CC BY
83
ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ РЕАКЦИЯ РАСТЕНИЙ НА РАЗЛИЧИЯ В МИНЕРАЛЬНОМ ПИТАНИИ
®2010 Магомедова М.Х.-М., Алиева М.Ю.
Прикаспийский институт биологических ресурсов ДНЦ РАН
Рассмотрены возможности применения показаний замедленной флуоресценции для оценки реакции растений на различия в минеральном питании и выявления устойчивости их к факторам внешней среды. Установлено, что показания замедленной флуоресценции раньше, чем показатели фотосинтетической активности, информируют о наличии воздействия на растение стресс-фактора.
The authors of the article considered the using possibilities of the delayed fluorescence display for the estimation of the plant reactions for the differences in the mineral feeding and revealing their resistance to the environmental factors. They found that the delayed fluorescence display earlier than the factors of the photosynthetic activity inform on the fact is is influenced by the stress-factor.
Ключевые слова: время темновой адаптации, замедленная флуоресценция, минеральное питание, фотосинтетическая активность.
Keywords: dark adaptation time, delayed fluorescence, mineral feeding, photosynthetic activity.
Успешное проведение
экологического мониторинга
возможно при наличии источника информации для ранней диагностики нарушения состояния клетки при внешних воздействиях.
Принципиально важно получить эту информацию задолго до того, как результат внешних воздействий на организмы проявится в видимых признаках, таких как изменение формы и задержка роста клеток, уменьшение численности клеточной популяции и общей биомассы. Отвечающие этим требованиям современные биофизические методы экспресс-диагностики состояния клеток основаны на регистрации начальных нарушений клеточного метаболизма в основном на мембранном уровне организации клетки.
Наибольшее развитие в последние годы получили различные спектральные и люминесцентные методы диагностики состояния окружающей среды. Сейчас во многих лабораториях, занимающихся разработкой новых методов
экологического мониторинга,
исследования в этом направлении интенсивно развиваются [2, 4].
Несомненно, им принадлежит
большое будущее, поскольку они обеспечивают раннюю экспресс-
диагностику состояния клеток в
природных условиях.
Растения по мере роста и
развития и изъятия ими ресурсов из среды часто испытывают дефицит тех или иных биогенов. Недостаток в минеральном питании может не только тормозить рост растений, но и вызывать целый ряд адаптивных перестроек, обеспечивающих
выживание в неблагоприятных условиях. Мы познакомимся кратко, не вдаваясь детально в механизмы фотосинтеза, с возможностями флуоресцентного метода
диагностирования реакций
фотосинтетического аппарата на различия в минеральном питании растений. Целью нашей работы являлось выявление наличия или отсутствия различий в показаниях интенсивности замедленной
флуоресценции (ЗФ) и
фотосинтетической активности (ФА) растений на ранних стадиях развития при различном времени темновой адаптации, а также установить, при какой длительности темновой адаптации наиболее наглядно проявляются различия в
интенсивности ЗФ и ФА растений, культивированных на разных средах (вода, песок, почва).
Материал и методы
Объектом изучения служили листья третьего снизу яруса 14-суточных проростков гороха (Pisum sativum L.) сорта «Альфа». Растения проращивались в условиях водной, песчаной и почвенной культуры в вегетационных сосудах на светоплощадке: освещенность 15кЛк, светопериод 14 часов. Темновой период увеличивался на 30 сек от предыдущего измерения (с 30 сек до 25 мин) для каждой среды. Средняя температура воздуха составляла 25±6°С, влажность воздуха 70-80%.
В данной работе темновой уровень флуоресценции хлорофилла при открытых реакционных центрах (F0) определяли у адаптированных к темноте растений. При
дополнительном кратковременном освещении интенсивным постоянным светом, которое вызывает переход всех хинонных акцепторов ФС2 в восстановленное состояние
(закрытое состояние реакционных центров ФС2), регистрировали максимальный выход
флуоресценции (Fm). В ходе экспериментов эффективность
использования света в реакциях фотосистемы 2 определяли как отношение переменной
флуоресценции (Ру=Рт-Р0) к максимальной - Р/Рт [6].
Исследуемый образец
выдерживали в темноте 5 мин, после чего измеряли Ро, освещая образец импульсным светом. Затем включали постоянный насыщающий свет и измеряли новый, увеличенный уровень импульсов флуоресценции, возбуждаемой зондирующим светом -Рт. Стационарную (Р0), вариабельную (Ру) и максимальную (Рт) флуоресценцию регистрировали с помощью однодискового
фосфороскопа на установке нашей конструкции [2] с регистрацией свечения в отраженных лучах. Каждый опыт проводили в 5-10 аналитических повторностях.
Результаты и обсуждение
При увеличении времени
темновой адаптации растений нами обнаружены общие закономерности изменения параметров
флуоресценции с увеличением фотосинтетической активности (Рт-Ро/Рт) И изменением МЭКСИМЭЛЬНОЙ флуоресценции (Рт) растений,
культивированных на водной, песчаной и почвенной средах. У растений гороха,
культивировавшихся на одной и той же среде, показатель фоновой флуоресценции (Р0) держится на относительно одинаковом уровне (рис. 1). До начала
экспериментального увеличения времени темновой адаптации все растения росли при одинаковой
освещенности, температуре и отбирались одного возраста (14-дневные). Различие в Р0 наблюдалось только в зависимости от среды культивирования (вода, песок, почва). Р0 является показателем суммарного содержания светособирающих пигментов
фотосинтетического аппарата
растений. Из литературы [1, 3]
известно, что при достаточном
минеральном питании в растениях увеличивается содержание
пигментов, повышается активность фотосинтеза.
. Песок
Почва
. Вода
Т. а. (мин).
Рис. 1. Фоновая флуоресценция растений гороха, культивировавшихся на разных питательных средах при увеличении времени темновой
адаптации
Нами выявлено (рис. 1), что наибольшее значение Р0 у растений, культивировавшихся на песчаной среде, среднее - на водной среде и меньше всего на почвенной среде. Максимальное значение Р0 на песке обусловлено ингибированием
переноса электронов от феофитина на хинон Оа в РЦ ФС2 [5]. Наименьшее значение Р0 у растений
с почвенной среды свидетельствует о более успешном и беспрепятственном переносе
электронов на этом участке ФС2.
Изменение значения Ру растений, проросших на водной среде при увеличении времени темновой адаптации, происходит за счет роста значений Рт (рис. 2).
Рис. 2. Интенсивность флуоресценции растений гороха, культивированных на водной среде при увеличении времени темновой адаптации
При этом рост значения Рт происходит с увеличением времени темновой адаптации и чем выше оно, тем выше значение, максимальной
флуоресценции (Рт) и, соответственно, значение р, растет.
Значения р, у растений, выросших на песчаной среде при увеличении времени темновой адаптации, также
меняются за счет изменения значений Рт (максимальной флуоресценции), так как значение фоновой флуоресценции (Р0) держится
практически на одном уровне перед измерениями при всех значениях времени темновой адаптации (рис. 3).
ф
i
н
о
CL
О
■&
Т.а.мин
■ Fm
■ Fv
Рис. 3. Интенсивность флуоресценции растений гороха, культивированных на песчаной среде при увеличении времени темновой адаптации
Рост значения Fv начинается со времени темновой адаптации от 9 до 14 мин, при дальнейшем увеличении времени темновой адаптации происходит подавление
интенсивности замедленной
флуоресценции, с 21 мин и дольше спад продолжается. Снижение интенсивности Fv, определяет
подавление активности ФС2 и
сопряжено с ингибированием переноса заряда между
реакционным центром P6so и феофитином (Phe), т.е. с локализацией повреждения в РЦ ФС2 и нарушением фототрофной функции [4].
На почвенной среде при увеличении времени темновой
адаптации происходит плавный рост значений Ру также за счет роста показаний Рт (рис. 4). По сравнению с растениями, выросшими на водной среде, на почвенной среде наблюдаются меньшие значения Полученные данные показывают, что различия среды культивирования существенно изменяют уровень флуоресценции растений гороха после индукции светом
адаптированных к темноте растений, что меняет и характер поведения кривых.
Сравнительный анализ индукции ЗФ растений гороха в зависимости от среды, в которой проращивалось растение, и длительности темновой адаптации отображен на рисунке 4.
12345678911 111 1111 1222222
ввод впесо нпочв Т.а.,
Рис. 4. Зависимость интенсивности ЗФ от среды прорастания и продолжительности темнового периода
Интенсивность ЗФ растений, выросших на водной среде, наименее богатой минеральными элементами, заметно выше, чем у растений, выросших на песке и почве. ЗФ растений, выросших на почве и песке, приблизительно на одном уровне и на порядок ниже этих же показателей растений, выросших на водной среде.
Возможно, в растениях, выросших на песке и почве, фотосинтез более защищен от обратных переходов электрона от первичного акцептора в реакционный центр, вследствие чего возникает флуоресценция. В условиях дефицита минерального питания (водная среда) снижается эффективность работы реакционных центров фотосистемы 2 растений, главным образом за счет увеличения фоновой флуоресценции (Р0). В средах, более богатых питательными элементами (песок, почва), параметры переменной
флуоресценции (р,) увеличиваются за счет уменьшения Р0. Различия в динамике флуоресцентных
параметров растений,
культивировавшихся на разных минеральных средах, наиболее ярко стали проявляться при увеличении времени темновой адаптации растения выше 4-6 мин (рис. 5). При этих длительностях темновой адаптации, возможно, уже включаются процессы темновой стадии фотосинтеза - биохимия, для протекания которых необходимы наиболее качественные
составляющие фотосинтетического аппарата.
К внезапному включению света растительные механизмы
фотосинтетических переходов
генетически не готовы, так как в природе эти переходы - «свет -темнота» и наоборот происходят плавно. Резкое включение света после длительной темновой
адаптации для растения в нашем случае является стрессом, и в этих «некомфортных» условиях наиболее ярко можно пронаблюдать
зависимость выхода ЗФ растений от условий культивирования.
С[
ф
I
Н
О
"Е
и_
и_
<
е
2 3 4
□ вода
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
□ песок
О почва
Т.а., МИН.
Рис. 5. Зависимость фотосинтетической активности растений от
среды
прорастания и продолжительности темновой адаптации
На рисунке 6 отражена
зависимость фотосинтетической активности растений гороха от минерального питания и
длительности темновой адаптации. Как видно из рисунка, у растений гороха, выращенных на разных средах, при увеличении времени темновой адаптации заметных
отличий в фотосинтетической активности не наблюдалось и держалось на приблизительно одном уровне. Незначительные отличия в уровне фотосинтетической активности этих растений появляются при увеличении времени темновой
адаптации до 23-24 мин и дольше. Однозначно, что природа обеспечила фотосинтез (один из самых жизненно важных функций растения)
генетическими механизмами
поддержания его уровня в пределах нормы, необходимой для выживания растения в неблагоприятных условиях. И по показаниям активности фотосинтеза, как видно из рисунка 6,
делать какие-либо смелые
предположения о присутствии реакции растения на экстремальные факторы среды мы еще не можем, тогда как отличия в замедленной флуоресценции появлялись при значительно меньшем времени - с 4-6 мин темновой адаптации. Почти при всех длительностях темновой
адаптации наименьшее значение
фотосинтетической активности
наблюдается у растений, культивировавшихся на песке, так как
значение Р0 выше, чем в остальных средах.
Таким образом, приведенные выше данные доказывают, что использование параметров
флуоресценции позволяет с высокой эффективностью оценивать степень голодания клеток растений и регистрировать изменение их состояния при появлении изменений в среде культивирования и тем самым прогнозировать возможные отклонения в ростовых процессах растений. Анализируя результаты наших экспериментов, мы можем утверждать возможность
фиксировать ранние стадии разлада в работе фотосинтетического аппарата методом измерения показаний ЗФ, тогда как по показаниям фотосинтетической активности признаки этого разлада
еще практически не заметны.
Замедленная флуоресценция
является более тонким,
чувствительным инструментом
обнаружения нарушений в состоянии окружающей среды, целостности
самого растения и процессов,
протекающих в нем. Познание механизмов фотосинтетической деятельности растений посредством ЗФ предоставляет нам источник информации для экспресс-
диагностики состояния клеток, дает возможность оценивать и прогнозировать на ранних стадиях возможные нарушения
фотосинтетических процессов в
неблагоприятных условиях внешней
среды, которые являются сигналом изменения экологической ситуации в
целом.
Примечания
1. Горышина Т. К. Фотосинтетический аппарат растений и условия среды. Л. : Изд-во Ленинградского университета, 1989. 204 с. 2. Маммаев А. Т. Флуоресценция растений при экстремальных условиях экологических воздействий // Биофизические методы изучения растений, микроорганизмов и почв / под ред. А. Т. Маммаева. Махачкала : Наука, 2007. 149 с. 3. Мокроносов А. Т., Гавриленко В. Ф. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты: Учебник. М. : Изд-во МГУ, 1992. 320 с. 4. Сааков В. С. Материалы к обоснованию энергетических основ теории устойчивости аппарата фотосинтеза клеток Procaryota и Eucariota // Вестник Башкирского университета. 2001. № 2. С. 73-76. 5. Чемерис Ю. К., Шендерова Л. В., Венедиктов П. С. Изменение параметров фотосинтетического аппарата Chlorella в процессах развития и голодания по азоту // Физиология растений. 1983. Т. 30. № 3. 226 с. 6. Genty В., Briantais J. М., Baker N. R. Relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence // Biochim. Biophys. Acta. 1989. V. 990. P. 87-92.
Статья поступила в редакцию 11.06.2010 г.
