CC BY
48
ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА НА ФЛУОРЕСЦЕНЦИЮ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Е.А.КУЗНЕЦОВА, доцент кафедры физики МГУЛа, к. ф.-м. н.
Одним из важнейших вопросов биофизики является выяснение механизмов фотосинтеза, благодаря которому на Земле существует жизнь. Первичные процессы фотосинтеза, происходящие в мембранах хлоро-пластов листьев растений при поглощении света, сопровождаются флуоресценцией. Флуоресцентные характеристики дают существенную информацию о функциональном состоянии листьев растений и позволяют определять их устойчивость к неблагоприятным условиям среды.
Автором приведены исследования флуоресценции листьев разных растений при физиологических и повышенных температурах [1-5]. В данной статье представлены температурные зависимости интенсивности флуоресценции листьев при их освещении светом различной интенсивности.
Исследование выполнено на многофункциональной флуоресцентной установке, описанной в [6]. Установка содержит цилиндрический фосфороскоп с окнами, внутри которого вращается полый цилиндр с прорезями. В центре этого цилиндра в прозрачной кювете расположен исследуемый лист. При совмещении окон подвижного и неподвижного цилиндров лист освещается то мощным действующим светом (ДС) с интенсивностью 2-100 Вт/м2, то слабым возбуждающим светом (ВС) с интенсивностью 0,01-0,03 Вт/м2. Флуоресценция листа, вызываемая светом ВС, в промежутках между импульсами ДС поступает на фотоэлектронный умножитель. Электрический сигнал, пропорциональный флуоресценции, усиливается и регистрируется самописцем. Импульсы мощного света ДС изменяют состояние листа и влияют на процессы фотосинтеза, что отражается на интенсивности флуоресценции от света ВС. С помощью термостабилизирующей системы установки температуру листа можно было изменять в пределах 10 - 96 °С с погрешностью
0,1 °С при скорости нагрева (или охлаждения) 0,6 - 2 град/мин.
Было исследовано влияние интенсивности света ВС на вид зависимостей флуоресценции от температуры (термограмм флуоресценции - ТГФ) зрелых листьев боба Vicia faba сорта «Русские черные» (рис.1, 2). При увеличении интенсивности возбуждающего света в 100 раз (от 0,01 до 1 Вт/м2) относительная интенсивность флуоресценции F(T) практически не меняется в области Т - 25-40 °С (рис.1). При большей интенсивности ВС (1,5 Вт/м2) относительная интенсивность флуоресценции начинается от F{25 °С) = 1,3 и уменьшается с ростом Т в указанном выше диапазоне (рис.2). Далее с ростом температуры от 40 до 80 °С при интенсивности ВС 1-1,5 Вт/м2 (см. рис.1, 2) зрелый лист дает термограмму первого типа (ТГФ-1 [3-5]), на которой температура начала возрастания, F(T) (пороговая температура) увеличивается на 2-4 °С, температура первого максимума не изменяется (51 °С), а относительная интенсивность этого максимума и значения F(T) при 7=55-80 °С уменьшаются в 1,15-1,58 раза по сравнению с параметрами ТГФ-1 аналогичного участка того же листа при интенсивности ВС 0,01 Вт/м2.
Полученные изменения ТГФ с увеличением интенсивности ВС при Т = 25-55 °С соответствуют известным экспериментальным данным [7]. По нашим экспериментам для Т = 55-80 °С термограммы флуоресценции при разных интенсивностях ВС являются подобными, т.е.
F(T, I) = а(Т) F0(T, 10), (1)
где Fo(T, 10) и FiT, Г) - зависящие от температуры Т и интенсивности возбуждающего света / относительные значения флуоресценции при 1о - 0,01 Вт/м2 и / > /о, а(Г) - коэффициент, зависящий от I и не зависящий от Т. Это подобие ТГФ для указанного диапазона температур 55-80 °С подтверждается совпадением кривых 1 и 3 на рис. 1 и 2.
Рис. 1. ТГФ зрелого листа 7-дневного проростка боба при разной интенсивности возбуждающего света 1ВС: 1 - 1вс= 0,01 Вт/ м2; 2 - 1 Вт/м2; 3 - кривая Р3(Т) = 1,15 Р2(Т)
Рис.2. ТГФ зрелого листа 4-дневного проростка боба при разной интенсивности возбуждающего света 1Вс: 1 - 1вс = 0,01 Вт/ м2; 2-1,5 Вт/м2; 3 - кривая Р3(Т) = 1,58 Р2(Т)
Рис.З. Кинетика фотоиндуцированной флуоресценции зрелого листа боба при разной интенсивности возбуждающего света 1Вс при температуре 20 °С : 1 1вс = 0,038 Вт/м2; 2 - 0,2 Вт/м2; 3 - 1 Вт/м2
Рис.4. Температурные зависимости флуоресценции (ТГФ) с импульсами индукции при кратковременных включениях ДС для молодого листа клёна: 1 - ТГФ с импульсами индукции флуоресценции (а, б) от ДС разной интенсивности 1ДС: а - 1дс = 4 Вт/м2; б - 0,4Вт/м2; 2а, 26 - разность огибающей импульсов индукции флуоресценции от ДС (а или б) и кривой флуоресценции (ТГФ) без ДС
При достаточно большой интенсивности ВС состояние листа изменяется и становится заметной индукция флуоресценции АД/, г) (рис.З), которая уменьшается с течением времени Г по кривой Каутского, что соответствует уменьшению флуоресценции на ТГФ при росте температуры до 42 °С в течение 8-10 минут (кривая 2 на рис.2). Увеличение пороговой температуры на 2-4 °С, т.е. повышение термоустойчивости листа, наблюдаемое с ростом интенсивности ВС, в работе [7] объясняют защищающим действием света от повреждения листа при высоких температурах.
Были также проведены эксперименты, в которых при получении ТГФ в определенных её точках по мере роста температуры одновременно измеряли индукцию флуоресценции от ДС разной интенсивности в интервалах между импульсами ДС. Исследовались листья клена и ели. На рис.4 приведены ТГФ листьев клена, полученные при увеличении температуры со скоростью 1 град/мин. По мере роста температуры в определенные моменты времени (через 2-5 мин) включали ДС на время 3-10 с, в течение которого интенсивность флуоресценции достигала максимального значения (точка Р на кривой Каутского), после чего ДС выключали.
При кратковременном включении света ДС на ТГФ при Т = 20-50 °С получались пики индукции флуоресценции А/7 (а, б на рис.4), высота которых А/> для листа клена в этом диапазоне температур была пропорциональна интенсивности ДС:
ДРрСО=АШдс, (2)
где Д7) - коэффициент, не зависящий от интенсивности действующего света 1дс, но зависящий от температуры Т. С ростом температуры до 50 °С высота этих пиков монотонно уменьшалась до нуля для листьев клена. Это видно из кривых 2а, 26 (см. рис.4), которые являются разностью огибающей пиков и кривой флуоресценции без ДС (ТГФ). Для листьев ели высота пиков Д/> с ростом температуры увеличивалась, достигала максимума при 41 °С и затем уменьшалась до нуля при 50 °С.
В области первого максимума на термограмме флуоресценции /г(7) 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 фоновая флуоресценция /Ъ (Т, 1дс) снижается (см.рис.2 и формулу (1)), причем величина этого снижения больше, чем переменная составляющая флуорес-
ценции А Г (Т, 1дС) от ДС. В результате суммарная интенсивность ^ + ДF становится ниже исходной флуоресценции ^ (Г, 1вс) без ДС, что приводит к впадинам на ТГФ. При температуре Т > 60 °С свет ДС не оказывал влияния на интенсивность флуоресценции, т,е. на дальнейший вид ТГФ листьев клена и ели.
Таким образом, установлено, что при изменении интенсивности возбуждающего света от 0,01 до 1 Вт/м2 вид термограмм флуоресценции в области 25-80 °С меняется слабо. При интенсивности света ВС, равной 1,5 Вт/м2, изменения в ТГФ становятся существенными. Получены температурные зависимости индукции флуоресценции листьев в виде пиков на ТГФ при кратковременных включениях действующего света интенсивностью 0,4 и 4 Вт/м2, которые исчезали при 50 °С. Полученные данные целесообразно учитывать при теоретических и экспериментальных исследованиях флуоресценции листьев растений, а также при разработке и оптимизации флуориметрических устройств.
Литература
1. Кузнецова Е.А. Исследования зависимости флуоресценции листьев растений от температуры // Биофизика. - 1981. - Т.26, вып.5. - С.893-894.
2. Кузнецова Е.А. Флуоресценция листьев высших растений при повышенных температурах // Биофизика - 1982. - Т.27, вып.5. - С.809-811.
3. Кузнецова Е.А. Флуоресценция листьев покрытосеменных и голосеменных растений при повышенных температурах // Экология, мониторинг и рациональное природопользование /Науч.тр. - М.: Изд-во МГУЛ, 1998. - Вып.294(1). - С.123-128.
4. Кузнецова Е.А. Флуоресцентные и спектральные характеристики листьев растений при повышенных температурах // Тезисы докл. II съезда биофизиков России. - М.,1999. -Т.З. - С.1041-1042.
5. Кузнецова Е.А. Исследование флуоресценции листьев растений при повышенных температурах // Лесной вестник. - 2000. - №2(11). - С.127-139.
6. Кузнецова Е.А. Установка для исследования флуоресценции и послесвечения биологических объектов // Лесной вестник. - 1998. - №1(2). -С.121-123.
7. Schreiber U., Berry J.A. Heat-induced changes of chlorophyll fluorescence in intact leaves correlated with damage of the photosynthetic apparatus// Planta.1977. - V.136. - P.233-238.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ УКОРЕНЕНИЯ СТЕБЛЕВЫХ ЧЕРЕНКОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА МАТЕРИНСКИХ РАСТЕНИЙ
Л.Д. КУЗНЕЦОВА, доцент, докторант кафедры физики МГУЛа, к. б. н.
Совершенствование технологии несеменного размножения и разработка биологических основ черенкования повысили значение вегетативного размножения в лесном и сельском хозяйстве. Многие исследователи отмечают зависимость корнеобразовательной способности стеблевых черенков от возраста материнских растений. Р.Н. Матвеева с соавторами изучала укореняемость черенков кедра сибирского [1]. Материнскими растениями служили деревья 6, 15, и 20-летнего возраста. В сентябре месяце у 42 % черенков, срезанных с 6-летних кедров, отмечено образование зачатков главных корней и у 19 % черенков образовались главные корни. У черенков, срезанных с 15-
летних кедров, обнаружено образование зачатков главных корней только у 38 %, а у черенков с 20-летних кедров корневых зачатков не обнаружено вообще. По результатам проведенного исследования авторами делается вывод о зависимости корнеобразовательной способности черенков кедра сибирского от возраста материнских растений.
Н.В. Шкурко и Е.Д. Антонюк приводят данные по укоренению стеблевых черенков можжевельника казацкого [2]. Черенки, заготовленные с 5-6-летних растений, укоренились на 78 %, с 15-20-летних - на 39% и с 40-летних на 16 %. Аналогичные данные получены по ели [3], южным видам сосен [4], лиственнице американской [5,6],
