CC BY
87
А.П. Зотикова, О.Г. Бендер
СВЯЗЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ХВОИ С РОСТОМ САЖЕНЦЕВ КЕДРА СИБИРСКОГО
Работа выполнена при поддержке проекта фундаментальных исследований СО РАН 23.1.7 и проектов РФФИ № 04—04 - 49795, № 06-04 - 49065а.
Анализируются содержание фотосинтетических пигментов и функциональная активность изолированных хлоропластов саженцев кедра сибирского, различающихся показателями роста. Показано, что содержание хлорофиллов а и Ь, а также кароти-ноидов слабо коррелирует с ростовыми параметрами. Первичные фотохимические реакции протекают у быстро растущих саженцев с большей скоростью по сравнению с медленно растущими.
Для разработки научных основ плантационного выращивания хвойных растений необходимо исследование их структурных и функциональных особенностей. Немаловажное значение в оценке продуктивности растений имеет фотосинтез, интенсивность работы которого зависит как от внутренних, так и от внешних факторов. В предшествующих исследованиях фотосинтетической деятельности хвойных преимущественное внимание уделялось изучению пигментного фонда. Однако имеющиеся материалы о корреляции ростовых показателей и содержания фотосинтетических пигментов у хвойных отражают неконкретность характера этой связи, ее нестабильность, а иногда и некоторую противоречивость. По одним данным, увеличение количества зеленых и желтых пигментов в хвое полусибсового потомства сосны обыкновенной происходило в основном за счет возрастания хлорофилла b и каротиноидов [1], по другим, наоборот, за счет повышения хлорофилла a [2]. В молодой хвое трехлетних саженцев ели уменьшение количества хлорофиллов и каротиноидов коррелировало со снижением величины их роста и ветвления [3].
Очевидно, что наряду с количественными характеристиками пигментного фонда необходимо изучение активности фотосинтетической деятельности листового аппарата, во многом определяющей продуктивность растительного организма. Высокая наследственная обусловленность, широкий диапазон генотипического варьирования и определенные корреляционные связи процессов роста и продуктивности с первичными реакциями фотосинтеза сегодня достаточно широко показаны на примере зерновых культур и травянистых растений [4-6]. Связь характеристик пигментного фонда со спецификой первичных фотохимических реакций и ростом у древесных растений изучена недостаточно. Имеются работы о параллельном снижении активности фотосинтеза и содержания количества пигментов у некоторых хвойных пород [3, 7], а также о повышении активности реакции Хилла в период интенсивного роста осины [8]. Данных подобного рода для кедра сибирского нами не обнаружено. Целью настоящей работы явилось сравнительное исследование содержания фотосин-тетических пигментов и функциональной активности хло-ропластов в двухлетней хвое саженцев кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), различающихся параметрами роста.
Объекты и методики исследования
Исследования проводили на 2-5-летних саженцах кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), выращенных в открытом грунте научного стационара «Кедр» Инсти-
тута мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. На основании характеристик развития более 500 растений выделены особи, достоверно различающиеся размерами линейного роста и ветвления оси побега (количество латеральных почек в годичной мутовке) на протяжении всех лет исследований. Из этих сеянцев сформированы две группы (быстро и медленно растущие). Среднестатистические характеристики роста сеянцев этих групп представлены в табл. 1.
Для определения фотосинтетических пигментов и функциональной активности хлоропластов использовали среднюю пробу двухлетней хвои из соответствующей группы саженцев. Исследования проводили в течение лета 3 раза: в июне, июле и августе. Содержание пигментов в хвое и суспензии хлоропластов определяли спектрофотометрически согласно [9]. При выделении хлоропластов хвою растирали в среде выделения следующего состава:
0.05 М трис-НС1-буфер рН 8,0, 0,4 М сахароза, 1 мМ ЭДТА, 1 мМ МяС12, 0,5% бычий альбумин. Скорость фотовосстановления феррицианида калия и фотофосфорили-рования определяли потенциометрическим методом [9]. Реакционная среда объемом 10 мл содержала (в мкмолях): сахароза - 400, №СІ - 100, №2 НРО4 - 3, МяСІ2 - 2, АДФ -
1, КзРе(СК)6 - 1. Реакции измеряли при освещении кюветы белым светом интенсивностью 150 Вт/м.
Эксперименты проводили в 4-кратной биологической повторности. В таблицах приведены средние арифметические данные и ошибка средней.
Результаты и обсуждение
Проведенные наблюдения показали, что растения, относящиеся к разным группам по типу роста, в течение нескольких лет статистически достоверно различались величиной годичного прироста, ветвления и длиной хвои (табл. 1). На пятый год жизни группы саженцев сохраняли наблюдавшуюся ранее неоднозначность линейного роста оси побега, а изучение его динамики показало, что различия в величине роста между отдельными группами достигались к началу периода активного роста и сохранялись в дальнейшем до конца вегетации (рис. 1). Различия между активностью и продолжительностью роста побегов показаны также у быстро и медленно растущих лиственниц в возрасте 4-8 лет [10].
Расценивая вышеприведенные данные как аналог сезонного хода морфогенеза [11], можно говорить преимущественно о различиях внепочечного роста саженцев, т.е. о различиях в величине роста растяжением стебля у саженцев разных форм.
Характеристики роста саженцев кедра сибирского
Группа Возраст саженца, лет
2 3 4
Длина годичного прироста, см
Медленно растущие 15,24±0,30 22,73±0,51 36,06±1,06
Быстро растущие 16,29±0,39* 24,29±0,44* 42,48±1,11*
Длина хвои, мм
Медленно растущие 42,96±1,09 37,70±2,31 52,20±2,49
Быстро растущие 45,11±0,63* 40,33±0,72 66,42±1,01*
Число ауксибластов, шт./мутовка
Медленно растущие 1,09±0,05 0,57±0,05
Быстро растущие 0,85±0,07* 0,32±0,05
* Статистически достоверные различия.
110,0
100,0
90.0
80.0
70.0
60.0 50,0
2.УІ 6.УІ 8.УІ
Дата наблюдения
10.УІ
■медленно растущие
' быстро растущие
Рис. 1. Длина оси годичного побега у саженцев кедра сибирского
Определение содержания фотосинтетических пигментов в двухлетней хвое саженцев в течение летнего периода показало, что максимальное количество хлорофиллов a и Ь, а также суммы каротиноидов накапливается в июле (рис. 2). О степени сформированное™ фото-синтетического аппарата обычно судят по отношению хлорофилл a/b, которое в норме у травянистых растений колеблется от 2,2 до 3. В двухлетней хвое саженцев это отношение не отличалось от покрытосеменных растений и составляло 2,8-3,3. Отношение суммы хлорофиллов к каротиноидам в течение всего срока наблюдений практически не изменялось. Проведенные исследования не установили прямую зависимость между высотой саженцев и содержанием фотосинтетических пигментов в двухлетней хвое (рис. 2). Однако в отдельные сроки вегетации пул хлорофиллов, особенно хлорофилла Ь, у медленно растущих саженцев по сравнению с быстро растущими был немного ниже.
Соответственно соотношение отдельных групп пигментов было близким за исключением июльских проб. Полученные результаты указывают на небольшие различия в гетерогенности пигментных форм, связанных с фотосистемой II и светособирающим комплексом у саженцев, отличающихся интенсивностью роста. Известно, что видимый рост побегов в длину у кедра сибирского в июле практически закончен. Очевидно, в условиях чрезвычайной лабильности пигментов полу-
ченный результат может быть свидетельством косвенной связи их количества с отдельными этапами ростовых процессов и их адаптивной изменчивостью. В литературе неоднократно отмечены возрастные, суточные и сезонные колебания хлорофиллов и каротиноидов [3, 7]; показаны экологические аспекты специфики сезонной динамики пигментных пластид [12, 13], корреляции ее хода с сезонным ритмом роста хвои и побегов [14], а также связь количественного содержания пигментов с возрастом хвои, положением побега в кроне и его половым типом [15]. Уровень изменчивости хлорофиллов был неоднозначен у разных фено- и морфо-форм, а также на последовательных фазах развития дерева [7, 16]. С учетом этого полученные результаты (рис. 2) можно оценить как подтверждение имеющихся данных о том, что содержание фотосинтетических пигментов - параметр, непосредственно не связанный со скоростью роста, а скорее всего, адаптивная реакция, которая в большей степени зависит от возрастных, сезонных и экологических изменений.
В [6] показано, что в реализации фотосинтетической функции важно не только общее содержание хлорофилла, но и его организация в пигмент - белковолипидные комплексы и фотосистемы. Первичные фотохимические процессы находятся в большой зависимости от внешних факторов среды, а также подвержены направленной физиоло-го-биохимической регуляции со стороны клетки. Кроме
того, современные представления в области физиологиче- чески обусловленные особенности структурно-функцио-ской генетики позволяют считать, что существуют генети- нальной организации фотосистем хлоропластов [6, 17].
1400
1200 -
8 1000 -
СП
5« 800
О & л о
600 -
400
200
I
I
I
1
[
I
I
I
V--
1
БР МР БР МР БР МР
Июнь Июль Август
□ хлорофилл а □ хлорофилл Ь □ каротиноиды
0
Рис. 2. Содержание фотосинтетических пигментов в хвое саженцев кедра сибирского
Одним из параметров, характеризующих хлоропла-сты, можно считать их фотохимическую активность. Исследование реакций фотовосстановления феррициа-нида и нециклического фотофосфорилирования, характеризующих работу второй фотосистемы фотосинтеза, выявило некоторую специфику в осуществлении первичных фотохимических процессов у быстро и медленно растущих саженцев (табл. 2). Медленно растущие растения отличались от быстро растущих значительно меньшими скоростями реакции Хилла и сопряженного с ней нециклического фотофосфорилирования. Важно, что активности вышеуказанных реакций различались в течение всего периода исследований. Особенно низкая
активность хлоропластов медленно растущих форм отмечалась в июне, что в процентном отношении составляло 25-40% по сравнению с быстро растущими. К концу лета скорость исследованных процессов у медленно растущих саженцев несколько увеличивалась, но так и не достигала значений, характерных для быстро растущих форм. Более значительные различия между вариантами наблюдались в реакциях нециклического фотофосфорилирования, а не в реакциях, связанных с транспортом электронов. Поэтому и отношение Р/2е, определяющее степень сопряжения реакций электронного транспорта с фотофосфорилированием, у медленно растущих форм было ниже.
Т а б л и ц а 2
Функциональная активность хлоропластов саженцев кедра сибирского
Время определения Группа Скорость фотовосстановления феррицианида калия, мкМ К3Ре(СКу мг-Хл-ч Скорость нециклического фото-фосфорилирования, мкМ АТФ/ мг • Хл • ч Р/2е*
Быстро растущие 384,6±18,5 240,5±14,1 0,63
Медленно растущие 153,9±11,0 86,2±10.1 0,57
Быстро растущие 258,1±12,1 185,1±17,1 0,72
Медленно растущие 139,4±3,1 75,0±2,2 0,54
Быстро растущие 390,6±5,1 307,6±5,0 0,79
Медленно растущие 197,2±21,1 135,0±19,4 0,68
* Физиологический смысл отношения см. в тексте.
Реакцию фотовосстановления феррицианида калия измеряли в присутствии фосфатакцепторной системы (АТФ+Фн), которая, как известно, стимулирует электронный транспорт и дает возможность характеризовать потенциальную восстановительную активность хлоропластов. Полученные результаты указывают на то, что электронный транспорт у быстро растущих саженцев потенциально активнее и в большей степени сопряжен с процессами трансформации энергии.
Следует отметить, что ранее для сосны и ели была показана тесная связь интенсивности фотосинтеза [3] или функциональной активности хлоропластов [11, 18]
с содержанием реакционных центров фотосистемы II. Поэтому можно предположить, что в структурном отношении различия в фотохимической активности хло-ропластов у исследованных групп саженцев обусловлены, вероятно, спецификой организации фотосистем и содержанием реакционных центров фотосистемы II. Как показали проведенные исследования, высокая активность реакции Хилла и нециклического фотофос-форилирования у быстро растущих форм свидетельствует об эффективной работе процессов фотосинтеза в течение всего летнего периода. По-видимому, высокая фотосинтетическая функция хвои у быстро растущих
форм имеет важное значение в реализации роста. Другие авторы также отмечали зависимость скорости роста у С3-, С4- и Сам-растений от различий в светособирающих комплексах и путях фиксации углерода. Установлено наличие количественных соотношений между структурой фотосинтетического аппарата, которая создается в процессе роста, и его фотосинтетической функцией [17, 19]. Проблема интеграции фотосинтеза и роста у многолетних древесных растений осложняется еще и тем, что рост у них осуществляется в большей степени за счет
ассимилятов прошлых лет, и это, несомненно, требует изучения организации и регуляции донорно-ак-цепторных отношений.
Таким образом, повышение активности электро-транспортных реакций и нециклического фотофосфо-рилирования у быстро растущих саженцев дает больший выход высокоэнергетических соединений, вероятно, способствуя тем самым большему образованию в процессе фотосинтеза метаболитов, необходимых для усиления роста кедра сибирского.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мирославов Е.А., Алексеева О.А. О смепе популяций хлоропластов в клетках мезофилла вечнозеленых древесных растений // Экология лесов
Севера. Сыктывкар, i989. Т. 2. С. i0.
2. Дудыч Я.И. Особенности роста и накопления пигментов у полусибсовых сеянцев сосны обыкновенной // Проблемы физиологии и биохимии
древесных растений. Петрозаводск, i989. С. i75.
3. Цельникер Ю.Л., Малкина И.С., Ковалев А.Г. и др. Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев. М.: Наука, i993. 256 с.
4. АбдуллаевХ.А., Красичкова Г.В., Насыров Ю.С. Селекция по физиологическим тестам на фотосинтетическую продуктивность // Фотосинтез
и продукционный процесс. М.: Наука, i988. С. 258-262.
5. Коф Э.М., Ооржак А.С., Виноградова И.А., Калиберная З.В., Кренделева Т.Е., Кукарских Г.П., Кондыков И.В., Чувашева Е.С. Листовой аппа-
рат, пигментный комплекс и продуктивность дикого и афильного генотипов гороха // Физиология растений. 2004. Т. 5i, № 4. С. 500-506.
6.МокроносовА.Т., ГавриленкоВ.Ф. Фотосинтез: физиолого-экологические и биохимические аспекты. М.: Изд-во Моск. ун-та, i996. 320 с.
7. Ходасевич Э.В. Фотосинтетический аппарат хвойных. Минск: Наука и техника, i982. i99 с.
8. Попова Н.М. О фотохимической активности внелистовых хлоропластов древесных растений // Проблемы физиологии и биохимии древесных
растений. Красноярск, i974. Вып. 2. С. 27.
9. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003. 256 с.
10. Федорова А.И. Изучение ростовых веществ у лиственницы сибирской разной интенсивности роста // Проблемы физиологии и биохимии древесных растений. Красноярск, i974. Вып. 2. С. 77-79.
11. SmittM. Regulation of Metabolism in Transgenic Plants // Ann. Rev. Plant Physiol. Plan Mol. Biol. i995. Vol. 46. P. 34i.
12. Коренные еловые леса Севера: биоразнообразие, структура, функции. СПб.: Наука, 2006. 337 с.
13. Зотикова А.П., Бендер О.Г., Рудник Т.И. Экофизиологические реакции листового аппарата кедра сибирского на изменение климата // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. i9, N° ii. С. 969-972.
14. Тужилкина В.В, Веретенников А.В. Пигменты хвои сосны и ели // Эколого-биологические основы повышения продуктивности таежных лесов Европейского Севера. Л.: Наука, i98i. С. i 08- ii9.
15. Цельникер Ю.Л., Корзухин М.Д., Суворова Г.Г., Янькова Л.С. и др. Модельный анализ влияния факторов среды на фотосинтез хвойных
Предбайкалья // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: Матер. докл. Междунар. конф. Сыктывкар, 2007. Ч. 3.
С.ii 7-ii9.
16. Рубцов В.И. Изменчивость фенологических форм ели обыкновенной в молодняках // Лес, геоботаника и биология древесных растений. Тула, i973. С. 110-115.
17. Ладыгин В.Г. Редукция мембранной системы хлоропластов при нарушении ранних этапов биосинтеза хлорофилла // Физиология растений. 2006. Т. 53, № i. С. i5-30.
18. Зотикова А.П., Ананьев Г.М., Аллахвердиев С.И. и др. Спектральные и функциональные свойства хлоропластов проростков шсны, выращенной на свету и в темноте // Физиология растений. i987. Т. 34, вып. 3. С. 445-452.
19. Oguist G., Martin B. Inhibition of photosynthetic electron transport and formation of inicative chlorophyll in winter stressed Pinus silvestris L. // Physiol. plant. i980. Vol. 48, № i. P. 33-38.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 3 декабря 2007 г.
