлорофилла b (Хл b), на долговременное (7 суток) снижение освещения и последующий возврат к полному освещению. В качестве критерия эффективности адаптации были взяты показатели продуктивности. Контрольные растения chlorina 3613, произрастающие при полном естественном освещении (плотность потока фотонов ФАР 2000—2500 мкмоль/(м2 с)), в течение всего периода вегетации характеризовались низким содержанием хлорофилла a (Хл a), низким ростом и пониженной продуктивностью по сравнению с родительским генотипом Donaria (дикий тип). В экспериментах взрослые растения chlorina 3613 затеняли в течение одной недели так, что плотность потока фотонов ФАР составляла либо 60%, либо 40% от таковой на полном солнечном свету. У экспериментальных растений chlorina 3613, подвергавшихся затенению в течение 7 суток, на фоне накопления Хл a и отсутствия Хл b отмечена активизация ростовых процессов и увеличение общей биомассы, в то время как у Donaria, напротив, 7-дневное затенение оказывало негативное влияние на накопление растениями биомассы. После возврата полного естественного освещения параметры роста и продуктивности растений chlorina 3613, получавших в течение 7 дней лишь 40% полного естественного освещения, стали соизмеримыми с контрольными растениями дикого типа. Таким образом, отсутствие Хл b у растений chlorina 3613 после 7-дневного затенения (до 40% от полного освещения) не влияло на рост и продуктивность.

Ключевые слова: Hordeum vulgare — chlorina 3613 — хлорофилл b — уровень инсоляции — продуктивность — морфометрия

ВВЕДЕНИЕ

Высшие наземные растения способны эффективно адаптироваться к изменениям освещения различной длительности. В приспособлении фотосинтетического аппарата высших растений к долговременным (многодневным) изменениям светового режима участвует Хл Ь [1—5]. Хл Ь является облигатным компонентом ССК фотосинтетического аппарата высших растений, а число Хл Ь-содержащих ССК в мембранах тилакоидов определяет размер периферической антенны и степень гранальности хлоропластов [6—9]. По сложившимся представлениям, в отсутствие Хл Ь невозможна полноценная сборка ССК. Это позволило предположить, что Хл Ь у высших растений играет ключевую роль в обеспечении адаптации периферической антенны фотосинтетического аппарата

Сокращения: Хл а — хлорофилл а; Хл Ь — хлорофилл Ь. Автор для корреспонденции: Войцеховская Ольга Владимировна. 197376 Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2. Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, лаб. экологической физиологии. Электронная почта: ovoitse@yandex.ru

к различному уровню освещенности [10]. Действительно, мутанты, лишенные Хл Ь, характеризуются редукцией антенных комплексов фотосистем и не способны изменять размер периферической антенны в зависимости от световых условий. Вследствие этого такие мутанты уступают растениям дикого типа в эффективности перестроек фотосинтетического аппарата при смене освещения, а также проявляют низкую фотосинтетическую активность, медленный рост и высокую светочувствительность по сравнению с диким типом [10-13].

Эффективным подходом в исследованиях структурно-функциональной роли Хл Ь стал анализ мутантов с синдромом еМогта, в хлоропла-стах которых Хл Ь либо отсутствует, либо его содержание снижено по сравнению с диким типом. Вопросу адаптации мутантов еМогта к высокому уровню освещения в литературе уделялось значительное внимание. Однако практически не исследован вопрос о том, как приспосабливаются такие растения к снижению освещения. Можно

предположить, что отсутствие большей части периферической антенны у мутантов chlorina приведет к тому, что растения будут с трудом адаптироваться к продолжительному затенению, так как светособирающая роль Хл b-содержащей антенны возрастает при недостатке света. Тогда затенение должно негативно воздействовать на рост и продуктивность растений chlorina.

В настоящей работе изучали мутант ячменя chlorina 3613, не синтезирующий Хл b, в составе фотосистем которого полностью редуцированы белки ССК I и частично редуцированы белки ССК II [6, 11]. Исследовали влияние обратимого 7-дневного снижения освещения на рост и продуктивность растений, выращиваемых в открытом грунте. У chlorina 3613 и родительского сорта Donaria изучали характеристики, связанные с продукционным процессом: число вегетативных и продуктивных побегов, площадь листьев, накопление биомассы, а также содержание хлоро-филлов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Семена Hordeum vulgare L. мутанта chlorina 3613 и родительского сорта Donaria (дикий тип) были получены из банка семян института им. Лейбница (Leibniz-Institut fur Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung) в Гатерслебене, Германия. Растения выращивали в пределах городской черты Санкт-Петербурга в 2006—2007 гг. в открытом грунте посевной площадки Эколого-биологического центра "Крестовский остров" с мая по сентябрь. Почва посевной площадки была целинная, среднеплодородная, легко суглинистая, с pH 6.5—6.8, слабо засоленная сульфатами и гидрокарбонатами, среднеобеспеченная по содержанию общего азота, фосфора и калия. Делянки засевали после установления положительных среднесуточных температур. Растения контрольных делянок от стадии проростка и до завершения онтогенеза произрастали при естественном освещении, а экспериментальные делянки затеняли в течение 7 суток после достижения растениями фе-нофазы "кущения—выхода в трубку" (на 32-36-й день вегетации Donaria и на 42-46-й день вегетации chlorina 3613). Затенение создавали с помощью многослойных марлевых пологов.

По истечении 7 суток растениям возвращали полное естественное освещение. На одних экспериментальных делянках освещение снижали до 60%, на других — до 40% от полного естественного света, при котором в безоблачные полуденные часы плотность потока фотонов ФАР составляла 2000—2200 мкмоль/(м2 с). Плотность потока фотонов ФАР определяли микросенсором ФАР ("ADC Bioscientific", Великобритания). Установка пологов влияла на температуру и влажность: в полуденные часы температура под пологом в

среднем была на 1—2°С ниже, а влажность на 3— 5% выше, чем в отсутствие пологов. Опыты проводили в течение вегетационных сезонов 2006— 2009 гг.

Для характеристики растений использовали следующие морфометрические параметры: кустистость, облиственность, длину, ширину и площадь листьев и высоту главного побега. Измерения проводили: (1) накануне эксперимента, (2) на 7-е сутки под пологом и (3) на 7-е сутки после снятия полога. Площадь листьев рассчитывали по формуле S = 2/3ld, где l — длина, а d — ширина пластинки листа. Высоту главного побега измеряли после завершения роста стебля в фазу полного колошения главного побега (через две недели после снятия пологов), от основания стебля до отгиба флагового листа. Общую сухую биомассу определяли в конце вегетационного периода после созревания колосьев в пересчете на 100 растений.

Для оценки спектра изменений цветности надземных частей растений использовали степенную шкалу калиброванных водных растворов медного купороса и бихромата калия с ценой деления 14% (от I степени — "желто-зеленый" цвет до VII степени — "иссиня-зеленый" цвет). Содержание Хл a и Хл b определяли в ацетоновых экстрактах на спектрофотометре Specord UV VIS с последующими расчетами по Lichtenthaler [14]. Для контроля отсутствия Хл b в листьях chlorina 3613 использовали бумажную хроматографию с последующим колориметрированием [15] и ВЭ-ЖХ. ВЭЖХ проводили на хроматографе Perkin Elmer при скорости проходящего потока смеси растворителей 1 мл/мин, времени прохождения хроматограммы 23 мин, длине волны детектора 450 нм. Использованные в работе растворители: раствор А — ацетонитрил : вода : метанол (100 : 10 : 5) и раствор B — ацетон : этилацетат (2 : 1). Градиент растворителей изменялся в следующей последовательности: первые 18 мин — постепенное понижение доли раствора А с 90 до 30% с одновременным повышением доли раствора B с 10 до 70%: с 18 по 23 мин — промывание 30% раствором А и 70% раствором B.

В таблицах представлены данные сезонов 2006—2007 гг. Характеристика погодных условий и фенофаз растений в течение периодов вегетации 2006 и 2007 гг. представлена на рисунке. Приведены средние арифметические значения из трех биологических проб и их стандартные отклонения. Данные, полученные в каждом из двух вегетационных сезонов, анализировали отдельно. Достоверность различий оценивали по ¿-критерию Стьюдента при 95% уровне значимости.

30 25 20 15 10

о

в

а £

ту 5 а

(D

С

м

<D

т

Я

^30

«

и

а

U

25 -

20 15 10

5

10

9 8 7 6 5

3 £ 2 4

2 X

1 §

10 лив

О

«

о

в

- 8

£

май

июль (в)

август

Год Растение май июнь июль август сентябрь

II III I II III I II III I II III I II

2006 chlorina 3613 * û □ A ♦ ft MC ВC

Donaria * û □ A ♦ ft MC ВC

2007 chlorina 3613 * û □ A ♦ ft MC ВC

Donaria * û □ A ♦ ft MC ВC

Условия выращивания растений Donaria и chlorina 3613 в течение вегетационных сезонов 2006 и 2007 гг. а, б — климатограммы средних температур (1) и влажности воздуха (2) для 2006 (а) и 2007 гг. (б). Цифрами I, II, III обозначены декады соответствующего месяца; в — смена фенофаз растений. * — посев, ö — появление всходов, □ — появление третьего листа, А — начало кущения, ♦ — выход в трубку, ф — колошение, МС — молочная спелость, ВС — восковая спелость.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Особенности растений Donaria и chlorina 3613 при полном естественном освещении

Вегетационный период (от прорастания до естественной смерти растения, что соответствует завершению фазы полной спелости) составил

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