CC BY
10
ФЛУОРИМЕТРИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДОУДЕРЖИВАЮЩИХ СВОЙСТВ ЛИСТЬЕВ ПЕРСИКА В ПРОЦЕССЕ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ
Ю.В. ИВАЩЕНКО, кандидат биологических наук; А.В. СМЫКОВ, кандидат сельскохозяйственных наук
В селекционной практике всегда существовала необходимость всесторонней и объективной оценки материала по наиболее существенным хозяйственным признакам. Одним из таких признаков является засухоустойчивость растений, которую в значительной степени определяет водоудерживающая способность листьев. В свою очередь функции листового аппарата основаны на фотосинтетических процессах, изменения которых объективно диагностируются методами флуориметрии [1,6].
Известно, что дефицит влаги влияет на эффективность фотохимического расщепления молекул воды, которое сопровождается изменением светопоглощающей способности листьев и непродуктивным излучением света в виде флуоресценции [5]. В связи с этим задачей данной работы явилось изучение влияния обезвоживания на интенсивность флуоресценции листьев персика с целью разработки методических аспектов оценки засухоустойчивости растений.
Объекты и методы исследований
Объектами исследований были листья 30 радиомутантных форм персика сорта Советский (MV1, MV2) с хозяйственно-ценными признаками: повышенной морозостойкостью, сдержанным ростом, поздним цветением, ранним созреванием, крупными плодами, полученные в результате гамма-облучения формирующихся вегетативных почек в дозах 20, 30, 50 Гр и повторного облучения 20 Гр.
Ф1
а *
С
с с
Вариабельная
флуоресценция (ВФ)
Ф5
Фл
Ф1
Фз
Ф1 - Ф2
^ 100
Ф1
Свет
Время
Рис. 1. Параметры фотоиндукционной кривой листьев персика: Ф1 - максимальный уровень флуоренценции (отн. ед.), Ф2 - промежуточный (отн. ед.), Фз - стационарный (отн. ед,), Ф4 - время полунарастания вариабельной флуоресценции (с), Ф5 , Фб - показатели, характеризующие изменение стационарного и промежуточного уровней относительно максимального уровня.
Облученные почки одновременно с необлученными (контрольными) окулировали на миндале. Для сравнения использовали сорт персика Кудесник с низкой засухоустойчивостью. Облиственные однолетние побеги длиной 20-30 см брали с плодоносящих растений в Степном отделении Никитского ботанического сада, доставляли в лабораторию и выдерживали во влажной среде в течение суток. Таким образом, начальная оводненность для всех листьев достигала 100 %. Период отбора листьев в степных районах Крыма является наиболее стрессовым по условиям почвенной и воздушной засухи, поэтому существует объективная возможность ранжировать растения по чувствительности к засухе. В качестве показателя водоудерживающей способности использовали степень подавления вариабельной флуоресценции в течение 24, 36, 48 часов обезвоживания. Принципы измерения флуоресценции детально описаны в литературе [3]. Вариабельная флуоресценция (ВФ) - участок фотоиндукционной кривой Ф1-Ф3 (рис. 1), важный функциональный показатель, характеризующий интег ральные процессы, начиная с момента поглощения квантов света и заканчивая образованием простейших органических веществ. Каждый из параметров ФИК (Ф1-Ф6) может характеризовать чувствительность фотосинтетического аппарата к степени обезвоживания листа. Ф1 - параметр, проявляющийся в течение 3-8 с от начала попадания света на адаптированный к темноте лист и свидетельствующий о наиболее непродуктивном этапе в усвоении квантов света. Чем больше величина Ф1 тем значительней потери поглощенной энергии света в виде флуоресценции. Однако, параметр Ф1 в ВФ информативен, так как показывает потенциальные возможности фотосинтетического аппарата, указывая на относительное количество светопоглощающих структур, способных улавливать энергию с целью дальнейшей ее передачи при благоприятных условиях на «реакционные центры» [4]. Параметр Ф2, выделяющийся в структуре ВФ как промежуточный «пик» (5-10 с от начала освещения), также косвенно характеризует чувствительность фотосинтетического аппарата листа к обезвоживанию, поскольку связан с проявлением деятельности механизмов, функционирующих на основе разложения молекулы воды. Параметр Ф3 в целом является результатом установления через 250-300 с после воздействия света стабильного уровня фотосинтеза. Чем меньше его значение, тем более эффективно функционируют фотосистемы листа. Каждый из параметров ФИК регистрируется в зависимости от интервала времени, который вычисляется с момента включения света и характеризует реактивность фотосинтетического аппарата. Параметр Ф4 призван количественно оценить степень этой активности. Чем меньше значение Ф4, тем более реактивен фотосинтетический аппарат. При определении оводненности листьев измеряли их массу гравиометрическим методом, а для контроля водоудерживающей способности листьев использовали общепринятую методику [2].
Результаты и обсуждение
Как правило, показатели фотоиндуцированной кривой (ФИК) и наличие ВФ используют как тест функциональной активности фотосинтетического аппарата. В случае отсутствия ВФ констатируют гибель листа или полное прекращение фотосинтеза.
В начале экспериментов фиксировали ФИК отчлененных от побега листовых пластин до обезвоживания (табл.1). Кинетика их ФИК развивалась у большинства листьев по траектории, которая характеризовалась нормальной формой. По параметру Ф1 наиболее контрастными оказались мутантные формы персика 379, 4015, 38 176, 4140, 64164. Большинство анализируемых форм не проявили существенных различий,
Таблица 1
Флуоресценция листьев мутантных форм персика сорта Советский до обезвоживания
Мутан тная форма Доза облуче ния, Гр Показатели фотоиндуцированной кривой, отн. ед.
Ф1 Ф2 Фэ Ф4 Ф5 Ф6
379 20 161 + 13 129 + 25 64 + 6 23 + 3 2,52 ± 0,1 20,0 ± 10,0
403 50 156 + 55 138 + 50 55 + 16 31 + 5 2,80 ± 0,3 11,8 ± 0,8
3943 50 88 + 5 79 + 5 36 + 7 32 + 7 2,47 ± 0,3 9,8 ± 1,4
4010 50 90 + 18 81 + 14 39 + 3 26 + 3 2,32 ± 0,3 10,0 ± 3,8
4014 50 81 + 6 72 + 5 36 + 5 32 + 5 2,26 ± 0,3 10,7 ± 1,0
4015 50 59 + 10 54 + 9 28 + 2 28 + 7 2,13 ± 0,4 7,9 ± 1,4
4020 50 71 + 11 64 + 10 30 + 5 31 + 1 2,36 ± 0,1 8,8 ± 0,8
4027 50 82 + 15 75 + 13 34 + 9 36 + 7 2,47 ± 0,2 8,8 ± 0,8
4058 50 111 + 38 100 + 47 54 + 25 32 + 18 2,08 ± 0,3 10,5 ± 3,5
35179 50 96 + 14 81 + 20 36 + 5 27 + 3 2,65 ± 0,4 14,7 ± 3,3
38176 30 142 + 25 126 + 23 56 + 13 29 + 6 2,57 ± 0,2 11,3 ± 1,5
38192 30 142 + 21 126 + 20 59 + 8 25 + 4 2,39 ± 0,2 10,9 ± 4,4
44140 50 131 + 20 116 + 17 49 + 9 23 + 2 2,68 ± 0,3 11,0 ±1,9
64164 20 75 ± 5 65 ± 5 32 ± 5 18 ± 4 2,32 ± 0,3 11,0 ±1,7
что свидетельствует о выравненности их функций в начальный период световой индукции. Влияния дозы облучения на качественные показатели параметра не обнаружено. Повышенный максимальный уровень Ф1 у форм 379, 38 176, 44140 может характеризовать их фотосинтетический потенциал в виде комплекса условий (интегрального содержания активных форм хлорофилла и пула светособирающих молекул). Сохранятся тенденция в отношении высокого уровня параметров Ф2 и Ф3 у всех вышеуказанных форм. Однако, для всех параметров ВФ наблюдается высокое варьирование, что затрудняет проведение тестирования чувствительности форм персика к обезвоживанию.
Существуют также трудности в интерпретации показателя Ф4. При нарастании обезвоживания в кинетике ФИК проявляются такие временные компоненты, которые приводят к изменению угла наклона различных ее участков. В данных условиях удается определить Ф4 с большой долей погрешности. Как правило, это приводит к искажению результатов. Показатель Ф6 в процессе исследований проявил нестабильность, поскольку «пик» Ф2, значение которого служит основой для вычисления Ф6, может нивелироваться, и точно определить его значение невозможно.
Относительной стабильностью отличается показатель Ф5. Следует отметить его пригодность для определения водоудерживающей способности листьев. Он вычисляется по соотношению параметров Ф1 и Ф3. Для мутантных форм 379, 403, 38176, 44140 подтверждается наличие высокого фотосинтетического потенциала и востребованность его в фотосинтетических процессах. Следует выделить форму 35179, которая по показателю Ф5 превалирует над другими формами и поэтому является перспективной в отношении фотоактивности структур пигментного комплекса. Из всех исследуемых форм самое низкое соотношение параметров показателя Ф5 проявили формы 4014, 4015, 4058.
Для подтверждения информативности показателя Ф5 в одном из экспериментов проводили сравнительное определение подавления показателя Ф5 на неповрежденных,
полностью оводненных до 100% -ной влажности листьях и в процессе различного периода обезвоживания между сортами индикаторами Советский (засухоустойчивый) и Кудесник (незасухоустойчивый), а также мутантными формами (рис.2).
Необходимо отметить, что показатель Ф5 определяли до и после обезвоживания. Степень водоудерживающей способности листьев по сути оценивали (в процентах) в результате подавления ВФ на основании формулы:
Фз-Фо . 100,
Ф5 "
где Ф5 - значение до обезвоживания, Ф0 - после 24 часов обезвоживания.
В результате исследований проявилась закономерность: чем меньше подавление ВФ, тем выше водоудерживающая способность листьев.
Параллельно с регистрацией фотоиндукционной кривой проводимое обезвоживание листьев сортов-индикаторов засухоустойчивости и мутантных форм показывает, что суточные естественные потери влаги составляют у большинства исследуемых образцов 23-25% от изначального 100%-ного увлажнения, за исключением сорта Кудесник, у которого этот показатель превысил 48% (рис.3). Листья этого сорта потеряли в 2,8 раза больше влаги, чем листья сорта Советский. Отмечена повышенная потеря влаги у формы 35179 в результате более длительного периода высушивания листьев. Флуоресцентные характеристики сортов индикаторов и форм изменяются более контрастно по сравнению с изменением веса обезвоженных листьев. В течение суточного высушивания различия между сортами Советский и Кудесник по подавлению ВФ составляли 5,6 ед., а для мутантных форм повышались до 40 ед.
В связи с этим можно констатировать, что флуориметрический способ определения степени водоудерживающей способности листьев был более чувствительным. С целью апробации полученных результатов было проведено массовое тестирование мутантных форм персика сорта Советский на водоудерживающую способность (табл. 2). В зависимости от величины подавления флуоресценции применяли три градации водоудерживающей способности: низкая (37,0-68,0), средняя (28,0-42,0), высокая (1,0-25,0). Среди изученных растений 8 форм (403, 638, 4010, 4016, 35179, 38177 38192, 64164) характеризовались высокой, 11 форм (378, 3712, 3743, 3814, 3926, 4014, 4027, 6330, 6387, 6566, 34207) средней и 8 форм (372, 379, 393, 639, 3831, 4058, 39199, 44140) низкой водоудерживающей способностью. Прямая зависимость между величиной дозы облучения и водоудерживающей способностью не проявилась. Среди растений с высокой водоудерживающей способностью наибольшую стабильность признака показали формы: 403, 4010, 4016, 6312, 38176, 38192. Некоторые мутантные формы с низким подавлением флуоресценции, но с большим его варьированием были отнесены в группу со средней водоудерживающей способностью.
Отдельные формы (4010, 4016, 38176) характеризовались не только минимальным подавлением ВФ, но даже более высокими показателями по сравнению с периодом до высушивания листьев.
Таким образом, у многих радиомутантных форм сорта Советский наблюдались большие различия по подавлению флуоресценции, и проявилось существенное снижение этого показателя по сравнению с контрольным сортом Советский в 1,9-10,8 раз. Выявленная взаимосвязь между подавлением флуоресценции и водоудерживающей способностью позволила выделить 8 мутантных форм с высокой водоудерживающей способностью.
Таблица 2
Подавление вариабельной флуоресценции и водоудерживающая способность _листьев мутантных форм персика сорта Советский_
Сорт, форма Доза облучения, Гр Подавление флуоресценции , Ф5-Ф0 . 100, % " Ф Водоудерживающая способность
Советский 0 52,7 + 6,9 Низкая
372 20 30,5 + 15,7 Низкая
376 20 19,6 + 10,6 Средняя
378 20 23,6 + 14,7 Средняя
379 20 49,1 + 9,3 Низкая
393 50 47,4 + 6,7 Низкая
403 50 26,1 + 1,4 Высокая
638 50 19,1 + 8,2 Высокая
639 50 43,1 + 11,0 Низкая
3712 20 30,4 + 17,2 Средняя
3743 20 32,3 + 9,2 Средняя
3814 20 27,5 + 6,0 Средняя
3831 20 54,5 + 12,9 Низкая
3926 50 35,8 + 12,7 Средняя
4010 50 4,9 + 3,6 Высокая
4014 50 32,5 + 10,0 Средняя
4016 50 27,5 + 1,9 Высокая
4020 50 57,9 + 8,8 Низкая
4027 50 34,7 + 11,4 Средняя
4058 50 46,3 + 3,0 Низкая
6312 50 25,0 + 3,2 Высокая
6330 30 + 20 31,5 + 10,8 Средняя
6387 50 17,1 + 13, 0 Высокая
6566 30 18,2 + 18,0 Средняя
34207 20 33,5 + 15,6 Средняя
35179 50 24,4 + 8,4 Высокая
38176 30 14,3 + 3,2 Высокая
38192 30 23,1 + 0,0 Высокая
39199 30 40,6 + 12,1 Низкая
44140 50 44,0 + 17,9 Низкая
64164 20 22,7 + 7,1 Высокая
Объяснение см. в тексте.
Выводы
Способ флуориметрического определения степени водоудерживающей способности листьев может быть использован для сравнительной оценки различных форм и сортов персика, а также в комплексе с другими методами оценки засухоустойчивости листового аппарата для повышения объективности отбора перспективных по данному признаку растений.
Список литературы
1. Бухов Н.Г. Применение измерений кинетики фотоиндуцированных изменений флуоресценции хлорофилла в физиологии растений // Спектроскопические методы исследования в физиологии и биохимии. - Л.: Наука, 1987. - С. 29-33.
2. Еремеев Г.Н., Лищук А.И. Методические указания по отбору засухоустойчивых сортов и подвоев плодовых растений.- Ялта, 1974.- 18 с.
3. Иващенко Ю.В., Семин В.С. Зависимость интенсивности флуоресценции листьев некоторых многолетних растений от скорости и амплитуды нарастания температуры // Физиология и биохимия культурных растений.- 1991.- Т.23., № 2.- С. 112-117.
4. Нестеренко Т.В., Сидько Ф.Я. О количественном описании медленной индукции флуоресценции хлорофилла в онтогенезе листьев высших растений // Физиология растений.- 1993.- Т.40, № 1.- С.10-15.
5. Орт Д. и др. Фотосинтез. - М.: Мир, 1987.- Т.1. -728 с.
6. Malkin S., Armond P.A., Mooncy H.A., Fork D.C. Fotosystem II photosynthetic unit sizes from fluorescence induction in leaves // Plant physiology. - 1981. - Vol. 67. - P. 570-579.
Fluorimetric characteristic of water-holding properties of peach leaves in the process of dehydration
Ivashchenko Yu. V., Smykov A.V.
The researches on comparative evaluation of methods of fluorimetric analysis of waterholding ability of leaves and their level of drying during the day period of dehydration of peach varieties "Sovetsky" ' its 30 mutant forms' variety "Kudesnik" have been given . The mutant forms' having the higher level of water-holding abilities then variety "Sovetsky"' have been selected. The perspective method of fluorimetric analysis of leaves has been suggested.
