CC BY
50
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ С ИМПУЛЬСАМИ ИНДУКЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И
ПОСЛЕСВЕЧЕНИЯ
Е.А. КУЗНЕЦОВА, доц. каф. физикиМГУЛ, канд. физ.-мат. наук
Окончила физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова в 1969 г., аспирантуру на кафедре биофизики физического факультета МГУ в 1981 г.
Фотосинтез занимает центральное место в круговороте вещества и энергии на Земле. Изучение явлений утилизации света в фотосинтезе необходимо для понимания биоэнергетических процессов и регулятор-ных механизмов в растениях. Регуляторный механизм фотосинтеза проявляется в различных индукционных явлениях, в частности, явлениях индукции флуоресценции и послесвечения.
Важную информацию дают также исследования влияния температуры на эти процессы. Ранее автором были исследованы люминесцентные характеристики листьев растений при воздействии различных факторов, в том числе кинетические зависимости флуоресценции листьев от температуры [110]. Было обнаружено, что эти зависимости для листьев различных растений на разных стадиях развития принадлежат одному из трех типов: 1-й тип - для зачаточных листьев, 2-й - для молодых, 3-й - для зрелых листьев. Эти температурные зависимости флуоресценции постепенно переходят от 1-го типа ко 2-му и 3-му по мере созревания листьев для покрыто- и голосеменных растений, а также для голосеменных растений,
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 3/2005
141
пробуждающихся после зимнего покоя [1-5, 7, 8].
В данной работе представлены результаты экспериментального исследования кинетических зависимостей термоиндуциро-ванных изменений флуоресценции листьев растений с импульсами индукции флуоресценции и послесвечения.
Исследования были выполнены на многофункциональной флуориметрической установке, созданной на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова при непосредственном участии автора [11]. Эта установка содержит цилиндрический фосфороскоп с окнами, внутри которого вращается полый цилиндр с прорезями (обтюратор). В центре фосфороскопа расположена прозрачная кювета из кварцевого стекла, внутри ко-
торой помещается исследуемый лист (рис. 1). При совмещении окон подвижного и неподвижного цилиндров лист освещается то мощным действующим светом (ДС) с интенсивностью 0,4-100 Вт/м2, то слабым возбуждающим светом (ВС) с интенсивностью 0,010,03 Вт/м . Мощные импульсы ДС вызывают фотоиндуцированные изменения состояния листа и приводят к сильной флуоресценции и послесвечению. Когда свет ДС перекрывается стенкой обтюратора, совмещаются другие окна - в направлении от листа к каналу регистрации. Тогда люминесценция от листа проходит через эти окна и попадает на фотоэлектронный умножитель. Электрический сигнал после него разделяется разностным блоком на сигналы флуоресценции и послесвечения, которые регистрируются самописцами.
Рис. 1. Схема установки для исследования флуоресценции и послесвечения: ВС - источник
возбуждающего света, ДС - источник действующего света, ИО - исследуемый объект, Л1 и Л2 - кварцевые линзы, Л3 - конденсор с тепловым водяным фильтром, Ф1, Ф2, Ф3 - стеклянные светофильтры, Д3 - делительное зеркало, ФП - фотоприемник, У - усилитель, СД - синхронный детектор, Д - линейный детектор, РБ - разностный блок, КСП - компенсационные самопишущие потенциометры, М- механический модулятор, ФЭУ - фотоэлектронный умножитель, 1 - неподвижный цилиндр фосфороскопа, 2 - обтюратор, 3 - светопоглощающие уплотнители
Для исследования люминесценции листьев в зависимости от температуры в установке предусмотрена термостабилизи-рующая система. Она позволяет изменять температуру листа от 10 до 96 °С с погрешностью 0,1 °С при скорости нагрева 0,6-2 град/мин. Установка отличается высокой чувствительностью, стабильностью параметров и хорошей воспроизводимостью результатов.
На этой установке были получены зависимости интенсивности флуоресценции листьев от температуры, изменяющейся со временем - термограммы флуоресценции (ТГФ). При получении ТГФ в определенные моменты времени по мере роста температуры включали мощный свет ДС на время 310 с, в течение которого одновременно измеряли максимальные значения индукции флуоресценции и послесвечения. На рис. 2 и
3 приведены ТГФ листьев клена и ели с импульсами индукции флуоресценции и послесвечения.
За время воздействия ДС на ТГФ при Т = 20-50 °С получались пики индукции флуоресценции (рис. 2, а, б; рис. 3, в), величина которых АРР для листа клена в этом диапазоне температур была пропорциональна интенсивности света ДС /дС: АРр(Т) = А(Т) /дс, где А(Т) - коэффициент пропорциональности, зависящий от температуры.
С ростом температуры до 50 °С величина этих пиков изменялась до 0, уменьшаясь монотонно для листьев клена и проходя через максимум (при 41 °С) для листьев ели. Это видно из кривых 2 а, 2 б (рис. 2) и 2 (рис. 3), которые являются разностью огибающей пиков и кривой флуоресценции без ДС (ТГФ).
Рис. 2. Температурные зависимости флуоресценции (ТГФ) с импульсами индукции при
кратковременных включениях ДС для молодого листа клена: 1 - ТГФ с импульсами индукции флуоресценции (а, б) от ДС разной интенсивности /дс: а - /дс = 4 Вт/м2, б - 0,4 Вт/м2; 2а, 2б - разность огибающей импульсов индукции флуоресценции от ДС (а или б) и кривой флуоресценции (ТГФ) без ДС
Рис. 3. ТГФ с импульсами индукции флуоресценции (в) от ДС и импульсы послесвечения (г) в
интервалах между импульсами ДС для листа ели голубой в октябре при 1дс = 1 Вт/м2: 1 - ТГФ с импульсами индукции флуоресценции (в) от ДС, 2 - разность огибающей импульсов индукции флуоресценции (в) от ДС и кривой флуоресценции (ТГФ) без ДС, 3 - огибающая импульсов послесвечения
В области первого максимума термограммы флуоресценции при Т = 50-60 °С интенсивность уменьшалась при включении ДС как у клена, так и у ели. Вероятно, такое уменьшение интенсивности связано с тем, что в этой области температур при включении ДС снижается фоновая флуоресценция
ад [12].
При температуре Т> 60 °С ДС не оказывал влияния на интенсивность флуоресценции, т.е. на дальнейший вид ТГФ листьев клена и ели.
На рис. 3, кроме ТГФ и индукции флуоресценции листа ели, приведены также сигналы послесвечения 1п (г) в интервалах между импульсами ДС. Эти сигналы послесвечения (ПС) регистрировали на отдельном самописце. В области Т=20-50 °С величина импульсов ПС с ростом температуры сначала не изменяется, затем увеличивается, достигая максимума при 42 °С, после чего спадает до 0 при 50 °С (вместе с индукцией флуоресценции). Эти изменения ПС с тем-
пературой видны на кривой 3, которая является огибающей импульсов ПС. При Т > 50 °С послесвечение от ДС отсутствовало. Отметим, что при Т = 20-50 °С огибающие пиков индукции флуоресценции (2) и пиков ПС (3) имеют сходный характер.
Таким образом, получены температурные зависимости индукции флуоресценции и послесвечения листьев в виде пиков на термограммах флуоресценции при кратковременных включениях действующего света. Эти пики исчезали при 50 °С. В области 50-60 °С при включении действующего света интенсивность флуоресценции резко уменьшалась, образуя узкие впадины на термограммах, а послесвечение отсутствовало. При температуре более 60 °С действующий свет не оказывал влияния на вид термограмм флуоресценции. Установлена эмпирическая формула, согласно которой переменная составляющая импульсов флуоресценции АР на термограммах пропорциональна интенсивности действующего света
ДС. Полученные результаты целесообразно использовать для разработки математических моделей регуляторных механизмов фотосинтеза.
Библиографический список
1. Кузнецова Е.А. Исследование зависимости флуоресценции листьев растений от температуры // Биофизика. - 1981. - Т. 26. - Вып. 5. - С. 893894.
2. Кузнецова Е.А. Флуоресценция листьев высших растений при повышенных температурах // Биофизика. - 1982. - Т. 27. - Вып. 5. - С. 809-811.
3. Кузнецова Е.А. Термограммы флуоресценции листьев растений на разных стадиях развития // Тезисы докл. II Всероссийского съезда фотобиологов. - Пущино, 1998. - С. 46-49.
4. Кузнецова Е. А. Флуоресцентные и спектральные характеристики листьев растений при повышенных температурах // Тезисы докл. II съезда биофизиков России. - М., 1999. - Т. 3. - С. 41-42.
5. Кузнецова Е.А. Исследование флуоресценции листьев растений при повышенных температурах // Лесной вестник. - М.: МГУЛ, 2000. - № 2 (11). - С. 127-139.
6. Кузнецова Е. А. Температурный гистерезис флуоресценции листьев растений // Тезисы докл. Ме-ждунар. конф. «Математические и физические методы в экологии и мониторинге природной среды». - РАН-МГУЛ-ЦУП, 2001. - С. 167-170.
7. Кузнецова Е.А. Использование флуоресцентных методов для диагностики состояния растений // Тезисы докл. Междунар. конф. «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем». - М.: МГУЛ., - 2002.
8. Кузнецова Е.А. Люминесцентные характеристики листьев растений при повышенных температурах // Тезисы докл. Всероссийской научно-практической конференции «Физиология растений и экология на рубеже веков». - Ярославль, 2003. - С. 106.
9. Люминесценция и фотосинтетическая активность листьев растений, обработанных ингибитором и активатором фотосинтеза / В.А. Караваев, И.Б. Полякова, М.К. Солнцев, Е.А. Кузнецова, Т.П. Юрина, А.М. Кузнецов // Тезисы докл. V Международного симпозиума «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования». - Пущино, 2003.
10. Изменения фотосинтетического аппарата листьев бобов под действием регуляторов роста / Е.А. Кузнецова, В.А. Караваев, М.К. Солнцев, И.Б. Полякова, А. А. Малышев // Тезисы докл. III съезда биофизиков России. - Воронеж, 2004. - Т. 2. - С. 30-31.
11. Кузнецова Е.А. Оптимизация параметров регистрирующей установки для исследования фотолюминесценции биологических объектов // Науч. тр. / МЛТИ. - 1982. - Вып.145. - С. 81-84.
12. Кузнецова Е.А. Влияние интенсивности света на флуоресценцию листьев растений при различных температурах // Лесной вестник. - М.: МГУЛ, 2002. - № 1 (21). - С. 102-105.
