ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 20-26
УДК 581.08.633.16:132.036
СОСТОЯНИЕ ФОНДА ХЛОРОФИЛЛОВЫХ ПИГМЕНТОВ В ПРОРОСТКАХ ЯЧМЕНЯ РАЗНОГО ВОЗРАСТА В УСЛОВИЯХ ТЕПЛОВОГО ШОКА И ВОДНОГО ДЕФИЦИТА
© 2004 г. Н. Л. Пшибытко, Л. Н. Калитухо, Н. Б. Жаворонкова, Л. Ф. Кабашникова
Институт фотобиологии Национальной академии наук Белоруссии, Минск Поступила в редакцию 18.10.2001 г.
Изучали влияние высокотемпературной обработки (3 ч, 40°С) и водного дефицита (45 ч на 3 %-ном растворе ПЭГ 6000) на состояние фонда хлорофилловых (Хл) пигментов в листьях 4-, 7- и 11-дневных проростков ячменя (Hordeum vulgare L.). Нагревание приводило к снижению общего количества Хл(а + b) в 4-дневных растениях и не оказывало существенного влияния на данный показатель в более старых листьях. Водный дефицит вызывал рост содержания пигментов в молодых проростках и его снижение в листьях 11-дневного возраста. Гипертермия и дегидратация оказывали одинаковое влияние на процессы деградации Хл(а + b), приводя в молодых проростках к существенному ингибированию активности хлорофиллазы, гидролизирующей Хл до хлорофиллидов (Хлд) и фито-ла, и активации данного фермента в старых листьях. Действие изученных стрессовых факторов проявлялось на разных стадиях биосинтеза Хл пигментов. Ингибирование биосинтеза Хл(а + b) высокой температурой было связано с подавлением активности темновой и световой стадии хлоро-филлообразования. При дегидратации ресинтез протохлорофиллида (ПД) не претерпевал заметных изменений, тогда как энзимы световой стадии биосинтеза Хл активировались в молодых и ин-гибировались в старых листьях ячменя. На основании полученных результатов сделан вывод о специфичности влияния тепловой обработки и обезвоживания на биосинтез Хл и неспецифичности ответной реакции хлорофиллазы.
Hordeum vulgare - тепловой шок - водный дефицит - хлорофилловые пигменты - хлорофиллооб-разование - онтогенез
Хлорофилловые (Хл) пигменты являются основными компонентами фотосинтетического аппарата растений, ответственными за поглощение энергии света и ее трансформацию в энергию химических связей [1, с. 76; 2]. От размера и состояния пула фотосинтетических пигментов в листе во многом зависит физиологическое состояние растений на разных стадиях онтогенеза и в различных условиях окружающей среды.
В ходе развития зеленых растений содержание пигментов определяется динамическим равновесием их синтеза и разрушения [1, с. 77; 3, с. 41]. Поэтому можно предположить, что воздействие стрессовых факторов может влиять на размер пула хлорофилловых пигментов посредством изменения интенсивностей их биосинтеза и гидролиза.
Кроме того, известно, что в процессе онтогенеза изменяется интенсивность протекания мно-
Сокращения: ПД - протохлорофиллид, Хл - хлорофилл, Хлд - хлорофиллид.
Адрес для корреспонденции: Пшибытко Наталья Ленгинов-на. 220072 Минск, ул. Академическая, 27. Институт фотобиологии НАНБ. Факс: (37517) 284-23-59; электронная почта: ipb@biobel.bas-net.by
жества физиолого-биохимических процессов [6-9], в том числе и метаболизма Хл(а + Ь). Так, в молодых растениях преобладает новообразование хлорофилловых молекул, тогда как при старении доминируют процессы распада [3, с. 41; 4, с. 87; 5]. На основании этого можно ожидать, что разновозрастные растения будут отличаться различной устойчивостью к действию стрессовых факторов, и изменение фонда хлорофилловых пигментов в них будет обусловлено разными причинами.
Согласно литературным данным, и тепловой шок [10, 11], и водный дефицит [12, 13] снижают содержание Хл(а + Ь). На деэтиолированых проростках пшеницы и огурца показано, что падение скорости накопления Хл при нагревании обусловлено ингибированием темнового синтеза его предшественников, в то время как активность светозависимого фермента - протохлорофилли-доксидоредуктазы, катализирующей превращение протохлорофиллида (ПД) в хлорофиллид (Хлд), повышается [11]. Однако деэтиолирован-ные проростки обладают несформированным пигментным аппаратом и их реакция на стрессовые воздействия может существенно отличаться от таковой у зеленых растений. Литература о вли-
янии высокой температуры на протекание реакции биосинтеза Хл в зеленых растениях практически отсутствует, известно лишь, что скорость обновления Хл в прогретых листьях снижается [3, с. 55; 14].
В этой связи цель нашей работы состояла в выявлении наиболее чувствительных к действию высокотемпературной обработки и водного дефицита стадий хлорофиллообразования в зеленых проростках ячменя, находящихся на разных этапах развития, а также определении характера действия данных стрессовых факторов на состояние фонда Хл пигментов.
МЕТОДИКА
Объектом исследования служили первые листья проростков ячменя (Hordeum vulgare L., сорт Гонар), выращенных на водопроводной воде при 16-часовом фотопериоде, освещенности 120 мкмоль квантов/(м2 с) и температуре 22/20°С день/ночь. Тепловую обработку интакт-ных 4-, 7- и 11-дневных растений проводили в воздушном термостате в течение 3 ч при 40°С и постоянном освещении с интенсивностью света 120 мкмоль квантов/(м2 с). Для создания водного дефицита корневую систему 4-, 7- и 11-дневных проростков погружали на 45 ч в 3%-ный раствор ПЭГ 6000 ("Sigma", США), что позволяло создать осмотический потенциал, равный -0.28 МПа. Контролем служили соответствующие растения, находящиеся 45 ч в условиях нормального водоснабжения. Условия проведения и длительность данных воздействий были выбраны экспериментально так, чтобы ответная реакция 7-дневных проростков на оба варианта стрессового воздействия была одинаковой и выражалась в 20-30%-ном уменьшении оводненности листьев и 10%-ном снижении их сухой массы.
Экстракцию фотосинтетических пигментов проводили 96%-ным ацетоном. Количество Хл(а + b) определяли спектрофотометрически [15] и рассчитывали их содержание в единице сухой массы листа.
Активность хлорофиллазы определяли по методу Weast и Mac-Kinney [16], используя свойство фитольных и бесфитольных форм Хл пигментов распределяться полностью между полярным и неполярным растворителями. В качестве неполярного растворителя использовали гексан. Количество Хлд в водно-щелочном ацетоне определяли спектрофотометрически, рассчитывали по формулам Arnon [17] и выражали в мг/г сухой массы листа. Содержание фотосинтетических пигментов в гексане рассчитывали в единице сухой массы листа по формулам из [18]. Активность хлорофиллазы выражали в % количества Хлд, образовавшегося после одного часа инкубации экстракта пигментов в 60%-ном ацетоне, от общего содержания зеленых пигментов, измеренного до инкубации.
3 12
8
s 10
«
* 8 5* £ 6
-о ^ +
3 2
4
X 0, 140 ^ 120
ц &
(a)
_|_L
11 13
X о ö и м к н
£
ш
100 80 60 40 20
(б)
4 7 11
Возраст проростков, сут
Рис. 1. Изменение содержания фотосинтетических пигментов в единице сухой массы первого листа проростков ячменя в ходе онтогенеза (а), в результате высокотемпературной обработки (3 ч, 40°С) (б, 1) и водного дефицита (45 ч на 3%-ном растворе ПЭГ 6000) (б, 2).
Определение количества ПД проводили по методу из [19] после 3 ч затемнения зеленых растений и фиксации горячим паром в течение 3 мин. Пигменты экстрагировали 80%-ным щелочным ацетоном, фитольные формы Хл пигментов отмывали гексаном. Количество ПД определяли в ацетоновой фракции флуориметрически при
^возбуждения = 435 нм, ^регистрации = 640 ± 3 нм и рассчитывали на единицу сухой массы листа.
Спектры поглощения измеряли на спектрофотометре Uvikon 931 ("Uvikon", Германия), флуоресценции - на флуориметре Solar LSF 222 ("Solar", Беларусь). На графиках приведены средние значения из 3-4 биологических повторностей и их стандартные ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 показано изменение содержания Хл(я + Ь) в расчете на единицу сухой биомассы первого листа ячменя в ходе онтогенеза (рис. 1а) и в результате действия теплового шока и водного дефицита (рис. 16). Зависимость накопления фотосинтетических пигментов от возраста про-
12
а 10
ш а Ч
¡д 8
■е
о
& 6 о 6 ч
I*
е 4
о о
к „ § 2 к н м
< 0
(а)
3
11
13
к В
о к я к н
СЗ
200 150 100
50
о &
о
ч
*
(б)
гЬ
2
1 гЗп
Л
4 7 11
Возраст проростков, сут
Рис. 2. Изменение активности хлорофиллазы в онтогенезе первого листа проростков ячменя (а), в результате высокотемпературной обработки (3 ч, 40°С) (б, 1) и водного дефицита (45 ч на 3%-ном растворе ПЭГ 6000) (б, 2).
ростков ячменя имела параболическую форму, что согласуется с литературными данными [9, 11]. Нагревание (рис. 16) приводило к небольшому снижению количества Хл(а + Ь) в 4-дневных проростках (уровень значимости Р < 0.04) и практически не влияло на данный показатель в 7- и 11-дневных листьях. Водный дефицит вызывал увеличение количества Хл(а + Ь) в молодых проростках ячменя (Р < 0.01), не изменял данный показатель в 7-дневных листьях и статистически достоверно уменьшал его (Р < 0.04) в стареющих 11-дневных листьях (рис. 16).
Для выявления наиболее чувствительных к тепловому шоку и водному дефициту заключительных участков хлорофиллообразования было изучено содержание фитольных и бесфитольных форм Хл(а + Ь). Активность функционирования темновой стадии биосинтеза Хл пигментов определяли по скорости накопления ПД при затемнении зеленых растений. Поскольку содержание Хл(а + Ь) может зависеть от скорости гидролиза Хл, была изучена также активность хлорофиллазы.
В процессе роста первого листа ячменя активность хлорофиллазы падала (рис. 2а). Воздействие как теплового фактора, так и недостатка воды приводило к существенному снижению активности хлорофиллазы в 4-дневных листьях ячменя. В 7-дневных растениях данный параметр достоверно не изменялся, а в стареющих 11-дневных листьях наблюдалась значительная активация фермента (рис. 26).
Возрастная зависимость содержания фитольных форм Хл пигментов так же, как и общего содержания Хл(а + Ь), имела параболическую форму (рис. 1а, 3 а), в то время как количество Хлд в ходе онтогенеза первого листа снижалось (рис. 3в). Нагревание приводило к снижению уровня Хлд, причем наиболее выраженный эффект был выявлен в старых 11-дневных листьях (рис. 3г). При водном дефицит
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.