CC BY
20
BicHUK ,fl,mnponeTpoBCBKoro ymBepcmery. Bionoria, eKonorifl. Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria Biologia, ekologia Visnyk of Dnepropetrovsk University. Biology, ecology.
Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Biol. Ekol. 2015. 23(2), 225-229.
doi:10.15421/011533
ISSN 2310-0842 print ISSN 2312-301X online
www.ecology.dp.ua
УДК 581.1.03+631.531.173
Дослщження фотощдукованих потенц1ал1в листя перцю
Д.В. Чернетченко, М.П. Моцний, Н.П. Боцьва, О.В. Слша
Днтропетровський нацюнальний утверситет Мет Олеся Гончара, Днтропетровськ, Украта
Дослщжено бюелектричт реакци рослин за до фотостимулящ! за р1зних значень штенсивноста стимул1в та довжин хвил1, що супроводжуе процес свплово! фази фотосинтезу. Запропоновано утверсальну схему реестраци б1опотенц1ал1в, яка дозволяе проводит експериметальт досл1дження впливу свплових подразниюв на рослину. У цьому процес1 було виключено д1ю будь-яких шших подразниюв i теплових фактор1в. Як фотостимулятор обрано св1тлов1 хвил1 бшого та червоного св1тла 1з довжиною хвил1 690 нм. 1нтенсивтсть стимуляци змшювали вiд 150 до 450 Лк. Показано залежнiсть параметрiв потенщал1в вiд внутршньоклпин-них процес1в фотосинтезу, що вщбуваються у клпит. Свiтлова фаза фотосинтезу супроводжуеться значними коливаннями елект-ричного потенциалу мембрани хлоропласттв. Також установлено, що бюелектрична реакция листя рослини юльюсно вiдрiзняеться для свiтла р!зних спектральних даапазошв, але як1сна закономiрнiсть залишаеться незмшною, що показано на дослiдженнi бюелек-тричних вiдповiдей листя тд час до свiтла в червоному спектра Запропоновано пояснення виникнення додатково! деполяризацш-но! фази бiопотенцiалiв рослин, що виникають тд час розвитку темнових репаращйних процес1в фотосинтезу. На бая отриманих експериментальних даних визначено кшьюст та яюст характеристики бiопотенцiалiв рослини на фотоподразники та пояснено роль внутршньоклггинних процесiв у генераци цих вщповщей.
Ключов1 слова: комплексна реестращя бiоелекгричних погенцiалiв; фотоiндукованi потенщали; бюпотенщали листя перцю; мембрана хлоропластв
Research of photoinduced potentials of pepper leaves
D.V. Chernetchenko, M.P. Motsnyj, N.P. Botsva, O.V. Elina
Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Dnipropetrovsk, Ukraine
Bioelectrical potentials of the plants during photostimulation with various intensity values and wave lengths are studied. Such stimulation provides light-dependent reactions of photosynthesis. The universal scheme of registration of bioelectric potentials, which allows to carry out the experimental study of light stimuli effect on the plant is proposed. All registrations of potentials are observed on the pepper leaves. Photoinduced stimuli are different with intensity changed from 150 to 450 lux and different spectrums of white light and red light with wave length 690 nm. Different parameters of stimuli drive to different types of biopotentials of the plant, quantitative and qualitative relationships of this process are obtained. It is also found that bioelectrical reaction of the leaves is quantitatively different in various spectral ranges of light, but the quality remains the same for all cases, as shown in the study of bioelectric responses during exposure to the light in red spectrum range. The explanation of the additional depolarization phase that occurs during the running of dark reparative process of photosynthesis is given. Light-dependent reactions of photosynthesis are accompanied by significant changes in the electrical potential of chloroplasts' membrane. Besides, the dependence of bioelectrical reaction of the plant on different spectra of light is found. By this way, biophysical relation of plant potentials to the intracellular biophysical mechanisms during photo stimulation is obtained.
Keywords: complex bioelectrical potentials registration; photoinduced potentials; pepper leaves biopotentials; chloroplasts membrane
Днтропетровський нащональний утверситет iMeHi Олеся Гончара, пр. Гагарта, 72, Днтропетровськ, 49010, Украта Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, Gagarin Ave., 72, Dnipropetrovsk, 49010, Ukraine Tel.: +38-050-420-86-04. E-mail: [email protected]
Вступ
Робота присвячена експериментальному дослвджен-ню сумарно! електрично! активносп, що супроводжуе процес свилово! фази фотосинтезу. Бюпотенщали, як1 вивчаються, за сучасними уявленнями не е потенцалами дй' (Motsnyj, 2011), а ввдображають зм1ну сумарного потенщалу мембрани хлоропласпв, як1 безпосередньо беруть участь у процеа фотосинтезу. Фотосинтез -складний бюх1м1чний процес, тд час якого ввдбуваеться синтез оргатчних речовин 1з вуглекислого газу та води з обов'язковим використанням енергй' свила. У вищих рослин органом фотосинтезу е листя, а органами висту-пають хлоропласти. У мембрану хлоропласпв вбудоваш фотосинтетичш тгменти: хлорофши та каратинооди. Хлорофши поглинають червоне та синьо-фюлетове свило, натом1сть ввдбивають зелене свило, за рахунок чого надають рослиш зеленого кольору. Молекули хлороф1лу в мембранах тилакодав оргашзоваш у фото-системи (Ljalin, 1990).
Реакцй' фотосинтезу подшяють на дв1 групи: реакци свпловш та темново! фази. Светлова фаза ввдбуваеться т1льки за присутносп свила в мембранах тилакощв за учасп хлорофшу, транспортних бшшв, електротв та ферменту АТФ-синтетази. За дй' кванту свила електрони хлороф1лу збуджуються та залишають молекулу, попа-даючи на зовн1шн1й б1к мембрани тилакощв, яка при цьому заряджаеться негативно. Окиснення молекули хлороф1лу, водбираючи електрони у води, зумовлюе фотодаз води. 1они пдроксилу вщдають сво! електрони та перетворюються при цьому на вольт радикали, як1, об'еднуючись, утворюють воду та вшьний кисень. Ки-сень видшяеться у навколишне середовище, а протони накопичуються всередин1 тилакооду.
У результат мембрана тилаковдв з одного боку за рахунок ютв H+ заряджаеться позитивно, а з шшого за рахунок електротв - негативно. Коли р1зниця потенщ-ал1в на мембран1 тилакооду досягае 200 мВ, протони мпрують через мембранш канали АТФ-синтетази та ввдбуваеться реакщя фосфорилювання: АДФ перетворю-еться на АТФ. Таким чином, у свиловш фаз1 водбуваеть-ся фотол1з води, який супроводжуеться двома важливи-ми процесами: синтезом АТФ, а також вид1ленням кис-ню в атмосферу.
Розглянувши щ процеси, можна сказати, що свилова фаза фотосинтезу супроводжуеться значними коливан-нями електричного потенщалу мембрани хлоропласпв. Оск1льки хлоропласти тстяться у плазм1 клиини, так1 коливання суттево змшюють мембранний потенщал плазмолеми (Rubin and Gavrilenko, 1977). Змни мембранного потенщалу можна зарееструвати за допомогою макроелектрода. У рамках дано! статп вивчено коливання мембранного потенщалу, яш водбуваються при гад час стимулювання поверхн1 рослини свилом.
Матерiал i методи дослщжень
Дослодження бюпотенщал1в рослин проведене на добре розвинених проростках перцю (сорт Дарунок Мол-дови in vivo). Перед проведенням експерименпв здш-
снювали подготовку проростков. Вдабрат зерна перцю виавали у спещальних горщиках, заповнених грунтом, 1 пророшували у вологому середовищо Проростки вико-ристовували в експеримент через 30 д1б тсля появи сход1в.
Проросток у горщику 1з землею розташовували в екранованш камера тсля чого обраний листок ф1ксували на спещальнш п1дставц1 фотостимулятора. Рослину витримували у темряв1 упродовж 30 хвилин для адаптацп, псля чого на поверхт листка розташовували неполяризуюч електроди (ЕВЛ-1М). Активний елек-трод розташовувався в центр1 «плями», що виникала на листку под час фотостимуляци, пасивний електрод - на неосвиленш частит листка. М1ж електродами упродовж експерименту реестрували р1зницю потенщал1в. Вих1д електрод1в був з'еднаний 1з входом передщдсилювача. Сигнал 1з виходу передщдсилювача потрапляв на само-писець Endim та на вх1д пристрою оцифровки даних 1з подальшою обробкою у ПК.
Потенщали викликали за допомогою фотостимулятора, активною частиною якого е свплодюд, що випромшюе свиову хвилю визначено! довжини. Для зменшення нагр1вання листка використовували спещальш шфрачервот фшьтри. Освилетсть регулю-вали за допомогою змши струму через свплодюд. Силу струму контролювали за допомогою цифрового мшамперметра. Освилетсть вимрювали за допомогою люксметра Ю-116. Тривалсть свилового 1мпульсу задавали за допомогою реле часу.
Для калбрування використовували кал1брувальний генератор, який подключали на вход щдсилювача зашсть електрод1в.
Под час експерименпв використовували свилов1 стимули бшого свила тривал1стю 15 с р1зно! освиле-носп (150-450 лк) та р1зного спектрального даапазону (червоне свило - 690 нм). У сери експерименпв реестращю здшснювали на однш 1 тш самш далянц листка, що значно зменшуе статистичну помилку отрима-них даних.
Результати та Ух обговорення
У дослодах бюпотенщали викликали за допомогою одиночних фотостимул1в тривалстю 15 секунд. Резуль-тати одного з типових дослвдв показано на рисунку 1. Одиночт свиов1 подразники свиловим 1мпульсом бшого свила з р1внем освиленосп 150 Лк викликають суттеву змшу потенцалу листя. Потенцал гшерполяри-зацп генеруеться практично в момент нанесення подраз-ника (швидка змша потенц1алу вниз на графшу) та продовжуе нарощуватись до моменту вимикання под-разника (другий тк на граф1ку).
Потенц1ал нарощуеться та досягае максимального значення на 60-й секунда. Амплиуда потенц1алу в максимум! досягае 12 мВ, тсля цього потенц1ал зменшуеться та на 120-й секунд1 досягае нульового значення, тсля чого зростае до моменту закшчення реестрацЦ (250-та секунда). У раз1 зб1льшення р1вня осв1тленост1 до 200 Лк картина суттево змшюеться.
Амплиуда початково! г1перполяризацИ зменшуеться до 10 мВ 1, на вщмшу вод попередньо! реестрацЦ,
зменшуеться також тривалiсгь фази пперполяризаци (з 120 до 80 с). На 80-й секунда пперполяризащя досягае нульового ршня га починаегься фаза деполяризаци, яка досягае максимуму 10 мВ на 80-й секунд! Наприк1нц1
реестраци потенцiал коливаеться на рiвнi ±7 мВ. У ви-падку подальшого збiльшення освiгленосгi до 450 Лк картина процесу суттево не змшюеться (рис. 1).
3
Рис. 1. Бюпотенщали листка перцю, викликат одиночним iмпульсним стимулом бтого свила тривалiстю 15 с:
пiд час стимуляци використано рiзнi рiвнi освгтленосп 1 - 150 Лк, 2 - 200, 3 - 300, 4 - 350, 5 - 400, 6 - 450 Лк
Аналопчт дослгди проводили iз застосуванням чер-воного свiтла довжиною хвит 690 нм та освiтленiстю 150 та 450 Лк. Результата дано! сери експерименпв показано на рисунку 2. 1з моменту включення стимулятора (а) за освгтленосп 150 Лк спостерцаеться спочатку невелика деполяризацiя, яка з 50-! секунди переростае в ггпер-поляризацГю з максимумом 8 мВ на 80-й секундi, потм знову переходить у деполяризацiю з максимумом 7 мВ на
200-й секунда При збшьшент рiвня освгтленосп до 450 Лк (рис. 2) одразу тсля вмикання стимулятора спостернаеться деполяризацiя, яка досягае максимуму 12 мВ на 150-й секунда переходячи у гтперполяризащю до вГдключення стимулятора. 1мпульсна стимулящя в першому випадку (I) викликала незначнi деполяризацiйнi потенщали з амплiтудою 2 мВ, а в другому (II) -потенщали взагал були вгдсутт.
Рис. 2. Бюпотенщали листка перцю, викликат стимулящею червоним свгтлом iз 1 = 690 нм:
а-Ь - неперервна стимуляцгя, с-сС - Гмпульсна стимулящя Гз Т = 15 с; I - освилешсть 150 та II - 450 Лк, III - катбровка А = 10 мВ, 1 = 50 с
За середшми даними проведених груп дослдав для бшого свГтла побудовано графГк залежносп рГвня потен-щалГв пперполяризаци та деполяризаци вГд рГвня освгтленосп (рис. 3). За початкового ршня освгтленосп (150 Лк) пперполяризащя мае максимальне значення (13 мВ), а деполяризащя при цьому значенш освГтленос-тг дорГвнюе нулю. При збшьшенш освгтленосп рГвень пперполяризаци зменшуеться та стабшзуеться за освгтленосп 250 Лк на ршт 5,5 мВ. При цьому рГвень
деполяризаци зростае та стабшзуеться на ршш -7,5 мВ. Для червоного свГтла результати якгсно не вГдрГзнялися.
Потенщали, якг спостериалися (рис. 1), практично не мають латентного перюду, що свГдчить про високу швидкгсть перебиу процесш. 1з рисунка 1 також можна бачити, що швидкгсть збшьшення потенщалу гад час фази пперполяризаци практично не залежить вГд рГвня освгтленосп Цей факт говорить про незалежшсть швидкосл процесу вгд ршня освгтленосп
I, Лк
Рис. 3. Залежшсть потенщал1в гшерполяризаци (а) та деполяризацй' (б) ввд р1вня освiтленостi листка б1лим свгглом: по oci абсцис - piBern освiтленостi (Лк), по oci ординат - амплiтуда потенцiалiв (мВ)
Ствставлення отриманих даних i3 лтературними вщомостями (Rubin, 1973) показуе, що коротколатентна фаза гшерполяризаци ввдображае процеси поляризаци мембрани хлоропласпв при фотолiзi води. Це процес, швидк1сть якого практично не залежить ввд енерги кванта збуджувального свiтла та його штенсивносп. Оскшьки в експерименп використовували коротка свiтловi Омпульси тривалстю 15 с, цей процес штучно переривався на початковiй фазi. Загальна тривалiсть свггово! фази бiопотенцiалiв до моменту насичення не менше шж 150 с (Motsnyj, 2001). Фаза деполяризацй, яка виникае пiсля вимкнення свила, iмовiрно, ввдображае репарацiйнi процеси, як ввдбуваються у цитохромних системах. На думку деяких авторОв (Ljalin, 1968), фаза вимкнення може бути пов'язана з темновими процесами фотосинтезу.
Висновки
СгамуляЩя листя перцю бшим ситном упродовж 15 с зумовлюе розвиток двофазного електричного потенць алу. Перша, коротколатентна фаза гшерполяризаци, яка виникае практично одразу в момент увОмкнення свила, ОмовОрно, пов'язана зО свиловою фазою фотосинтезу. Друга, фаза деполяризацй, виникае при вимкненш свила та, ймовОрно, пов'язана з темновими процесами, що су-проводжують фотосинтез.
За рОвнв освиленосп понад 200 Лк динамжа потенцалОв та 1х амплитуда практично збиаклься, тобто процеси фотосинтезу, що знаходять вОдображення в опи-саних потенцОалах, практично не залежать вОд рОвня освиленосп. Реакци рослини на фотостимуляцш рОзного спектрального дОапазону якОсно не вОдрОзнялися, що було перевОрено за допомогою червоного свОтла, змОнювались лише абсолютнО значення амплОтуди потенцОалОв. Резуль-тати дослвдження впливу фотостимуляци рослини у рОзних частинах спектра можуть дати пОдставу для ство-рення спецОальних, сприятливОших умов для перебОгу внутршньоклиинних процеав у рослинах. ОтриманО ре-зультати можуть бути застосованО для подальшого вив-чення функцОональних станОв рослин.
Biß^iorpa^iHHi iIOCII. lamm
Adygezalov, V.F., Grodzinskij, D.M., 1976. Izuchenie me-tabolicheskoj prirody foto induciruemyh biopotencialov lista [The study of the nature of the photo-induced metabolic biopotentials sheet]. Fiziologija i Biohimija Kul'turnyh Rastenij 8(6), 601-606 (in Russian).
Andrianov, V.K., Kurella, G.A., Litvin, F.F., 1986. O vzaimos-vjazi potenciala pokoja i fotosinteza [On the relationship between the resting potential and photosynthesis]. Fiziko-Himicheskie Osnovy Avtoreguljacii v Kletkah. Moscow, 200-205 (in Russian).
Bulychev, A.A., Andrianov, V.K., Kurella, G.A., Litvin, F.F., 1971. Transmembrannyj potencial hloroplasta i ego fotoin-ducirovannye izmenenija [The transmembrane potential of chloroplast and photoinduced changes]. Doklady AN SSSR 197(2), 473-476 (in Russian).
Chernetchenko, D.V., Motsnyj, M.P., Botsva, N.P., Elina, E.V., Milykh, M.M., 2013. Avtomitizovana systema reestraciy bioelectrichnih potencialiv [Automated experiment for bio-electrical potentials registration]. Visn. Dnipropetr. Univ. Ser. Biol. Ekol. 21(2), 70-75 (in Ukrainian).
Doroshek, A.S., Korona, O.A., 1980. O iniciirujushhih meha-nizmah sveta zavisimosti biojelektricheskoj reakcii rastenij [About triggering mechanisms of light depending on the bioelectrical reaction of plants]. Sveto-Zavisimaja Biojelek-tricheskaja Aktivnost' List'ev Rastenij. Sverdlovsk, 92-96 (in Russian).
Gavkovskaja, O.V., Jaglova, L.G., 1973. Fotoinducirovannye izmenenija potenciala kalija i raznosti jelektricheskih poten-cialov cherez membrany kletki [Photo-induced changes in the capacity of potassium and an electrical potential difference across the cell membrane]. Biofizika Membrany 154159 (in Russian).
Ljalin, O.O., 1967. Biojelektricheskie perehodnye processy, voznikajushhie v liste rastenija pri svetovom vozdejstvii [Bioelectric transients occurring in plant leaves when exposed to light]. Kibernetika v Rastenievodstve 95, 115-121 (in Russian).
Ljalin, O.O., 1968. Fiziko-himicheskie osnovy avtoreguljacii v kletkah [Physical and chemical bases of autoregulation in the cells]. Moscow (in Russian).
Motsnyj, M.P., Elina, E.V., Vlasova, S.V., 2004. Issledovanie reakcii rasteniy, vizvannoi ritmicheskoy stimulyaciei [The
study plants responses induced by repetitive stimulation]. Nauka ta Osvita, Odessa, 55, 37-38 (in Russian).
Novak, V.A., Ivankina, N.G., 1977. Priroda svetoinducirovannoj biojelektricheskoj reakcii pri vnekletochnyh otvedenii [The nature of light-induced bioelectrical reaction by extracellular recording]. Moscow, 143-154 (in Russian).
Obolonskij, V.V., Rybin, I.A., 1973. Rol spektral'nogo sostava i intensivnosti sveta v formirovanii svetostimuliruemoj bio-jelektricheskoj reakcii rastenija [The role of the spectrum and intensity of light in the formation of bioelectric reaction svetostimuliruemoy plants]. Upravlenie Skorost'ju i Naprav-lennost'ju Biosinteza u Rastenij. Krasnojarsk, 30-31 (in Russian).
Roblin, G., 1985. Analysis of the variation potential induced by wounding in plants. Plant Cell Physiol. 26, 255-261.
Rubin, B.A., Gavrilenko, V.F., 1977. Biohimija i fiziologija fotosinteza [Biochemistry and physiology of photosynthesis]. Moscow, 143-145 (in Russian).
Rybin, I.A., 1973. O razlichnoj prirode biojelektricheskih reakcij na vkljuchenie i vykljuchenie sveta [About the different nature of bioelectrical reactions on and off light]. Doklady AN SSSR 211(5), 1239-1241 (in Russian).
Rybin, I.A., Miheeva, S.A., 1973. Dejstvie strofantina na bio-jelektricheskuju reakciju rastenija pri vkljuchenii i vykljuchenii sveta [Action of strophanthin on bioelectrical reaction of the plant when switched on and off light]. Fiziologija Rastenij 20(1), 88-91 (in Russian).
Rybin, I.A., Miheeva, S.A., 1973. Ingibitory obmena kak voz-mozhnyj instrument issledovanija biojelektricheskoj reakcii list'ev vysshih rastenij pri vkljuchenii i vykljuchenii sveta [Inhibitors of metabolism as a possible tool for studying bioelec-
trical reaction of leaves higher plants when turning light]. Vo-prosy Reguljacii Fotosinteza 3, 58-76 (in Russian).
Rybin, I.A., Miheeva, S.A., 1973. O prirode biojelektricheskoj reakcii lista rastenija na vkljuchenie i vykljuchenie sveta [On the nature of bioelectrical reactions sheet plants on and off light]. Doklady AN SSSR 208(3), 742-744 (in Russian).
Rybin, I.A., Miheeva, S.A., Efimov, A.K., 1972. Issledovanija biohimicheskoj reakcii lista rastenija na stupenchatoe izme-nenie intensivnosti sveta [Research of biochemical reaction of leaf plants to a step change in light intensity]. Fiziologija Rastenij 19(3), 545-550 (in Russian).
Rybin, I.A., Obolonskij, V.V., 1974. Jelektricheskaja reakcija list'ev kukuruzy, vyzvannaja monohromaticheskim svetom razlichnoj intensivnosti i dliny volny [Electrical reaction corn leaf caused by monochromatic light of different intensities and wavelength]. Biofizika 19(5), 878-884 (in Russian).
Rybin, I.A., Obolonskij, V.V., Jefimov, A.K., 1972. Zavisimost' perehodnoj biojelektricheskoj reakcii lista rastenija ot spek-tral'nogo sostava sveta [Depending of transition bioelectrical reaction of leaf plants from the spectral composition of light]. Fiziologija Rastenij 18(6), 1170-1173 (in Russian).
Rybin, I.A., Obolonskij, V.V., Miheeva, S.A., 1977. O dvuh komponentah svetoinducirovannoj jelektroreakcii list'ev vysshih rastenij [About two components of light-induced effect of leaves of higher plants]. Fiziologija Rastenij 24(6), 1165-1173 (in Russian).
Volkov, G.A., Misjuk, L.A., 1971. Ob interpretacii biojelektricheskoj reakcii rastenija na razdrazhenie na primere sveta [On the interpretation of bioelectrical plant response to stimulation by the example of the light]. Doklady AN SSSR 197(6), 1435-1437 (in Russian).
Hadiumna do редкonегii 14.09.2015
