ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 6, с. 905-912
УДК 581.1
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ТИЛАКОИДОВ У ГАЛОФИТА Зыаейа аШББША Ь. В НОРМЕ И ПРИ НАРУШЕНИИ ВОДНО-СОЛЕВОГО РЕЖИМА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЭКСТРЕМАЛЬНО ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ШС1
© 2004 г. Ю. В. Балнокин, Е. Б. Куркова, Н. А. Мясоедов, Р. В. Луньков, Н. 3. Шамсутдинов*, Е. А. Егорова, Н. Г. Бухов
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва * Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А Н. Костикова Российской академии сельскохозяйственных наук, Москва Поступила в редакцию 13.10.2003 г.
На растениях галофита Быавйа аЫ$$1ша Ь., выращенных в водной культуре при различных концентрациях №С1 в среде, изучали ультраструктуру хлоропластов и их функциональное состояние, которое оценивали по параметрам флуоресценции хлорофилла. Исследовали также влияние №С1 на рост, а также содержание К+ и воды в органах 5. altissiшa. В широком диапазоне наружных концентраций соли (0-750 мМ №С1) растения 5. аШззша поддерживали ультраструктуру хлоропластов и фотосинтетическую функцию в интактном состоянии. Нарушения ультраструктуры тилакоидов и сопровождающее их возрастание нефотохимического тушения возбужденных состояний хлорофилла наблюдали лишь в случае предельно высокой концентрации №С1 в среде (1 М), приводящей к нарушению функции ионного гомеостатирования и снижению содержания воды в тканях.
Быавйа аШззша - хлоропласты - ультраструктура - фотосинтетическая функция - ИаС1 -солеустойчивость
Галофиты рода Suaeda широко используются для изучения механизмов солеустойчивости растений [1-4]. Их высокая устойчивость к солям в среде обитания, возможность культивирования на гидропонике и получения за относительно короткий период времени необходимого для биохимических исследований количества биомассы, а также способность давать полноценные семена в водной культуре сделали растения этого рода модельным объектом для решения ряда задач физиологии солеустойчивости.
На различных видах Suaeda исследовали в основном механизмы транспорта ионов в клетках и организацию водного обмена в целом растении. С помощью рентгеновского микроанализа было продемонстрировано распределение ионов Na+, K+ и Cl- в различных компартментах клеток коры корня S. maritima [2]. Установлено, что цитоплаз-
Сокращения: NPQ - нефотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла, дР - коэффициент фотохимического тушения флуоресценции хлорофилла, QA - первичный акцептор ФС II.
Адрес для корреспонденции: Балнокин Юрий Владимирович. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 007 (095) 977-80-18; электронная почта: ba1nokin@ippras.ru
матические концентрации Na+ и Cl- поддерживаются на уровне в несколько раз более низком, чем концентрации этих ионов в вакуолях. На выделенных из листьев S. salsa везикулах тонопласта было показано, что при выращивании растений на растворах с хлористым натрием происходит увеличение активности вакуолярной Н+-АТФазы (V-АТФазы), которая связана со стимуляцией биосинтеза фермента [4]. Авторы высказали предположение, что высокая активность V-АТФазы в условиях солевого стресса необходима для энергизации мембраны и стимуляции таким образом переноса ионов из цитоплазмы в вакуоль. В исследованиях ультраструктуры клеток S. arcuata обнаружили зависимый от уровня почвенного засоления процесс пиноцитоза и его вовлечение в перенос ионов из апопласта в вакуоль, минуя цитоплазму [3]. Измерения осмотического потенциала психрометрическим методом и тур-горного давления методов зонда клеточного давления выявили в листьях S. maritima наличие градиента водного потенциала, направленного из нижних ярусов листьев к верхним [1], что необходимо для поддержания водного тока в растении в восходящем направлении. Можно предположить, что способность растения в условиях засоления поглощать воду и поддерживать ионный
и водный гомеостаз в клетках обеспечивает целостность структурных компонентов клеток и нормальное протекание реакций метаболизма.
Основная задача, решавшаяся в настоящей работе, состояла в демонстрации способности гало-фита S. altissima поддерживать ультраструктуру хлоропластов и фотосинтетическую функцию в интактном состоянии в условиях широкого диапазона наружных концентраций NaCl.
МЕТОДИКА
Растительный материал. Семена S. altissima L. были собраны в естественном местообитании этих растений в окрестностях пос. Соленое Займище Астраханской обл. Их проращивали во влажном песке, и на 15-е сутки проростки высаживали на аэрируемый раствор Robinson и Down-ton [5], содержащий NaCl в указанных в тексте и на рисунках концентрациях. Растения выращивали в оранжерее ИФР РАН (Москва) в период с марта по июнь при естественном освещении и температуре воздуха в пределах 20-27°С. В экспериментах использовали растения 45-50-дневного возраста.
Определение содержания Na+ и K+ в органах.
Листья или корни растений высушивали при 105°С и измельчали до порошкообразного состояния. Из полученного материала водной экстракцией при 100°С извлекали соли, и концентрации Na+ и K+ определяли с помощью пламенного фотометра ("Karl Zeiss", Германия). Содержание ионов рассчитывали на сырую биомассу органа.
Электронно-микроскопические исследования.
Сегменты органов растений размером приблизительно 2 мм фиксировали 3%-ным глутаровым альдегидом с последующей дофиксацией 1%-ным OsO4. Фиксирующие растворы готовили на 50 мМ кокадилатном буфере, pH 7.0, с добавлением NaCl в концентрациях, равных концентрациям NaCl в соответствующих средах культивирования. Фиксированные образцы заливали смесью эпоксидных смол аралдита и эпона. Ультратонкие срезы растительного материала получали с помощью ультратома Reichert (Австрия). Срезы на сеточках контрастировали уранилацетатом и цитратом свинца и просматривали в электронном микроскопе JEM-100x (Япония).
Регистрация параметров флуоресценции хлорофилла. Флуоресценцию хлорофилла измеряли с помощью специализированного флуориметра PAM-2000 ("Waltz, Effeltrich", Германия) с использованием модулированного возбуждающего света [6]. Флуоресценцию хлорофилла возбуждали красным модулированным светом с длиной волны 650 нм. Красный действующий свет с длиной волны 655 нм получали от светодиодов. Отношение переменной части флуоресценции хлорофил-
ла к его максимальной флуоресценции измеряли, освещая адаптированные к темноте листья 1-се-кундным импульсом белого света интенсивностью 7800 мкмоль квантов/(м2 с). Для расчета этого отношения использовали стандартную приборную программу "Run 2". После измерения отношения переменной части флуоресценции к ее максимальному уровню листья освещали действующим светом определенной интенсивности и периодически подаваемыми 1-секундными импульсами мощного белого света до тех пор, пока максимальный уровень флуоресценции не переставал изменяться. Обычно это достигалось через 10-15 мин после смены интенсивности действующего света. Коэффициент фотохимического тушения флуоресценции хлорофилла (qP) определяли, согласно van Kooten и Snell [7]. Величину нефотохимического тушения (NPQ) рассчитывали по уравнению Штерна-Фольмера [8].
Статистика. На графиках приведены средние арифметические значения из 3-4 независимых экспериментов, каждый из которых был проведен в 3-кратной аналитической повторности, и их стандартные ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование влияния NaCl на рост и содержание Na+, K+ и воды в органах показало, что S. altissima представляет собой типичный соленакап-ливающий галофит, способный расти и поддерживать водно-солевой баланс в тканях при высоких концентрациях соли в среде. Оптимальной концентрацией NaCl в среде для нарастания биомассы является 250 мМ, однако S. altissima способна расти как при гораздо более высокой солености среды, так и в отсутствие NaCl в куль-туральной среде (рис. 1).
О способности S. altissima аккумулировать ионы Na+ свидетельствуют данные (рис. 2а), демонстрирующие влияние различных концентраций NaCl в среде культивирования на содержание Na+ в листьях и корнях этих растений. Представленные на графиках значения отражают среднее содержание ионов в органах в расчете на сырую биомассу. Сумма цитоплазматического и экстра-целлюлярного объемов у Suaeda составляет лишь ничтожно малую долю от общего объема тканей в органах, а концентрации Na+ в цитоплазме и апопласте ниже, чем концентрации Na+ в вакуолях [2]. Поэтому можно принять, что представленные на графиках (рис. 2) значения являются средними концентрациями этого иона в вакуолях. Na+ накапливается тем сильнее, чем выше наружные концентрации NaCl. Существенно, что содержание Na+ в вакуолях клеток корневой системы даже при самых высоких наружных концентрациях соли не превышало 300 ммоль/кг сырой массы органа, тогда как содержание Na+ в вакуолях кле-
3 г
01- 1-1-1-1-
0 250 500 750 1000
Концентрация №0, мМ
Рис. 1. Зависимость биомассы органов 5. altissima от
концентрации №С1 в среде культивирования.
1 - листья, 2 - корни.
ток листьев достигало 1000 ммоль/кг. Зависимость аккумуляции Ка+ от наружной концентрации соли и более заметное накопление Ка+ в листьях, чем в корнях могут быть интерпретированы с точки зрения водного режима растения. Для поглощения воды корнями и транспорта ее в листья водный потенциал должен снижаться в направлении почва-корень-побег. Можно считать, что у соленакапливающих галофитов аккумуляция Ка+, а также, по-видимому, и С1-, вносит существенный вклад в поддержание градиента водного потенциала в указанном направлении. В связи с этим следует отметить, что по отношению к поглощаемым ионам Ка+ корни являются скорее транзитным органом, а конечным депо для основной массы этого иона являются вакуоли клеток листьев.
В диапазоне наружных концентраций КаС1 от 0 до 500 мМ концентрация Ка+ в листьях существенно превышала наружные концентрации соли (рис. 2а), свидетельствуя о том, что накопление Ка+ (вместе с анионами) обеспечивает поддержание в клетках этого органа водного потенциала на более низком уровне, чем в среде. При наружных концентрациях соли 750 и 1000 мМ концентрации
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.