ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 4, с. 507-515
УДК 581.1
ТЕРМОИНДУЦИРОВАННОЕ УВЕЛИЧЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ПШЕНИЦЫ К СОВМЕСТНОМУ ДЕЙСТВИЮ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВИДИМОГО СВЕТА. ФИКСАЦИЯ СО2, ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ И УЛЬТРАСТРУКТУРА ХЛОРОПЛАСТОВ
© 2004 г. И. М. Кислюк, Л. С. Буболо, Т. В. Палеева, О. А. Шерстнева
Ботанический институт им. ВЛ. Комарова Российской академии наук, Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 29.10.2003 г.
Прогрев при 42°С листьев 15-дневных растений пшеницы (ТгШеит aestivum Ь.) на свету (370 Вт/м2 ФАР) в 2 раза сильнее подавлял способность к фиксации С02, чем прогрев в темноте. Тепловая закалка (3 ч при 38-39°С) повышала устойчивость фотосинтеза к совместному действию яркого света и высокой температуры, но не влияла на устойчивость к фотоингибированию при 30°С. Закалка не вызывала изменений в содержании и соотношениях фотосинтетических пигментов. Деэпоксидация виолаксантина оказалась более устойчива к фотоингибированию при 42°С, чем фиксация С02. Защитный эффект закалки не связан с накоплением зеаксантина и активацией ксантофиллового цикла. Закалка предохраняла от фотоповреждения, усиленного нагревом, наиболее чувствительную популяцию хлоропластов и одновременно вызывала увеличение числа и длины тилакоидов. Увеличение объема тилакоидной системы происходило также в результате прогревов при 42°С и экспозиции при 30°С на ярком свету. Образование дополнительных тилакоидов и гран "теневого" типа не связано с повышением устойчивости фотосинтеза к температурному и световому стрессам.
ТгШеит aestivum - фотосинтез - фотоингибирование - термостабильность - закалка - тепловой шок - ксантофилловый цикл - структура хлоропластов - тилакоиды
Устойчивость фотосинтетического аппарата к повышению температуры меняется под влиянием освещения. Видимый свет, интенсивность которого превышает насыщающую фотосинтез, даже в благоприятных температурных условиях вызывает фотоингибирование - подавление фотосинтетической активности у растений, выросших при слабом освещении. Высокая температура, подобно другим факторам, подавляющим углеродный метаболизм, ограничивает фотохимическую утилизацию света. В этих условиях свет даже невысокой интенсивности становится "избыточным" и способствует окислительному повреждению фотосинтетического аппарата [1-3].
Предварительный тепловой шок (закалка, краткосрочная тепловая акклимация) повышал устойчивость ФС II к совместному действию нагрева и яркого света [4-6]. В листьях ячменя повышение устойчивости сопровождалось синтезом
Сокращения: БТШ - белки теплового шока; РЦ - реакционный центр.
Адрес для корреспонденции: Кислюк Ирина Марковна. 197022 Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 2. Ботанический институт РАН. Электронная почта: L_bubolo@mail.ru
низкомолекулярных белков теплового шока (БТШ). Инфильтрация листьев циклогексимидом почти полностью уничтожала защитный эффект теплового шока [4]. Однако присутствие цикло-гексимида и хлорамфеникола в листьях картофеля не препятствовало развитию фото- и термостабильности ФС II [5].
Наряду с синтезом стрессовых белков в фото-синтезирующих клетках в экстремальных условиях усиливаются процессы, элиминирующие формы активированного кислорода и свободные радикалы и уменьшающие поступление световой энергии к реакционным центрам (РЦ) ФС II [7, 8]. Когда фотосинтез подавлен, тепловая диссипация поглощенных хлорофиллом квантов, протекающая непосредственно в светособирающих комплексах, становится основным способом расходования энергии возбуждения [9]. По современным представлениям, ключевую роль в этом процессе играет зеаксантин, образующийся в результате деэпоксидации виолаксантина под действием яркого света и снижения рН внутри тилакоидов [7, 10, 11]. Показано, что увеличение пула пигментов ксантофиллового цикла по отношению к хлорофиллу и сумме всех каротиноидов, а также увеличение степени деэпоксидации виолаксанти-
на способствуют подъему устойчивости к фото-ингибированию при низкой температуре [12, 13], засухе, засолении и других неблагоприятных условиях [7].
Имеются данные об увеличении пула пигментов ксантофиллового цикла при адаптации фотосинтетического аппарата к тепловому и световому стрессам. Механизм действия зеаксантина в этом случае основан на увеличении жесткости (снижении текучести) фотосинтетических мембран и повышении их фото- и термостабильности [14-17].
Данные о влиянии температурной акклимации на устойчивость фотосинтетического аппарата к фотоингибированию при нормальной (не повреждающей) температуре противоречивы. Тепловые шоки не вызывали повышения устойчивости ФС II к яркому свету в листьях ячменя [4] и пшеницы [18], однако слабые прогревы листьев гороха существенно повышали устойчивость ФС II к последующему световому стрессу [19]. По данным [20], БТШ 70 участвуют в защите РЦ ФС II хламидомонады от фотоингибирования при комнатной температуре и способствуют восстановлению ее активности.
В задачу настоящей работы входило сравнительное изучение действия прогревов в темноте и на ярком свету, а также экспозиций при "избыточном" освещении и умеренной температуре на фиксацию С02, содержание фотосинтетических пигментов и ультраструктуру хлоропластов в листьях пшеницы. Было изучено действие тепловой закалки на устойчивость фотосинтетического аппарата к этим воздействиям и оценено значение накопления зеаксантина для формирования приобретенной устойчивости фотосинтеза пшеницы.
МЕТОДИКА
Растения озимой пшеницы Triticum aestivum L. сорта Мироновская 808 выращивали в сосудах с листовой почвой в климатической камере при температуре 20/15°С (день/ночь), интенсивности света около 20 Вт/м2 (лампы ДРЛ-250, Россия) и 16-часовом фотопериоде. Опыты проводили с 14-15-дневными растениями. Трехчасовую закалку растений проводили в камере с температурой воздуха 38-39°С и интенсивностью света около 10 Вт/м2 .
Для определения термо- и фотостабильности фотосинтеза отрезанные пластинки первых и вторых листьев помещали на увлажненное дно термостатированной камеры с верхней крышкой из толстого плексигласа и прогревали при 42°С в темноте или на свету - 370 Вт/м2 ФАР (лампа ДРИЗ-400, Россия, с водным фильтром). В этой же камере другие пробы листьев выдерживали при 30°С и 370 Вт/м2 ФАР. После этих воздейст-
вий определяли интенсивность фотосинтеза радиометрическим методом [21, с. 153] по включению 14С (удельная активность 18.5 МБк/л С02) при 1%-ной концентрации С02, температуре 30°С и насыщающей интенсивности света 220 Вт/м2 ФАР (лампа ДРИЗ-400). Продолжительность экспозиции в атмосфере 14С02 составляла 10 мин. В этих условиях мы наблюдали максимальную интенсивность фиксации С02 листьями контрольных и закаленных растений пшеницы [22].
Содержание хлорофиллов а и b определяли на спектрофотометре Specord M40 ("Carl Zeiss", Германия) в 100%-ном ацетоновом экстракте и рассчитывали по формулам [23]. Содержание индивидуальных каротиноидов после разделения методом тонкослойной хроматографии [24] также определяли спектрофотометрически.
Определение интенсивности фотосинтеза и содержания пигментов проводили в 4 независимых опытах с двумя биологическими повторностями. В этих же опытах исследовали ультраструктуру хлоропластов. Высечки из пяти листовых пластинок каждого варианта фиксировали 3%-ным глу-таральдегидом ("Merck", Германия) в 0.1 М фосфатном буфере (pH 7.4) и 2%-ным раствором Os2O4 по общепринятой методике и заливали в смесь аралдита и эпона. Срезы клеток верхнего слоя мезофилла изучали на микроскопе Hitachi H-600 (Япония). Морфометрические измерения проводили на микрофотографиях срединных срезов 25-35 хлоропластов (х 48000) каждого из вариантов. Протяженность мембран определяли с помощью планиметра.
На рисунках и в таблицах приведены средние арифметические значения и их стандартные ошибки. Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента при 95%-ном уровне значимости.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Фотосинтез
На рис. 1 представлено последействие прогревов при 42°С на фотосинтез листьев пшеницы. Интенсивность фотосинтеза листьев контрольных растений после 10-, 30- и 60-минутных прогревов в темноте составила соответственно 68, 46 и 31% от исходной величины (кривая 1). Такие же прогревы, но при интенсивности света 370 Вт/м2 ФАР, значительно превышающей насыщающую фотосинтез, вызвали в среднем в 2 раза более сильное подавление фотосинтеза - до 34, 19 и 15% от исходной величины (кривая 2).
Прогрев растений при 38-39°С в течение 3 ч (тепловая закалка) приводил к 10%-ному подавлению максимальной интенсивности фотосинтеза и одновременно - к повышению его устойчивости к прогревам в темноте (кривая 3) и на свету
О О о к к о
и
о ч и О
С
20
15-
10-
5
О О о к к о
и
о ч и О
С
26? 24; 22 18 16 14
0 30 60 90
Продолжительность предварительного освещения при 370 Вт/м2, мин
0 10 20 30 40 50 60 Продолжительность прогрева при 42°С, мин
Рис. 1. Последействие прогревов в темноте (1 и 3) и при 370 Вт/м2 (2 и 4) на фотосинтез листьев пшеницы. 1,2 - контрольные (незакаленные) растения; 3,4 - закаленные (3 ч при 38-39°С) растения. Фотосинтез измеряли при 30°С, 220 Вт/м2 ФАР и 1% С02.
(кривая 4). Интенсивность фотосинтеза листьев закаленных растений, прогретых в темноте в течение 10, 30 и 60 мин, составила соответственно 94, 76 и 68%, а прогретых при 370 Вт/м2 - 73, 55 и 44% от исходной величины. Интенсивность фотосинтеза листьев закаленных растений, прогретых на свету, совпадала с интенсивностью фотосинтеза листьев контрольных растений, прогретых в темноте. Сравнение полученных кривых показывает, что повреждающее действие света у закаленных растений было выражено слабее, чем у контрольных. Эффект закалки можно выразить как соотношение интенсивности фотосинтеза закаленных и контрольных листьев после прогрева. После прогревов в темноте в течение 10, 30 и 60 мин эти отношения составили соответственно 1.3, 1.5 и 2.0; после прогревов при 370 Вт/м2 - 2.0, 2.6 и 2.7. Приведенные данные подтверждают, что в результате тепловой закалки устойчивость к прогревам на свету повышалась в большей степени, чем к прогревам в темноте.
Вместе с тем тепло
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.