ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 1, с. 47-53
УДК 581.132.1:582.949.22
СОСТОЯНИЕ ПИГМЕНТНОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ ЖИВУЧКИ ПОЛЗУЧЕЙ В СВЯЗИ С АДАПТАЦИЕЙ К СВЕТОВЫМ УСЛОВИЯМ ПРОИЗРАСТАНИЯ
© 2007 г. О. В. Дымова, Т. К. Головко
Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук, Сыктывкар
Поступила в редакцию 24.04.2006 г.
Исследовали механизмы адаптации фотосинтетического аппарата на уровне пигментного комплекса теневыносливого растения живучки ползучей (А/ща reptans L.) при произрастании в условиях полной освещенности на открытой делянке. По сравнению с теневыми растениями, обитающими под пологом леса при освещенности 5-10% от полной, у световых растений отмечено существенное снижение содержания фотосинтетических пигментов. У листьев световых растений в спектре каро-тиноидов была выше доля Р-каротина и лютеина, присутствовали антераксантин и зеаксантин. Де-эпоксидация виолаксантина в листьях световых растений была на порядок выше и достигала 40%. Полученные данные свидетельствуют о роли виолаксантинового цикла в защите фотосинтетического аппарата теневыносливого растения от разрушения при избыточном освещении.
А/ща reptans - пигменты - хлорофиллы - каротиноиды - виолаксантин - ксантофилловый цикл -световой стресс
ВВЕДЕНИЕ
Свет функционально необходим для фотосин-тезирующих организмов, трансформирующих и запасающих энергию солнечной радиации в химических связях органического вещества. Вместе с тем, свет является агрессивным фактором, способным вызывать фотодинамическое разрушение фотосинтетического аппарата [1-3]. Избыточное поглощение световой энергии может приводить к повреждению пигмент-белковых комплексов тилакоидных мембран в результате образования активных форм кислорода. Наиболее чувствителен к фотоповреждению пигмент-белковый комплекс ФС II [2, 4].
В процессе эволюции у растений сформировалось несколько линий защиты от светового стресса на структурно-функциональном и молекуляр-но-генетическом уровнях. Особую роль в защите реакционных центров играют каротиноиды хло-ропластов. Они способны эффективно тушить триплетное состояние хлорофилла и свободные
Сокращения: ВКЦ - виолаксантиновый цикл; УППЛ -удельная поверхностная плотность листьев; DEPS - состояние деэпоксидации компонентов виолаксантинового цикла; NPQ - нефотохимическое тушение флуоресценции. Адрес для корреспонденции: Дымова Ольга Васильевна. 167982 Сыктывкар, ГСП-2, ул. Коммунистическая, 28. Институт биологии Коми НЦ УрО РАН. Факс: 007 (8212) 24-01-63; электронная почта: dymovao@ib.komisc.ru
радикалы, возникающие при освещении [5]. Три каротиноида, участвующие в виолаксантиновом цикле (ВКЦ), осуществляют регуляцию светового потока в пигмент-белковых комплексах [6-9]. Ксантофиллы, локализованные в ССК всех фо-тосинтезирующих организмов, участвуют в све-тосборе и защите от фотоингибирования [8, 10]. Главная функция в защите фотосинтетического аппарата от повреждений светом высокой интенсивности принадлежит зеаксантину, который синтезируется при деэпоксидации виолаксантина с образованием в качестве промежуточного соединения антераксантина. Полагают, что зеаксантин осуществляет превращение избытка поглощенной энергии в тепло, предотвращая перенос энергии возбуждения в реакционный центр [1, 5]. Потери энергии поглощенных квантов света в виде теплового излучения и/или в реакциях тушения возбужденного состояния хлорофилла относят к нефотохимическому тушению флуоресценции (№0). В ряде работ отмечено пропорциональное изменение и содержания зеак-сантина [11]. Однако в некоторых случаях корреляции между накоплением зеаксантина и не обнаружено [12, 13].
Ранее нами были изучены изменения анатомо-морфологических и физиолого-биохимических параметров листьев теневыносливого растения живучки ползучей (А]ща reptans Ь.) при адаптации к световому режиму [14-16]. У световых растений, произрастающих на открытой делянке, по-
вышались удельная поверхностная плотность листовых пластинок (в 2.3 раза) и максимальная скорость видимого фотосинтеза в расчете на единицу листовой поверхности (на 20-30%), снижались содержание зеленых пигментов (в 1.3-1.4 раза) и соотношение хлорофиллы/каротиноиды. Изучение световой зависимости С02-газообмена листьев теневых растений, произрастающих под пологом леса, выявило подавление видимого фотосинтеза при ФАР свыше 100 Вт/м2. В отдельных случаях такую же реакцию наблюдали у растений на делянке.
Учитывая тот факт, что при более чем двукратном увеличении удельной поверхностной плотности листьев (УППЛ) скорость видимого фотосинтеза листьев световых растений живучки повышалась незначительно, мы предположили, что при этом активируются защитные механизмы, обеспечивающие диссипацию избытка поглощенной энергии.
Целью работы было сравнительное изучение пигментного аппарата и оценка состояния де-эпоксидации пигментов ксантофиллового цикла в листьях световых и теневых растений А. гвр1ат.
МЕТОДИКА
Теневые растения А]ща reptans Ь. (живучка ползучая) произрастали под пологом елово-оси-нового разнотравного леса, где освещенность в период максимального развития листьев (июль) составляла 5-10% от полной. Световые растения получали путем переноса из леса в коллекционный питомник на открытую делянку, как описано ранее [14]. Полная освещенность на широте Сыктывкара во время проведения опытов в полуденные часы составляла 90 Вт/м2. Опыты проводили 11-12 августа 2004 г., на следующий год после пересадки растений. В экспериментах использовали закончившие рост летнезеленые листья, появившиеся и сформировавшиеся в текущем сезоне. Пробы листьев отбирали с 20-25 типичных растений четыре раза в течение суток.
Фотосинтетические пигменты экстрагировали из свежего растительного материала (150-200 мг) кипящим 100%-ным ацетоном [17]. Содержание хлорофиллов и каротиноидов определяли спек-трофотометрически на приборе ЦУ-1700 ('^Ы-madzu", Япония) в ацетоновой вытяжке при длинах волн 662 и 644 нм (хлорофиллы) [18] и 470 нм (каротиноиды) [19]. Долю хлорофиллов в ССК рассчитывали по методу [20], приняв, что практически весь хлорофилл Ь находится в ССК, а соотношение хлорофиллов а и Ь в этом комплексе составляет 1.2. Антоцианы экстрагировали из листьев 1%-ным раствором соляной кислоты при 45°С в течение 20 мин и определяли спектрофо-тометрически при 510 нм [21].
Часть листовых пластинок высушивали между листами фильтровальной бумаги в полной темноте при комнатной температуре и хранили в морозильной камере при -80°С. Разделение пигментов проводили методом ВЭЖХ с обращенной фазой ("Jasco", Япония) в соответствии с модифицированным методом [13, 22]. Листовые пластинки размельчали в растворителе А (ацетонитрил : метанол : вода в соотношении 72 : 8 : 1) и центрифугировали при 12000 g в течение 5 мин. Суперна-тант отфильтровывали и наносили 100 мкл на колонку Nucleosil C18 с размером частиц 5 мкм, 250 х 40 мм ("Teknokroma", Испания). Пигменты элюировали изократически в течение 40 мин в системе растворителей А и B (метанол : этилацетат в соотношении 68 : 32) со скоростью 2 мл/мин.
Состояние деэпоксидации (DEPS) рассчитывали по [23], как соотношение [(Z + 0.5 An)/(V + + An + Z)], где Z - зеаксантин, An - антераксантин и V - виолаксантин. Коэффициент 0.5 указывает, что An содержит эпокси-группу в одном из двух Р-иононовых колец.
Все измерения проводили в 4-6 биологических и 3 аналитических повторностях. В таблицах и на рисунках приведены средние арифметические величины и их стандартное отклонение. Достоверность различий между вариантами оценивали по /-критерию Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Получена суточная динамика содержания хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов в летнезе-леных листьях растений живучки ползучей, произрастающей под пологом леса и на открытой делянке (рис. 1). Анализ данных показал, что в расчете на сухую массу листья теневых растений отличались от световых существенно более высоким содержанием фотосинтетических пигментов и антоцианов. По сумме хлорофиллов a и b теневые листья превышали световые в 2.5-3 раза, по содержанию каротиноидов - примерно вдвое. Концентрация антоцианов в листьях теневых растений была в среднем в полтора раза выше, чем в световых. У теневых растений выявлены суточные изменения в содержании пигментов. В утренние и дневные часы концентрация хлорофиллов в листьях была на 20-25%, а каротиноидов - на 28% выше, чем в вечернее время.
Различия между вариантами по содержанию хлорофиллов сохранялись и при расчете содержания пигментов на единицу площади листьев (табл. 1). Уменьшение разницы между сравниваемыми величинами является следствием двукратного превышения УППЛ световых листьев над теневыми (табл. 2). Выявлены суточные изменения УППЛ в листьях обоих вариантов, наименьшая величина УППЛ отмечена в полдень.
Как следует из данных табл. 2, у листьев теневых растений проявлялась тенденция к уменьшению соотношения хлорофиллов a/b и повышению доли хлорофиллов, принадлежащих ССК. У световых растений соотношение зеленых и желтых пигментов было достоверно ниже, что свидетельствует об относительно более высоком содержании каротиноидов в фонде фотосинтетических пигментов.
Данные хроматографического определения пигментов иллюстрируют изменения относительного содержания компонентов пигментного аппарата листьев световых и теневых растений (рис. 2). У листьев световых растений в спектре каротиноидов присутствовали антераксантин и зеаксан-тин. При этом доля зеаксантина возрастала к вечеру, а доля антераксантина была выше утром. В листьях теневых растений зеаксантин и антераксантин обнаружены в следовых количествах. Доля ß-каротина и лютеина была выше у листьев световых растений, тогда как в листьях теневых растений накапливалось больше неоксантина.
Оценка состояния деэпоксидации виолаксантина по соотношению [(Z + 0.5 An)/(V + An + Z)] показывает, что деэпоксидированное состояние пигментов ксантофиллового цикла у световых растений было существенно (на порядок выше), чем у теневых (рис. 3). Хотя уровень деэпоксидации пигментов ВКЦ световых растений сохранялся сравнительно высоким на протяжении суток, максимальные значен
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.