ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2007, том 54, № 6, с. 833-840
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
ВЛИЯНИЕ НЕДОСТАТКА ФОСФОРА НА ПАРАМЕТРЫ ФОТОСИНТЕЗА У РАСТЕНИЙ РИСА
© 2007 г. X. С. Су*' **, С. Я. Вэн*, Я. Ян*
* Колледж естественных наук, Чжейанъский университет, Хангжоу, Китай ** Институт садоводства, Чжейанъская селъскохозяйственная академия, Хангжоу, Китай
Поступила в редакцию 26.08.2006 г.
Изучали влияние недостатка фосфора на параметры фотосинтетического аппарата у проростков риса (Oryza sativa L.), измеряемые каждые 8 дней после начала эксперимента. Недостаток Р приводил к подавлению видимого фотосинтеза (Фв) в растениях риса. В течение первых 16 дней фосфорное голодание слабо влияло на максимальную эффективность фотохимических реакций (Fv/Fm), эффективный квантовый выход ФС II (фФсп), скорость транспорта электронов (СТЭ), а также фотохимическое тушение флуоресценции (qP), но заметно снижало эффективность поглощения энергии возбуждения реакционными центрами ФС II (F^ / F^). Вместе с тем, в листьях растений, подвергнутых стрессу, мы наблюдали заметное увеличение нефотохимического тушения флуоресценции (qN), а также активацию супероксиддисмутазы и аскорбатпероксидазы. Известно, что при кратковременном фосфорном голодании растения вырабатывают ряд защитных механизмов, предотвращающих фотоингибирование. Поэтому такой стресс не влиял заметно на функционирование ФС II. При более длительном фосфорном голодании накапливается избыток энергии возбуждения, с которым не справляются защитные механизмы. При отсутствии фосфора в среде выращивания растений риса дольше 16 дней мы наблюдали более быстрое снижение фФСд, СТЭ и qP, чем в контрольных растениях, хотя qN было все еще выше в растениях, подвергнутых стрессу. Эти результаты соответствовали данным о распределении энергии возбуждения. Избыток энергии приводил к накоплению активных форм кислорода, что могло вызывать дальнейшие нарушения в функционировании ФС II.
Ключевые слова: Oryza sativa - параметры фотосинтеза - недостаток фосфора - флуоресценция фотосинтеза - механизмы фотопротекции.
ВВЕДЕНИЕ
Во многих районах мира фосфор является основным фактором среды, определяющим рост и урожай сельскохозяйственных культур. Чаще
Сокращения: АскП - аскорбатпероксидаза; АФК - активные формы кислорода; СТЭ - скорость транспорта электронов; НСТ - тетразолий нитросиний; РуБФ - 1,5-рибуле-зо-5-бисфосфат; СОД - супероксиддисмутаза; Фв - видимый фотосинтез; Хл - хлорофилл; C; - концентрация CO2 в межклетниках; Fv/Fm - максимальная эффективность фотохимических реакций с ФС II; F!v /F^ - эффективность поглощения энергии реакционными Центрами ФС II; D - фракция света, поглощаемого антенной ФС II и рассеиваемого в виде тепла; P - фракция света, поглощаемого антенной ФС II и используемого в ее фотохимии; Ex - избыток энергии, не рассеивающейся в виде тепла и не используемой в фотохимических реакциях; PPFD - плотность фотонов падающего света в области ФАР; qP - фотохимическое тушение флуоресценции; qN -нефотохимическое тушение флуоресценции; gs -устьичная проводимость; Ффсп - эффективный квантовый выход ФС II.
Адрес для корреспонденции: X.Y. Weng. State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry, College of Life Science, Zhengjiang University, Hangzhou, Zhejiang, 310058 China. E-mail: xyweng@zju.edu.cn
всего он присутствует в труднодоступных для растений формах. Фосфор важен для роста и метаболизма растений. Неорганический фосфор (Р;) в клетке регулирует активность ферментов, пути метаболизма и процессы транспорта веществ. Фосфор влияет на разные аспекты фотосинтеза [1]. Ряд исследователей показал, что недостаток фосфора заметно подавлял способность растений к ассимиляции С02 [2-4].
Подавление фотосинтеза недостатком фосфора часто объясняют ингибированием цикла Кальвина, в частности, снижением количества и активности Рубиско [5-7] и регенерации 1,5-рибулезо-5-бисфосфата (РуБФ) [2, 6, 8-10]. Фотосинтез -наиболее важный акцептор энергии, поглощаемой листьями. Поэтому при сильном подавлении ассимиляции С02 в условиях недостатка фосфора фотосинтетический аппарат оказывается подверженным вредному влиянию избытка энергии. В одних исследованиях было показано, что недостаток фосфора мало влиял на фотохимический аппарат сахарной свеклы [11] и фасоли [12], но в других недостаток фосфора приводил к фотоин-
гибированию и повреждению ФС II [13, 14]. Такие противоречивые результаты, очевидно, связаны с тем, что конечный эффект зависел от силы стресса и от влияния других факторов. В этих условиях для защиты фотосинтетического аппарата от повреждений, вызванных светом, необходимо рассеивание избытка фотонов и электронов. Niyogi [15, 16] в своих обзорах рассмотрел разнообразные защитные механизмы, развитые в хлоропла-стах для предотвращения потенциальных повреждений, вызываемых избытком энергии. Однако немногое известно о защитных механизмах, функционирующих в растениях при недостатке фосфора.
В последнее время для исследования различных стрессов и болезней, влияющих на фотосинтетический аппарат, начали использовать неин-вазивные методы, такие как измерения флуоресценции хлорофилла [17-20]. Такие подходы можно использовать для изучения ответных реакций хлоропластов на разные стрессы, в том числе на недостаток фосфора [11-14]. Однако пока проводимых системных исследований в этой области явно недостаточно. В данной работе мы провели количественный анализ влияния недостатка фосфора на фотосинтетический аппарат проростков риса.
МЕТОДИКА
Растительный материал и условия выращивания. Семена риса (Oryza sativa L. sp. indica, сорт Zhenong 966) проращивали, и проростки растили по методу Jiang с соавт. [21]. Одинаковые по стадии развития растения (с тремя выросшими листьями) пересаживали в 10-литровые пластиковые сосуды с полной питательной средой, содержавшей 0.3 мМ KH2PO4, и выращивали их на открытом воздухе (Hua-jia-chi Campus, Чжейань-ский университет). Дважды в неделю обновляли питательный раствор, рН регулярно подводили до 5.0-5.2. После того, как вырастало 7 листьев, растения делили на две группы: контрольные растения (выращенные на полной питательной среде) и опытные растения (выращенные на питательной среде без фосфора). Каждые 8 дней на 6-м листе главного стебля проводили все измерения параметров фотосинтеза и флуоресценции хлорофилла. После измерений листья отрезали, замораживали в жидком азоте и хранили при -80°С вплоть до проведения биохимических анализов.
Измерения газообмена и флуоресценции хлорофилла. Газообмен измеряли с помощью переносной LIC0R-6400 системы ("Li-Cor", США). Все измерения параметров фотосинтеза проводили при постоянной скорости тока воздуха, равной 500 мкмоль/с. Концентрация CO2 была равна 385 ± 5 мкмоль/моль, а температура - 28 ± 2°С. Скорость видимого фотосинтеза (Фв), устьичную
проводимость для воды и концентрацию С02 в межклетниках (С;) измеряли при насыщающем освещении (PPFD = 1000 мкмоль/(м2 с)).
Параметры флуоресценции хлорофилла (Хл) измеряли с помощью интегрирующего флуоресценцию флуорометра LI-6400-40 ('ЪьСог"). Образцы адаптировали к темноте в течение 1 ч, а затем измеряли фоновый уровень флуоресценции (Р0) при слабом освещении (<0.1 мкмоль/(м2 с)). Для определения максимальной флуоресценции (Рт) и отношения Fv/Fm давали 600-миллисекунд-ную вспышку насыщающего освещения (>7000 мкмоль/(м2 с)). Сразу после этого лист длительно освещали насыщающим светом (1400 мкмоль/(м2 с)) и через 30 мин, необходимых для установления равновесия, определяли Fs. Затем давали следующую вспышку насыщающего света (>6000 мкмоль/(м2 с)) и определяли Р*Ш. После этого лист освещали дальним красным светом и определяли F0. Остальные параметры флуоресценции определяли по формулам [22]: эффективный квантовый выход ФС II фФСП = (FШ -
- Fs)/Fm ; фотохимическое тушение qP = (FШ -
- Fs)/(FШ - F0) и эффективность поглощения энергии реакционными центрами ФС II FV / FШ = = (- F0 /Fm). Нефотохимическое тушение флуоресценции и скорость транспорта электронов (СТЭ) подсчитывали по способу
В^ег и Bjбrkman [23]: qN = Fm/FШ - 1; СТЭ =
= (FШ - Fs)/FШ/Илист, где I - PPFD, /- фракция поглощенного света, используемого ФС II (0.5 для С3-растений) и Алист - свет, поглощенный листом. Для анализа фракций энергии возбуждения мы использовали три производных параметра флуоресценции Хл: D = 1 - FV/Я*Ш - фракция энергии фотонов, поглощаемых антенной ФС II и рассеиваемой в виде тепла; Р = qP FV /FШ - фракция энергии фотонов, поглощаемых антенной ФС II и используемых для фотосинтетического транспорта электронов; Ех = FV /(1 - qP) - фракция избыточной энергии возбуждения, не рассеиваемой в антенне ФС II и не используемой для фотохимии [24].
Определение содержания пигментов в листьях. Содержание хлорофиллов и каротиноидов в контрольных и опытных листьях проростков риса определяли в экстрактах, приготовленных в 80%-ном ацетоне, на спектрофотометре ЦУ-1201 ("Shimadzu", Япония) [25].
Приготовление экстрактов ферментов и определение их активности. Для приготовления экстрактов образцы растительного материала (0.6 г
листьев без средних жилок) тщательно растирали в охлажденной ступке, помещенной в ледяную баню, с 12 мл среды для растирания (50 мМ калий-фосфатный буфер, рН 7.8, содержавший 0.1 мМ ЭДТА). Гомогенат центрифугировали 20 мин при 15000 g при 4°С, и супернатант использовали для определения активности ферментов.
Активность супероксиддисмутазы (СОД) определяли фотохимически с тетразолием нитросиним (НСТ) по методу Beauchamp и Fridovich [2б]. Грубый экстракт листьев (25 мкл) добавляли к 3 мл реакционной среды, содержавшей 50 мМ калий-фосфатный буфер, рН 7.8, 0.1 мМ ЭДТА, 13 мМ метионин, 63 мкМ НСТ и 1.3 мкМ рибофлавин, и освещали при 25°С. Одна единица активности СОД соответствовала количеству фермента, ин-гибирующего восстановление НСТ на 50%, измеренное по поглощению при 560 нм.
Активность аскорбатпероксидазы (АскП) определяли по несколько модифицированному методу Nakano и Asada [27]. Реакционная среда (4 мл) содержала 3.4 мл 50 мМ фосфатного буфера, рН 7.0, 200 мкл 20 мМ H2O2, 200 мкл 5 мМ аскорбиновой
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.