CC BY
25
Вкник Днтропегровсьшго ун1версигету. Бiолоriя. Еколопя. - 2011. - Вип. 19, т. 2. - С. 103-108. Visnyk of Dnipropetrovsk University. Biology. Ecology. - 2011. - Vol. 19, N 2. - P. 103-108.
УДК 581.1.03+631.531.173
М. П. Моцний, Н. П. Боцьва, О. В. Слша, С. А. Уланова
Днтропетровський нацюнальний утверситет M. Олеся Гончара
ВПЛИВ ФОТОСТИМУЛЯЦП НА Б1ОЕЛЕКТРИЧНУ РЕАКЦ1Ю ЛИСТЯ КУКУРУДЗИ
Охарактеризовано закономрносп динам1ки бiопотенцiалiв листя паростк1в кукурудзи, що спри-чиняються фотостимулами бiлого, синього, зеленого та червоного кольорiв освплетстю 90 лк. Виявле-но яюсно подiбну динамжу бюелектрично1 реакцй рослини на биий i кольоровi стимули. К1льк1сно оц1нено ршт гшерполяризаци у кожнш сери дослщш. Установлено залежтсть ршнш сумарно1 гшерполяризаци вщ довжини хвил1 фотостимулу. 1з зменшенням довжини хвил1 середня ампл1туда потенщ-алу riперполяризащl зменшуеться з 57,7 для червоного до 27,7 мВ для синього свила. Проанал1зовано можлив1 механ1зми виникнення б1оелектрично1 реакцй рослини на свплове подразнення.
М. П. Моцный, Н. П. Боцьва, Е. В. Елина, Е. А. Уланова
Днепропетровский национальный университет им. Олеся Гончара
ВЛИЯНИЕ ФОТОСТИМУЛЯЦИИ НА БИОЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ РЕАКЦИЮ ЛИСТЬЕВ КУКУРУЗЫ
Охарактеризованы закономерности динамики биопотенциалов листьев проростков кукурузы, вызванных фотостимулами белого, синего, зеленого и красного цветов освещенностью 90 лк. Выявлена качественно схожая динамика биоэлектрической реакции растения на белый и цветные стимулы. Количествененно оценены уровни гиперполяризации в каждой серии опытов. Установлена зависимость уровней суммарной гиперполяризации от длины волны фотостимула. При уменьшении длины волны средняя амплитуда потенциала гиперполяризации уменьшается от 57,7 для красного до 27,7 мВ для синего света. Проанализированы возможные механизмы возникновения биоэлектрической реакции растения на световой стимул.
M. P. Motsnij, N. P. Botsva, О. V. Elina, Y. A. Ulanova
Oles' Honchar Dnipropetrovsk National University
EFFECT OF PHOTOSTIMULATION ON MAIZE LEAVES' BIOELECTRICAL RESPONSE
Dynamics of the maize leaves' biopotentials evoked by white, blue, green and red light stimuli with an intensity of 90 Lx illumination is analyzed. Qualitative similarity in dynamics of plant's bioelectrical response to white and colored stimuli is determined. Hyperpolarization levels are quantitatively estimated for each experimental series. Dependence of the total hyperpolarization levels on the photostimulus wave length is detected. Mean amplitude of the hyperpolarization potentials lessens when the wave length decreases: from 57.7 mV under the red light to 27.7 mV under the blue one. Probable forms of bioelectrical response initiation in photostimulated plants are analyzed.
Вступ
Останшм часом електрична активтсть вищих рослин все часпше стае об'ектом дослщження. Достатньо повно описаш електрогенез, види електрично! активносп та ти-
© М. П. Моцний, Н. П. Боцьва, О. В. Слша, С. А. Уланова, 2011
пи poзпoвcюдження cm^a^, poзглянyтo pi3RÍ види cтимyляцiï, яю викликaють електpo-генез [3; 4; S; 10; 12]. Виявлеш ocнoвm вiдмiннocтi електpoгенезy pocлинниx i твapинниx клiтин [б; 7; 11]. Вiдoмo, щo знaчний внешк в електpичний пoтенцiaл мембpaни pocmK-нoï клiтини poбить aктивний тpaнcпopт ioнiв, пoв'язaний i3 пеpетвopенням енеpгiï [5; 9].
Адеквaтний пoдpaзник для фoтocинтезyвaльниx зелениx pocлин - зм^ штенсив-нocтi cвiтлa. Однaк пoтенцiaли дiï пpи cвiтлoвoмy пoдpaзненнi виникaють не зaвжди, тому деяю aвтopи ввaжaють, щo бioелектpичнi pеaкцiï вищиx pocлин пpи cвiтлoвoмy збуджент пpиндипoвo в^^зняються вщ пoтенцiaлiв ди [14]. 3a меxaнiзмoм, який пpoпoнyeгьcя, тaкi пoтендiaли бiльш близью дo xiмiчнoгo cпocoбy збудження.
Теpмiн «фoтoiндyкoвaнi пoтенцiaли ди» деяю aвтopи викopиcтoвyють cтocoвнo звичaйниx пoтенцiaлiв дiï вищж^ pocлин [5-7]. Фoтoелектpичнi вiдпoвiдi у цж^ pocли-нax poзпoвcюджyютьcя у бaзиляpнoмy нaпpямкy вiд лиcткa дo кopеня тa с^тиню-ються бшим cвiтлoм a6o cвiтлoм певниx дoвжин xвиль, знaчення якиx збiгaютьcя з дoвжинaми xвиль фoтocинтезy. Тoмy зa виникнення тaкиx вiдпoвiдей, cкopiш зa все, вiдпoвiдae xлopoфiл. Виcлoвлюeгьcя пpипyщення пpo ocoбливий меxaнiзм генеpaцiï фoтoiндyкoвaниx пoтенцiaлiв дiï, пoв'язaний зi cвiтлoвoю aктивaцieю АТФ-фaзи xpoмoплacтiв [13; 14]. Ц вiдпoвiдi пpигнiчyютьcя дiypoнoм i не пiдкopяютьcя пpaвилy «все a6o m4oro». Тoмy ввaжaють, щo фoтoiндyкoвaнi пoтендiaли дiï - не cпpaвжнi пoтендiaли дiï в зaгaльнoпpийнятoмy poзyмiннi.
Однaк дo тепеpiшньoгo чacy poль фoтocтимyляцiï в електpoгенезi pocлин i зв'язoк електpoгенезy iз пpoцеcoм фoтocинтезy дocлiдженi недocтaтньo. Тoмy метa дaнoï poбoти - oцiнити динaмiкy cyмapниx пoтенцiaлiв, щo виникaють пiд чac фoтocтимyляцiï лиcткa кyкypyдзи cвiтлoм piзнoï дoвжини xвилi.
Mатерiал i методи дослщжень
Дocлiджyвaли листки кyкypyдзи copтy «Кaдp». Hacium кyкypyдзи виcaджyвaли в гopщики з Гpyнгoм i пpopoщyвaли у вoлoгoмy cеpедoвищi. Чеpез 20 дiб пicля пoяви cxoдiв mpocreM викopиcтoвyвaли в екcпеpименгax. Дocлiдження пpoвoдили in vivo.
Гopщик iз фунтом i pocлинoю poзтaшoвyвaли в темнш екpaнoвaнiй кaмеpi тa витpимyвaли у темpявi 30 xвилин для aдaптaцiï. Пoтiм нa лиcтoк pocлини cпpямoвyвa-ли випpoмiнювaння cтимyлятopa, cпецiaльнo cкoнcтpyйoвaнoгo нa ocнoвi cвiтлoдioдiв чoтиpьox кoльopiв: бiлoгo, cиньoгo (А = 470 нм), зеленoгo (А = 540 нм), чеpвoнoгo (А = 690 нм). Для зaпoбiгaння теpмiчнoмy нaгpiвaнню лиcткa викopиcтoвyвaли iнфpaчеpвoнi фiльтpи. Освплешсть, cтвopенy дioдaми, pегyлювaли cилoю сфуму в ниx, pеecтpyвaли кaлiбpoвaним люкcметpoм i для вcix дioдiв mдтpимyвaли нa piвнi 90 лк. 3a дoпoмoгoю pеле 4acy вcтaнoвлювaли тpивaлicть фoтocтимyляцiï - 600 с.
Вщвщш електpoди, щo не пoляpизyютьcя, poзмiщyвaли нa листку: aктивний -безпocеpедньo нa дiлянцi cвiтлoвoï плями вщ фoтocтимyлятopa, пacивний - нa iндифеpентнiй чacтинi лиcткa. Сигнaл з електpoдiв пoдaвaли нa пiдcилювaч пocтiйнoгo cтpyмy з pегyльoвaним кoефiцieнтoм тдсилення (1-10) тa pегyльoвaним пocтiйним piвнем, a ттам нa caмoпиcець «Endim». Кaлiбpyвaння вимipювaнoгo cигнaлy здiйcнювaли зa дoпoмoгoю cпецiaльнoгo кaлiбpyвaльнoгo генеpaтopa.
Результати та ïx обговорення
Пiд 4ac екcпеpиментiв фoтocтимyлятop зa дoпoмoгoю pеле 4acy вмикaли у мo-мент 4acy to. Пiд дieю бiлoгo св^тта з ocвiтленicтю 90 лк у лисп виникaли cклaднi електpичнi пoтенцiaли (pиc. 1a). У пoчаткoвiй фaзi цьoгo пoтендiaлy cпocтеpiгaли ш-poткoлaтентнy двoфaзнy депoляpизaцiю з aмплiтyдoю 5-S мВ. ïï змiнювaлa пoвiльнo
наростаюча фаза гшерполяризацп, яка сягала максимально! величини на 150-й секундi вщ початку стимуляцл. Потiм рiвень гшерполяризацп практично стабшзувався на значеннi 55-60 мВ. У момент вимкнення фотостимулятора (1 спостерiгали рiзкий стрибок потенщалу амплiтудою 10-12 мВ у бш гшерполяризацп. Далi потенцiал вiдновлювався на рiвнi, який в експериментах нерщко перебiльшував нульовий рiвень на 4-5 мВ. Перюд вiдновлення складав приблизно 250-300 с.
У наступнiй груш дослщв фотостимуляцiю проводили свiтлом iз рiзними дов-жинами хвиль при такш самiй фiксованiй освiтленостi 90 лк (рис. 16, в, г). У цшому динамша потенцiалiв не в^^знялась вiд динамiки вiдповiдей на стимулящю бiлим свiтлом, але простежували чiтку тенденцiю до зменшення амплгтуди потенцiалiв зi зменшенням довжини хвилi стимулювального свiтла.
Рис. 1. Бюпотенщали листка кукурудзи пвд час фотостимуляци з освiтленiстю 90 лк:
а - бше свггло, б - 690 нм, в - 540 нм, г - 470 нм
За усередненими результатами експериментiв проанашзували залежнiсть амплiтуди фотопотенцiалу вiд довжини хвил (рис. 2). Зi зменшенням довжини хвил середня амплiтуда потенщалу гшерполяризацп зменшилась з 57,7 мВ для червоного свила (690 нм) до 27,7 мВ для синього (470 нм).
Отримаш результати дають пiдстави стверджувати, що наявнiсть бюелектрично! реакцп на свiтлове подразнення напевно пов'язана з процесами фотосинтезу у клпинах листка. Показано [2], що при освиленш зелених клiтин зростае метаболiчна складова !х мембранного потенщалу, яку у нашому випадку реестрували як гiперполяризацiю
освплено! частини листка, що контактувала з активним електродом. Ця складова пов'язана з дiяльнiстю електрогенного Н насоса [4]. А, мВ
ВО -
50 -
40 -
20
450
500
550
600
650
700
750
Я, нм
Рис. 2. Залежшсть амплиуди бюпотенщалу (А) ввд довжини хвилi (Я) свила фотостимулятора
Деполяризацiя клiтин, що викликаеться iмпульсом свiтла, може бути пов'язана з сумарним потоком Н+ з мiжклiтинного середовища всередину клiтин. Виникнення потоку Н+ усерединi кштини пiсля короткого освiтлення може бути зумовлене низкою чинниюв: зростанням швидкосп пасивного надходження Н+ до цитоплазми, уповшьненням активного транспорту з цитоплазми до мiжклiтинного середовища або споживанням СО- з мiкрошару середовища у темнових реакцiях фотосинтезу. Разом iз цим, одержанi результати не виключають можливостi того, що поглинання свггла хло-ропластами викликае активацiю локашзованих у плазмолемi iонних каналiв. проник-них для протонiв i, як наслщок, змiну рН поверхнi кштини [1; 5; 15].
Розглянута деполяризащя може бути також сумарним потенщалом дii, що викликаеться локальним освггленням дiлянки листка шд активним електродом. Для з'ясування цього питання шд час реестрацii потенцiалiв збiльшили коефщент пiдсилення амплiтуди та швидкiсть каретки самописця (рис. 3). При фотостимуляцп листка зеленим i синiм свгглом пiд активним електродом реестрували потенщали деполяризацiйного типу амплiтудою 8-10 мВ i тривалiстю близько 160 с, по затанчент яких спостерiгалась фаза гшерполяризацл.
Фотоiндукована складова потенцiалу в зелених листках вищих рослин уже через декшька хвилин пiсля дп освiтлення суттево зростае i може сягати бшьше половини сумарного мембранного потенщалу [4]. Таким чином, фотостимульований потенцiал зелених клiтин вищих рослин може вщгравати важливу роль у формуванш загальноi метаболiчноi компоненти в цшому. Це припущення пiдтверджуеться результатами шпбггорного аналiзу. Такi агенти як дiурон i тентоксин блокують рiзнi фази фотостимулу, що зумовлюе зменшення сумарного мембранного потенцiалу до темнового рiвня. Джерелом енергii для генерацп фотоiндукованого потенцiалу можуть бути як АТФ, так i вщновлеш пiридиннуклеотиди [5].
Послiдовнiсть подiй, що вщбуваються у плазматичнiй мембранi рослинних клi-тин при iх стимуляцй свiтловими iмпульсами, можна показати таким чином. Первинна активащя Н+-АТФази спричинюе зниження мембранного потенцiалу до порогового рiвня, потiм вiдкриваються потенцiалзалежнi Са++-канали, вх1д юшв кальцiю у клiтину
активуе СГ-канали, за участi яких генеруеться фаза деполяризацп свгт^ндуковано! бюелектрично! реакцл. У генераци фази реполяризацп беруть участь юни К+.
Рис. 3. Бюпотенщали листка кукурудзи пвд активним електродом при локальному освiтленнi штенсившстю 90 лк: а - 540 нм, б - 470 нм
Коротколатентну деполяризацiю, амплiтуда яко! сягала десятюв мiлiвольт, мож-на пояснити на основi моделi, що зв'язуе потенщал плазмолеми з фотосинтезом [5; 6]. Необидно вщзначити, що цей потенщал не був стабшьним i мав максимальну амплiтуду при першш реестрацп. При повторних реестрацiях його амплтгуда рiзко зменшувалась, що також пiдтверджуе цю гiпотезу.
Фаза коротко! (10-15 с) гшерполяризацп, яка завжди виникала пiсля вимикання стимулу, ймовiрно, пов'язана з перехщними процесами при змш освiтлення. Ц про-цеси, у свою чергу, залежать вщ змiни рН цитоплазми [1; 15].
Отримаш результати добре узгоджуються з вщомими даними [14], вiдповiдно до яких максимальне поглинання свiтла у процеа фотосинтезу припадае на дiапазон 540690 нм (червоне та зелене свггло).
Висновки
Фотостимуляцiя листка паростка кукурудзи бшим свiтлом освгглешстю 90 лк спричинюе появу складного бюпотенщалу з початковою коротколатентною фазою деполяризацп та гiперполяризацiею, яка стабшзуеться у кiнцевiй фазi потенцiалу та повшьно наростае протягом 150-200 с. Вимкнення фотостимулу зумовлюе рiзкий стрибок фотоiндукованого потенцiалу у бiк ще бiльшо! гiперполяризацi! з його по-дальшим вiдновленням практично на початковому рiвнi. У разi стимуляцi! листя чер-воним, зеленим i сишм свiтлом освiтленiстю 90 лк динамша потенцiалу в цiлому не в^^зняеться вiд динамiки вiдповiдi на стимулящю бiлим свiтлом. За результатами аналiзу залежностi амплiтуди потенцiалу вiд довжини хвилi фотостимулу встановлено зменшення середньо! амплiтуди потенцiалу гiперполяризацi! з 57,7 для червоного до 27,7 мВ для синього свггла.
Б1бл1ограф1чн1 посилання
1. Воденеев В. А. Обратимое изменение внеклеточного рН при генерации потенциала действия у высшего растения Cucurbitapepo / В. А. Воденеев, В. А. Опритов, С. С. Пятыгин // Физиол. раст. - 2006. - Т. 53. - С. 538-545.
2. Исследование биоэлектрических реакций листьев кукурузы при фотостимуляции / М. П. Моцный, Н. П. Боцьва, Е. В. Елина, Л. Я. Садовская // Новости передовой науки. Матер. междунар. научн.-практ. конф. - Д., 2011. - С. 23-26.
3. Моцный М. П. Исследование биоэлектрической рекции растений, вызванной ритмической стимуляцией / М. П. Моцный, Е. В. Елина, С. В. Власова // Наука i освта. Матер. VII Мшнар. наук.-практ. конф. - Д., 2004. - С. 37-38.
4. Опритов В. А. Биоэлектрогенез у высших растений / В. А. Опритов, С. С. Пятыгин, В. Г. Ре-тивин. - М. : Наука, 1991. - 216 с.
5. Пяты1гин С. С. Сопряжение генерации потенциала действия в клетках растений с метаболизмом: современное состояние проблемы / С. С. Пятыгин, В. А. Воденеев, В. А. Опритов // Успехи соврем. биол. - 2005. - Т. 125. - С. 534-542.
6. Пятыгин С. С. Деполяризация плазматической мембраны как универсальная первичная биоэлектрическая реакция растительных клеток на действие различных факторов / С. С. Пятыгин, В. А. Воденеев, В. А. Опритов // Успехи соврем. биол. - 2006. - Т. 126. - С. 493-502.
7. Пятыгин С. С. Сигнальная роль потенциала действия у высших растений / С. С. Пятыгин, В. А. Опритов, В. А. Воденеев // Физиол. раст. - 2008. - Т. 55. - С. 312-319.
8. Смит К. Ю. М. Биология сенсорных систем. - М. : Бином, 2005. - 583 с.
9. Тарчевский И. А. Метаболизм растений при стрессе. - Казань : Наука, 2001. - 448 с.
10. Тарчевский И. А. Сигнальные системы клеток растений. - М. : Наука, 2002. - 294 с.
11. Davies E. New functions for electrical signals in plants // New Phytol. - 2004. - Vol. 161. -P. 607-610.
12. Mironova E. A. Effect of low-intensity infrared and millimeter radiation of higher plants' biopotentials / E. A. Mironova, Y. M. Romanovskii // Crit. Rev. Biomed. Eng. - 2001. - Vol. 29. -P. 430-439.
13. Shade-induced action potentials in Helianthus annuus L. originate primarilly from the epicotyl / R. Stahlberg, N. R. Stephens, R. E. Cieland, E. Van Volkenburgh // Plant Signal. Behav. - 2006. -Vol. 1. - P. 15-22.
14. Trebacz K. Action potentials evoked by light in traps of Dionaea muscipula / K. Trebacz A. Sievers // Ellis. Plant Cell Physiol. - 1998. - Vol. 39. - P. 369-372.
15. Vodeneev V. A. Reversible change of extracellular pH at the generation of mechano-induced electrical reaction in a stem of Cucurbita pepo / V. A. Vodeneev, S. S. Pyatygin, V. A. Opritov // Plant Sign. Behavior. - 2007. - P. 267-268.
Надшшла доредколегп 30.06.2011
