CC BY
10
УДК 581.1:577.1 DOI: 10.24412/2071-6176-2023-4-140-148
СОДЕРЖАНИЕ ПИГМЕНТОВ ФОТОСИНТЕЗА В ЛИСТЬЯХ СТОЛОВОЙ СВЕКЛЫ РАЗНЫХ СОРТОВ
А.С. Федуков, В.В. Иванищев
Впервые проведено исследование, касающееся содержания пигментов фотосинтеза и их соотношения у ряда сортов столовой свеклы: Египетская плоская, Ларка, Кардинал и Смуглянка. Установлено, что содержание хлорофилла а и хлорофилла b было невысоким в сравнении с другими растениями. При этом в ходе онтогенеза содержание хлорофиллов становилось либо больше, либо меньше в зависимости от сорта растений столовой свеклы. Для каротиноидов наблюдали аналогичную картину. Соотношение основных форм хлорофилла и их участие в структуре светособирающих комплексов значительно отличается от того, что известно на сегодняшний день для большинства изученных растений. При этом величина отношения суммарного хлорофилла к содержанию каротиноидов находилась в пределах, характерных для многих растений.
Ключевые слова: Beta vulgaris, столовая свекла, листья, пигменты фотосинтеза, соотношение пигментов.
Введение
Красная свекла не только относится к важным овощным культурам нашей страны, но и входит в десятку самых популярных видов овощей в ряде стран [1]. В корнеплодах свеклы столовой содержится 12-20 % сухого вещества, 4-12 % сахара, 1,5 % белка и 0,8 % клетчатки. Кроме того, в корнеплодах и листьях этого растения присутствует большое количество биологически активных соединений, положительно влияющих на здоровье человека. При этом показана возможность использования свекольного сока и экстрактов из этого растения в качестве препаратов традиционной медицины, пищевых красителей, косметических добавок [2-4].
Наиболее известными веществами свеклы являются беталаины, которые представляют собой азотсодержащие водорастворимые растительные пигменты [4]. Первичными группами беталаинов являются красно-фиолетовые бетацианины и желтые бетаксантины, обе из которых обладают превосходными антимикробными и противовирусными свойствами [5]. Более того, эти вещества обладают потенциалом ингибировать пролиферацию опухолевых клеток [6].
Изложенное выше объясняет интерес исследователей к особенностям фотосинтетического процесса растений свеклы с целью оптимизации технологий возделывания для улучшения качества продукции. Среди незначительного количества подобных работ следует отметить исследование бразильских ученых [7]. При этом других
известных работ, посвященных изучению особенностей фотосинтеза растений столовой свеклы, на сегодняшний день нами не обнаружено.
Достаточно давно установлено, что основными пигментами листа, важными для фотосинтетического процесса, являются хлорофиллы а, b и каротиноиды, благодаря которым энергия солнечного света преобразуется в энергию высокоэнергетических химических связей НАДФН и АТФ [8]. При этом в ходе онтогенеза растений содержание пигментов, их соотношение и организация пигментной системы могут меняться. Свекла столовая - одна из практически не изученных в этом отношении сельскохозяйственных культур, что объясняет актуальность и необходимость проведения подобных исследований.
В связи с этим цель данной работы состояла в изучении особенностей содержания и соотношения основных пигментов фотосинтеза в главном органе фотосинтеза - листе.
Материалы и методы исследования
Объекты настоящего исследования - листья свеклы столовой (Beta vulgaris) сортов Египетская плоская, Кардинал, Ларка и Смуглянка.
Сорт Египетская плоская относится к среднеспелым, характеризуется циклом вегетации от 94 до 120 дней, форма корнеплода -плоская, масса 280-400 (иногда до 500-530 г) [9]. Сорт Ларка также относится к сортам среднего срока созревания, форма корнеплода округлой формы с массой 150-300 г [10]. Сорт Кардинал относят к раннеспелым сортам с круглой формой плодов и массой 220-350 г. При этом сорт характеризуется высоким содержанием сахаров (до 10-15%) [11]. Сорт Смуглянка является среднеспелым сортом с плоскоокруглой формой плодов, обладающих массой 240-380 г, также с высоким содержанием сахара (7,4-15 %) [12].
Растения выращивали на территории частного хозяйства Тульской области на дерново-подзолистой почве. Плотность посадки соответствовала рекомендациям и составляла 40 растений на 1 кв м.
Для исследования отбирали листья растений на 50-й и 80-й дни после посадки. Первая дата соответствует фазе развития первой-пятой пары настоящих листьев, вторая - фазе формирования корнеплодов. Количественное определение пигментов фотосинтеза проводили, используя полностью сформированные листья в соответствии с известной методикой, применяя в качестве экстрактора этиловый спирт. Спиртовые вытяжки фильтровали, полученные растворы колориметрировали с использованием спектрофотометра при разных длинах волн: 665, 649 и 470 нм с последующими расчетами в соответствии с известными формулами [13]. Содержание пигментов выражали в мг на 1 г сырой массы листьев растений столовой свеклы. Долю основного пигмента фотосинтеза -
хлорофилла в составе светособирающего комплекса (ССК) рассчитывали на основании представлений о том, что в составе ССК находится весь хлорофилл b и хлорофилл а в количестве, составляющем 1,2 от содержания хлорофилла b [14, 15].
Эксперименты проведены в трех биологических повторностях. Статистическую обработку результатов исследования проводили с помощью статистической программы Excel. Приведенные результаты представляют собой средние величины (Р=0,05).
Результаты и их обсуждение
Исследование содержания пигментов фотосинтеза в листьях растений показало, что их содержание сильно различалось в зависимости от сорта столовой свеклы и фазы онтогенеза растений. Это касалось всех основных пигментов: хлорофилла а, хлорофилла Ь и каротиноидов. В фазу образования первой-пятой пары настоящих листьев (50 дней) наименьшее содержание основного пигмента фотосинтеза - хлорофилла а наблюдали в листьях свеклы сортов Египетская плоская и Смуглянка, наибольшая величина была получена для сорта Ларка (рис. 1).
Ш 1.4
(L ■О
и 1.2
^
Ъ 1
и и го
S 0.8
>5
о
^ 0.6 .о
и
< 0.4
%
0.2
II I.
Египетская плоская Ларка Кардинал Смуглянка
Сорта столовой свеклы ■ Фаза пятой пары настоящих листьев ■ Фаза формирования корнеплодов
Рис. 1. Содержание хлорофилла а в листьях сортов свеклы
В фазу образования корнеплодов (80 дней) наблюдали несколько иную картину. Наименьшая величина была получена для сорта Смуглянка, но наибольшую также наблюдали у сорта Ларка. При этом у сорта Смуглянка происходило снижение содержания этого пигмента в фазу образования корнеплодов, у сорта Кардинал - изменения были
0
незначительными, в то время как для оставшихся других сортов наблюдали увеличение количества хлорофилла а в листьях растений.
Сравнение с литературными данными показывает, что наши результаты соответствовали результатам других авторов, изучавших влияние разных доз и видов удобрения на формирование растений и урожай столовой свеклы сорта «Раннее чудо» и определявших содержание пигментов в листьях растений в возрасте 45 и 90 дней [7].
Определение содержания другого пигмента фотосинтеза -хлорофилла Ь показало, что наименьшая величина в фазу образования первой-пятой пары настоящих листьев (50 дней) была получена для листьев свеклы сорта Египетская плоская, в то время как наибольшую величину получили для сорта Смуглянка (рис. 2).
0.16 0.14 0.12 -
¡3 0.1 -
и то
5 0.08 -
х
о. 0.06 -
-О
^ 0.04 -
5 0.02
Египетская плоская Ларка Кардинал Смуглянка
Сорта столовой свеклы
Фаза пятой пары настоящих листьев ■ Фаза формирования корнеплодов
0
Рис. 2. Содержание хлорофилла Ь в листьях сортов свеклы
В фазу формирования корнеплодов (80 дней) наименьшее содержание хлорофилла Ь было обнаружено в листьях у сорта Смуглянка, а наибольшая - в листья свеклы сорта Ларка. При этом для двух сортов (Смуглянка и Кардинал) наблюдали снижение содержания хлорофилла Ь во вторую фазу роста и развития растений, а для двух других сортов свеклы (Египетская плоская и Ларка), напротив, увеличение содержания этого пигмента.
Сравнение с результатами других авторов показало, что изученные нами сорта столовой свеклы характеризовались более низким содержанием хлорофилла Ь в возрасте растений 45 дней у авторов и 50 дней - у нас, но в
возрасте 90 дней у авторов и 80 дней - у нас результаты были сопоставимы
[7].
Изучение содержания еще одной группы пигментов фотосинтеза -каротиноидов показало, что в фазу образования первой-пятой пары настоящих листьев (50 дней) наименьшее содержание каротиноидов было обнаружено в листьях свеклы Египетская плоская, а наибольшая - в листьях сорта Ларка (рис. 3).
0.45
со
ш 0.4 .о
| 0.35
3 0.3
и
га 0.25
%
>| °.2 о.
Ъ 0.15
и
< 0.1 0.05
||
Египетская плоская Ларка Кардинал Смуглянка
Сорта столовой свеклы
■ Фаза пятой пары настоящих листьев ■ Фаза формирования корнеплодов
Рис. 3. Содержание каротиноидов в листьях сортов свеклы
В фазу образования корнеплодов (80 дней) наблюдали наименьшее содержание каротиноидов в листьях растений сорта Смуглянка, а наибольшее - в листьях свеклы сорта Ларка. При этом только у двух сортов наблюдали снижение содержания каротиноидов в листьях столовой свеклы сортов Египетская плоская и Ларка. У листьев сорта Кардинал изменений не происходило. У сорта Смуглянка наблюдали снижение содержания каротиноидов (рис. 3).
Сравнение с исследованиями других авторов показало, что изученные нами сорта столовой свеклы характеризовались примерно таким же содержанием каротиноидов в возрасте растений 45-50 дней, но в возрасте 80-90 дней величины, полученные другими исследователями, были ниже [7].
Для характеристики особенностей функционирования пигментного аппарата растений важное значение имеет не только общее содержание пигментов фотосинтеза, но также их соотношение и участие в формировании светособирающих комплексов (ССК), характеризующих особенности строения фотосинтетических единиц и пигмент-белковых комплексов, обеспечивающих эффективное усвоение энергии солнечного света [8].
0
В таблице, приведенной ниже, собраны результаты расчетов, характеризующих описанные соотношения количеств пигментов в листьях столовой свеклы изученных сортов.
Таблица 1
Соотношения пигментов фотосинтеза и доля хлорофилла в светособирающем комплексе (ССК) пигментов
Сорт Возраст растений Хлф а / Хлф Ь (Хлф а + Хлф Ь) / Карт Доля Хлф в ССК, %
Египетская плоская 50 дней 27,92 2,97 7,6
80 дней 7,54 3,08 25,8
Ларка 50 дней 15,0 2,80 13,8
80 дней 8,64 3,29 22,8
Кардинал 50 дней 7,19 3,20 26,9
80 дней 8,85 3,14 22,3
Смуглянка 50 дней 3,63 3,24 47,5
80 дней 5,49 2,80 33,9
Примечание: Хлф - хлорофилл, Карт - каротиноиды
Изучение соотношения форм хлорофилла показало неожиданные результаты для разных сортов столовой свеклы. Известно, что часто соотношение форм хлорофилла а и Ь колеблется в относительно небольших пределах - от 2 до 5 [8, 16]. Так, для листьев ежевики эта величина варьировала в еще меньших пределах, но в ходе онтогенеза соотношение увеличивалось, либо снижалось в зависимости от сорта растения [17].
В наших экспериментах (табл. 1) близкие к обычным величины были получены только для листьев свеклы сорта Смуглянка. Для других сортов свеклы величины были не просто более высокими, но и даже запредельными, а именно: для сорта Ларка в фазу первой-пятой пары листьев величина достигала 15, а для сорта Египетская плоская еще (почти вдвое) выше (табл.). При этом для форм Смуглянка и Кардинал величина соотношения основных форм хлорофилла возрастала, в то время как для двух других сортов столовой свеклы наблюдали противоположную картину, а именно: снижение в два и более раз.
Такая картина кажется невозможной, однако следующая характеристика - отношение содержания суммарного хлорофилла к каротиноидам мало менялась в зависимости как от сорта, так и фазы развития растений столовой свеклы (табл. 1). Кроме того, известно, что примерно для третьей части наземных растений характерно соотношение Суммарный хлорофилл / Каротиноиды в пределах 2,0-3,9 [16]. Поскольку полученные нами результаты в полной мере укладываются в диапазон
указанных величин, поэтому можно считать, что представленные в выше приведенной таблице величины соотношения между общим хлорофиллом и каротиноидами являются вполне корректными.
Для фотосинтетического процесса важно не столько общее содержание пигментов, сколько их организация в фотосинтетические пигмент-белковые комплексы, собирающие энергию света и направляющие ее на процессы запасания, которые реализуются в накопление НАДФН и АТФ [8]. Несмотря на то, что молекулы хлорофилла а играют ключевую роль в передаче энергии солнечного света по цепи переноса электронов, являясь реакционными центрами фотосинтетических единиц [8], исследователи полагают, что только часть молекул этого пигмента задействована в структуре ССК. При этом считается, что в состав ССК входит весь хлорофилл Ь плюс 1,2 части от этого составляет хлорофилл а [14, 15]. Отсюда результаты наших экспериментов позволили рассчитать долю общего хлорофилла, которая организована в указанные структуры (таблица).
Результаты расчетов показывают, что наименьшая доля хлорофилла в структуре ССК представлена в листьях сорта Египетская плоская в фазу первая-пятая пара настоящих листьев (возраст растений - 50 дней), которая составила всего 7,6 %. Наибольшая величина была рассчитана для той же фазы развития у растений столовой свеклы сорта Смуглянка (47,5 %). При этом в фазу развития формирования корнеплодов (возраст растений - 80 дней) результаты для трех сортов оказались близкими, за исключением сорта Смуглянка (33,9 %). Сравнение результатов показывает, что онтогенетические изменения этой характеристики для изученных сортов также варьировали: у сортов Египетская плоская и Ларка наблюдали увеличение включения общего хлорофилла в структуру ССК, в то время как у других двух сортов наблюдали противоположную картину.
Некоторые авторы указывают, что доля хлорофилла в ССК составляет 52-65 % всего фонда хлорофилла листьев [16, 18]. Однако результаты нашего исследования значительно снижают нижнюю границу этого диапазона. Возможно, отчасти это связано с одновременным синтезом и накоплением в листьях свеклы столовой значительных количеств других пигментов (беталаинов), что нарушает процессы, важные для образования фотосинтетических единиц и формирования структур светособирающих комплексов.
Таким образом, впервые проведено исследование, касающееся изучения особенностей пигментного комплекса листьев для фотосинтетического процесса у ряда сортов столовой свеклы. Установлено, что соотношение основных форм хлорофилла и их участие в структуре светособирающих комплексов значительно отличается от того, что известно на сегодняшний день для многих изученных растений.
Список литературы
1. Takacs-Hajos M., Vargas-Ruboczki T. Evaluation of bioactive compounds in leaf and root of five beetroot varieties // Journal of Agriculture and Food Research. 2022. V. 7. P. 100280. [Электронный ресурс]. URL: https ://doi.org/10.1016/j.jafr.2022.100280.
2. Decker E.A. The role of phenolics, conjugated linoleic acid, carnosine, and pyrroloquinoline quinone as nonessential dietary antioxidants // Nutr. Rev. 2009. V. 53. № 3. P. 49-58. [Электронный ресурс]. URL: https://academic.oup.com/nutritionreviews/article-lookup/doi/10.1111/j.1753-4887.1995.tb01502.x
3. Henry B.S. Natural food colours // Natural Food Colorants. US, Boston, MA: Springer, 1996. P. 40-79. [Электронный ресурс]. URL: http://link.springer.com/10.1007/978-1-4615-2155-6_2.
4. Kujala T., Loponen J., Pihlaja K. Betalains and phenolics in red beetroot (Beta vulgaris) peel extracts: extraction and characterization // Zeitschrift fur Naturforsch - Sect. C. J. Biosci. 2001. V. 56. № 5-6. P. 343-348.
5. Strack D., Vogt T., Schliemann W. Recent advances in betalain research // Phytochemistry/ 2003. V. 62 (3). P. 247-269. [Электронный ресурс]. URL: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0031942202005642.
6. Reddy M.K., Alexander-Lindo R.L., Nair M.G. Relative inhibition of lipid peroxidation, cyclooxygenase enzymes, and human tumor cell proliferation by natural food colors // J. Agric. Food Chem. 2005. V. 53. № 23. P. 92689273. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/if051399i.
7. Chlorophyll content in beet cv. Early Wonder under nitrogen fertilization / P.Ferreira da Silva, R. Moreira de Matos, M.de Oliveira Pereira [et al.] // Rev. Ceres, Vi?osa. 2018. V. 66 № 6. P. 460-469. DOI: 10.1590/0034-737X201966060007.
8. Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 471 с.
9. Свекла Египетская плоская. [Электронный ресурс]. URL: https ://stroy-podskazka.ru/svekla/ sorta/e gipetskaya-ploskaya/.
10. Свекла столовая 'Ларка'. [Электронный ресурс]. URL: https://leplants.ru/veta-vulgaris-var-vulgaris-larka/.
11. Свекла Кардинал. [Электронный ресурс]. URL: https://stroy-podskazka.ru/svekla/sorta/kardinal/.
12. Свекла Смуглянка: описание сорта, фото, видео. [Электронный ресурс]. URL: https ://orton.ru/sorta-kultur/svekla/smuglyanka-svekla/?utm referrer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F.
13. Lichtenthaller H.K., Welburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. 1983. V. 11. N. 6. P. 591-592.
14. Lichtenthaller H.K. Chlorophylls and Carotenoids - Pigments of Photosynthetic Biomembranes // Methods Enzymol. 1987. V. 148. P. 350-382.
15. Maslova T.G., Popova I.A. Adaptive Properties of the Plant Pigment Systems // Photosynthetica. 1993. V. 29. P. 195-203.
16. Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность // Известия Уфимского научного центра РАН. 2018. № 3(4). С. 5-16 . DOI: 10.31040/2222-8349-2018-4-3-5-16.
17. Грюнер Л.А., Кулешова О.В. Количество и соотношение фотосинтетических пигментов в листьях ежевики // Современное садоводство - Contemporary horticulture. 2018. №3. C. 74-80. DOI: 10.24411/2312-6701-2018-10311.
18. Шмакова Н.Ю., Марковская Е.Ф. Фотосинтетические пигменты растений и лишайников арктических тундр Западного Шпицбергена // Физиология растений. 2010. Т. 57. № 6. С. 819-825.
Федуков Андрей Сергеевич, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Иванищев Виктор Васильевич, д-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
CONTENT OF PHOTOSYNTHESIS PIGMENTS IN LEAVES OF DIFFERENT
VARIETIES OF RED BEETROOT
A.S. Fedukov, V.V. Ivanishchev
The work was the first to conduct a study concerning the content of photosynthetic pigments and their ratio in a number of red beet varieties: Egyptian ploskaya, Larka, Cardinal and Smuglyanka. It was found that the content of chlorophyll a and chlorophyll b was low in comparison with other plants. Moreover, during ontogenesis, the chlorophyll content became either higher or lower depending on the variety of red beet plants. A similar picture was observed for carotenoids. The ratio of the main forms of chlorophyll and their participation in the structure of light-harvesting complexes differs significantly from what is known today for most studied plants. At the same time, the value of the ratio of total chlorophyll to the content of carotenoids was within the limits corresponding to many plants.
Keywords: Beta vulgaris, red beetroot, leaves, photosynthesis pigments, pigment ratio
Fedukov Andrey Sergeevich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Ivanishchev Viktor Vasilyevich, Doctor of Biology, Professor, Head of the Department, [email protected], Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
