CC BY
29
ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
Известия ТСХА, выпуск 1, 2011 год
УДК 581.13 2.027:[581/131+581/137]
О ПРИЧИНАХ ИЗОТОПНЫХ РАЗЛИЧИЙ УГЛЕРОДА ГЕТЕРОТРОФНЫХ И АВТОТРОФНЫХ ОРГАНОВ РАСТЕНИЙ
А.А. ИВЛЕВ, В.И. ПИЧУЖКИН, А.С. ПИНАЕВ, О.А. ГОНЧАРОВА
(Кафедра неорганической и аналитической химии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимиря зева)
Рассмотрена причина изотопных различий углерода гетеротрофных и ав-тотрофных органов растений на основе предложенной ранее осцилляционной модели фотосинтеза. Показано, что упомянутые различия возникают как следствие фотосинтетических осцилляций, в ходе которых возникают изотопнораз-личающиеся углеводные фонды. Фонд изотопнотяжелых лабильных углеводов, образующихся в оксигеназной фазе осцилляций, используется и как переносчик ассимиля тов из автотрофных органов растений в гетеротрофные, и как источник углеродных субстратов дл роста и метаболизма последних.
Ключевые слова: изотопное фракционирование углерода, автототрофные и гетеротрофные организмы, фотосинтетические осцилляции.
В публикациях последних лет много внимани удел етс вопросу о причинах изотопных различий ав-тотрофных и гетеротрофных органов растений [10, 15, 16]. Впервые это обнаружил Крейг [14], отметив, что древесина ветвей несколько обогащена изотопом 13С относительно углерода листьев на этих ветв х. В последующем многие исследователи на разных видах растений установили, что углерод биомассы фотосинтезирующих органов (листа, хвои, стебля) незначительно, но устойчиво обогащен легким изотопом 12С по сравнению с углеродом гетеротрофных органов (древесины ветвей и ствола, углеродом семян, плодов, корнеплодов, корней) [2, 6$8, 21, 24, 25]. Статистическая обработка большого количества данных, собранных разными исследователя ми, с помощью парного 1-критерия показала, что разли-
чи достоверны и в среднем составляют ±1,98%о (из 116 наблюдений), а диапазон вариаций — от 1 до 3%о. Все сказанное относитс к растени м С3-типа. Однако немногочисленные данные по С4-растениям обнаруживают ту же тенденцию [18]. Правда, различи оказались значительно
меньше. Например, для 10 наблюдений утяжеление углерода корней по сравнению с листом составило в среднем 0,1%о [6], а в случае С4-травы БассКатт зроиЬаиепт Ь. наблюдалась даже инверсия [12].
Из других фактов, обнаруженных в этих исследовани х, следует отметить, что обсуждаемые различия между углеродом листвы и углеродом древесины ветвей дерева, откуда были отобраны листья, меня ются по высоте кроны. Самые большие различи на верху кроны. К низу кроны различи уменьшаютс . Различи
прослеживаются даже между углеродом биомассы паразитов, обитающих в листве и древесине деревьев, и углеродом листа [13, 28].
Подавл ющее большинство исследователей при объя снении рассматриваемых фактов опиралось на стационарную модель изотопного фракционирования углерода в клетке, предложенную О’Лири [23], Фаркуаром и др. [11] и Фогелем [27]. Основное допущение модели сводилось к тому, что все процессы в клетке листа происход т одновременно и не завис т от времени. Следствием был вывод о том, что все изотопные различия, в частности, обогащение биомассы гетеротрофной части растени изотопом 13С, возникают в постфотосинтетических процессах [15, 16, 26]. Вывод обосновывался тем, что в стационарных процессах в услови х фотосинтеза двух изотоп-норазличающихс потоков углеродных субстратов возникнуть не может, так как в цикле Кальвина, где потоки перемешиваются, различия обязательно исчезли бы. Следовательно, из листа на питание гетеротрофных органов идет углеродный поток с некоторым посто нным обогащением «легким» изотопом относительно ассимилируемого СО2.
Причины обогащения гетеротрофных органов выдвигались разные, начина с разного биохимического состава автотрофных и гетеротрофных органов и конча фракционированием изотопов при транспорте ассимил тов из листа в гетеротрофные органы. Среди других причин предлагали разное фракционирование изотопов углерода при дыхании на свету и в темноте, суточные вариации субстрата роста (сахарозы), особый путь ассимил ции СО2 гетеротрофными органами (через ФЕП-карбокслирование) При анализе этих гипотез авторы признали, что, объясняя одни факты, они входят в противоречие с другими. Кроме того, реального конкретного механизма изотопного фракционировани в
предполагаемых процессах авторы не предлагали.
Ранее отмечалась неадекватность стационарной модели фотосинтеза фактическим данным [4] и была предложена альтернативная осцилляци-онная модель [1, 3, 19, 20]. Согласно этой модели, фотосинтез представля -ет собой осцилляционный процесс, в котором одной фазой колебаний вл -ется ассимиляция СО2, соответствую-ща карбоксилазной фазе функцио-нировани Рубиско (основного фермента фотосинтеза), другой фазой колебани вл етс фотодыхание, соответствующее оксигеназной фазе работы Рубиско (рис. 1).
Принципиально, что, как следует из модели, в каждой из фаз осцил-л ций возникают углеводные фонды, которые имеют разный изотопный состав. Фонд углеводов, образующихся в карбоксилазной фазе, обогащен изотопом 12С по сравнению с фондом углеводов, возникающим в оксиге-назной фазе. Эти фонды используются растением на различные нужды. Углеводы карбоксилазной фазы откладываются в фонд, который в фазу гликолиза питает гликолитическую цепь. Углеводы фонда, образующегося в оксигеназную фазу, частично расходуютс на собственно фотодыхание. Друга часть используетс на образование лабильных углеводов, из которых в темноте образуются органические кислоты. Часть тратитс на продукты фотодыхания (пролин, гликолевая кислота, оксалаты и др.). Лабильные углеводы (сахароза) используются растением в качестве транспортного агента и дл обеспечени роста и метаболизма гетеротрофных органов растений.
Таким образом, согласно модели, изотопные различи автотрофных и гетеротрофных органов растений в-л ютс следствием осцилл ционного характера фотосинтеза. Разный изотопный состав фондов в конечном счете обусловлен различием знаков
хлоропласт
О2 -С02-
атмосфера межклеточное пространство
митохондрия
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая осцилляционную модель фотосинтеза. Ключевой фермент фотосинтеза Рубиско. При высоких концентрациях СО2/О2 в клетке стимулируется карбоксилазная функция фермента и ингибируется оксигеназная. При низких концентрациях СО2/О2 в клетке, наоборот, стимулируется оксигеназная функция фермента и ингибируется карбоксилазная
изотопных эффектов, возникающих в разных фазах осцилл ций.
Важно также отметить, что в клетке в силу колебаний существует строга временна последовательность метаболических процессов.
В силу этого накопленные при фотосинтезе фонды расходуютс не только для разных нужд, но и в различные временные отрезки. Поэтому, проходя даже через те же отрезки метаболических путей, углеродные потоки не перемешиваютс и изотопные различи сохран ютс .
В подтверждение такого механизма фотосинтеза рассмотрим данные Гесслера и коллег [15], представленные на рисунке 2. На нем представлен суточный диапазон вариаций изотопного состава углерода водораствори-
мого и нерастворимого органического вещества листа, суммарного углерода биомассы листа и углерода сока флоэмы, переносящего накопленные в листе органические вещества к гетеротрофным органам растени . Видно, что нерастворима фракци биомассы листа обогащена изотопом 12С относительно углерода водорастворимой фракции органического вещества листа. Осцилл ционна модель объ сн -ет это тем, что нерастворимая часть листа — это в основном фракция, содержащая липидные, протеиновые и другие компоненты, синтез которых происходит в гликолитической цепи с использованием углеводного фонда, запасаемого в карбоксилазную фазу, т.е. обогащенного изотопом 12С. Водорастворимые углеводы, включая саха-
-24.5-25.0-25.5-26.0в -26.5 О
Ей -27.0-27.5-28.0-"20.5--29.й-
Лист
'------1-------1-------1-------1---
□ среднее за световой период ■ среднее за темновой период ф среднее за суточный цикл
?
о
[]
Флоэма.
Лист^ Лист
водорастворимая общий нерастворимая ОВ сока фракция ОВ упгерод фракция ОВ
Рис. 2. Изотопный состав общего углерода листа и его водорастворимой и нерастворимой органической фракции, а также углерода сока флоэмы, усредненный за световой период (1), темновой период (2) и за полный суточный цикл (3). Рисунок взят из работы [15] и модифицирован
розу, образуются из фонда, который накапливается в оксигеназную фазу, а следовательно, углерод фонда обогащен изотопом 13С. Как известно, сахароза я вля ется основным т ранспорт-ным агентом в растениях [5], что, в свою очередь, объясняет обогащен-ность «тяжелым» изотопом углерода сока флоэмы и приблизительно одинаковый диапазон суточных вариаций изотопного состава углерода у сока флоэмы и водорастворенного органического вещества листа.
Другой аргумент в пользу приведенной интерпретации изотопных различий автотрофных и гетеротрофных органов растений состоит в следующем. В работе [1] проводилось сопоставление внутримолекул рно-го изотопного распределени глюкозы крахмала запасающих органов ряда растений (кукурузы, пшеницы, картофеля, гороха, капусты),
изученных экспериментально, с распределением, полученным путем т ео-ретического моделировани . При теоретическом моделировании распреде-лени изотопов углерода дл глюкозы (Г6Ф), синтезируемой в карбоксилаз-ной фазе осцилляций, показано, что оно характеризуется приблизительно равномерным распределением 13С вдоль скелета молекулы. Для глюкозы оксигеназной фазы распределение неравномерно и характеризуетс отчетливой утя желенностью в положения х С-3 и С-4 атомов и облегчением атомов к концам молекул. Самыми «легкими» оказались атомы в положения х С-1 и С-6. Аналогичным с распределением в оксигеназной глюкозе оказалось распределение глюкозы крахмала запасающих органов. В силу вышеизложенного этого и следовало ожидать, поскольку запасающие органы относ тс к гетеротрофным органам
растений, для которых источником углерода являются углеводы, синтезируемые из оксигеназной глюкозы. Именно утяжеленность атомов в положениях С-3 и С-4 обусловливает «тяжелый» изотопный состав общего углерода молекулы. При этом степень «утя желенности » определя ется интенсивностью фотодыхани .
Градиент изотопного состава углерода листвы по высоте кроны, отмеченный в упом нутых выше работах, также легко объя сним с помощью осцилл ционной модели. В самом деле, вверху кроны интенсивность падающего излучени максимальна и снижается книзу. Интенсивность света усиливает фотодыхание, которое, в свою очередь, вызывает изотопное утя желение продуктов фотодыхания, а вместе с ними и биомассы листа [8].
Столь же просто модель объя сня -ет факт различи изотопного состава углерода листвы и биомассы паразитов, питающихся древесиной или
плодами растений, т.е. углеродом гетеротрофных частей. Углерод биомассы консументов (которые относ тс к гетеротрофам) близок по изотопному составу к углероду листвы и потому отражает изотопные различия гетеротрофных и автотрофных частей растени -хоз ина.
Таким образом, осцилляционная модель объ сн ет природу различий гетеротрофных и автотрофных органов растений существованием фото-синтетических осцилляций, в ходе которых образуютс два изотопнораз-личающихся фонда углеводов. Обогащенный изотопом 13С фонд углеводов, образующийся в оксигеназной фазе осцилля ций, используется растением дл переноса ассимил тов из автотрофных органов к гетеротрофным, а также для роста и метаболизма последних. Вывод подтверждается экспериментальными данными, полученными независимыми исследователя ми.
Библиографический список
1. Ивлев А.А. О колебательной природе углеродного метаболизма в фотосинтезирующей клетке. Аргументы и факты. Известия РАН. Сер. Биологическая. 2010. Т. 37. № 3 С. 261-270.
2. Ивлев А.А., Пичужкин В.И., Князев Д.А. Изменения изотопного состава углерода органов пшениц в онтогенезе и их возможная связь с фотодыханием растений // Физиология растений, 2001. Т. 46. № 4. С. 517-526.
3. Ивлев А.А. О потоках «лёгкого» и «тяжёлого» углерода при сопряжении фотосинтеза и фотодыхания // Физиология растений, 1993. Т. 40. С. 871-878.
4. Ивлев А.А. Распределение изотопов углерода (13С/12С ) в клетке и временная организация клеточных процессов// Биофизика, 1991. Т. 36. С. 1060-1078.
5. Курсанов А.А. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука, 1976.
6. Badeck F.-W., Tcherkez G., Nogues S., Piel C., Ghashghaie J. Post-photoo-synthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs — a widespread phenomenon // Rapid Commun. Mass Spectrom, 2005. V. 19. P. 1381-1391.
7. Batheller C., Badeck F.-W., Couzi Ph., Harscoet S., Mauve C. Divergence in 513C of dark respired CO2 and bulk organic matter occurs during transition between heterotrophy and autotrophy in Phaseolus vulgaris plants // New Phytologist, 2008. V. 177. P. 406-418.
8. Borland A.M., Griffiths H., Broadmeadow M.S., Fordham M.C., Maxwell C. Carbon Isotope Composition of Biochemical Fractions and the Regulation of Carbon Balance in Leaves of the C3-Crassulenean Acid Metabolism Intermediate Clusia minor L. Growing in Trinidad // Plant Physiol., 1994. V. 105. P. 493-501.
9. Carbone M.S., Trumbore S.E. Contribution of new photosynthetic assimilates to respiration by perennial grasses and shrubs: residence times and allocation patterns // New Phytolgist, 2007. V. 176. P. 124-135.
10. Cernusak L.A., Tcherkez G., Keitel C., Cornwell W.K., Santiago L.S., Knohl A., Barbour M.M., Williams D.G., Reich P. B., Ellsworth D.S., Dawson T.E., Griffiths H.G.,Farquhar G.D.,Wright I. J. Why are non-photosynthetic tissues generally 13C enriched compared with leaves in C3 plants? Review and synthesis of current hypotheses // Funct. Plant Biology, 2009. V. 36. P. 199-213.
11. Farquhar G.D., O’Leary M.H., Berry J.A. On the relationship between carbon isotope discrimination and intercellular carbon dioxide concentration in leaves // Aust.J.Plant Physiol., 1982. V. 9. P. 121-137.
12. Cernusak L.A., Aranda J., Marshal G.D., Winter K. Large variations in whole-plant water-use efficiency among tropical tree species // New Phytologist, 2007. V. 173. P. 294-305.
13. Cernusak L.A., Pate J.S., Farquhar G.D. Oxygen and carbon isotope composition of parasitic plants and their hosts in southwestern Australia // Oecologia, 2004. V. 139. P. 199-213.
14. Craig H. The geochemistry of stable carbon isotopes // Geochim. et Cosm. Acta, 1953. V. 3. P. 53-92.
15. Gessler A., Tcherkez G., Peuke A.D., Ghashghaie J.G., Farquhar G.D. Experimental evidence for diel variations of the carbon isotope composition in leaf, stem and phloem sap organic matter in Ricinus communis // Plant, Cell Environ., 2008. V. 31. P. 941-953.
16. Gessler A., Keitel C., Kodama N., Weston Ch,. Winters A.J, Keith H., Grice K., Leuning R., Farquhar G. D. 813C of organic matter transported from the leaves to the roots in Eucalyptus delegatensis: short-term variations and relation to respired CO2 // Funct Plant Biology, 2007. V. 34. P. 692-706
17. Gleixner G., Danier H.G., Werner R.A., Schmidt H.-L Correlation between the 13C content of primary and secondary products in different cell compartments and that in decomposing basidiomycetes // Plant Physiology, 1993. V. 102. P. 1287-1290.
18. Hobbie E.A., Werner R.A. Intramolecular, compound-specific, and bulk carbon isotope patterns in C3 and C4 plants: a review and synthesis // New Phytologist, 2004. V. 161. P. 371-385.
19. Ivlev A.A. Carbon isotope effect as a tool to study photosynthesis // Chemical probes in biology / ed. M.P. Schneider. Kluwer Academic Publishers. Netherlands,
2003. P. 269-285.
20. Ivlev A.A., Igamberdiev A.Y., Dubinsky A.Yu. Isotopic composition of carbon metabolites and metabolic oscillations in the course of photosynthesis // Biophysics,
2004. V. 49. Suppl. 1. P. 3-16.
21. Leavitt S.W., Long A. Stable carbon isotope variability in tree foliage and wood // Ecology, 1986. V. 67. P. 1002-1010.
22. Leavitt S.W. , Long A. Evidence for 13C/12C fractionation between tree leaves and wood // Nature, 1982. V. 298. P. 742-744.
23. O’Leary M.H. Carbon isotope fractionation in plants // Phytochemistry, 1981. V. 20. P. 553-567.
24. Park R., Epstein S. Carbon isotope fractionation during photosynthesis // Geochim et Cosmochim. Acta, 1960. V. 21. P. 110-119.
25. Schlesser G.H. 813C pattern in a forest tree as an indicator of carbon transfer in trees // Ecology, 1992. V. 73. P. 1922-1925.
26. Terwilliger V.J, Huang J. Heterothrophic whole plant tissue show more 13C — enrichment than their carbon source// Phytochemistry, 1996. V. 43. P. 1183-1188.
27. Vogel J.C. Variability of Carbon Isotope Fractionation during Photosynthesis// Stable isotopes and plant carbon — water relations / Eds Ehleringer J.R., Hall A.E., Farquhar G.D. San Diego — Boston, 1993. P. 29-46.
28. Ziegler H. Deuterium content in organic material of hosts and their parasites. // In: “Ecophysiology of photosynthesis”/ Eds. E.D. Schultze, M. Caldwell, 1994. PP. 393-408. 1994. Berlin, Springer-Verlag.
SUMMARY
The cause of carbon isotopic distinctions of both autotrophic and heterotrophic plant organs on the base of earlier oscillation concept has been considered. It has been discovered that above-mentioned distinctions occur as a result of photosynthetic oscillations. In the course of these oscillations isotopically different carbohydrate pools are formed. The pool of 13C enriched carbohydrates derived in oxygenase phase of oscillations is used as transport agent of assimilates from autotrophic plant organs to heterotrophic ones, as well as a carbon substrate source for both growth and metabolism.
Key words: Carbon isotope fractionation, photosythetic oscillations, autotrothic and heterotrophic organisms.
Ивлев Александр Андреевич — д. с.-х. н. Эл. почта: aaivlev@list.ru Пичужкин Вадим Иванович — к. х. н.
Пинаев Александр Сергеевич — аспирант кафедры неорганической и аналитической химии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева
Гончарова Оксана Владимировна — студентка 3-го курса РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева
