CC BY
229
УДК 634.75+634.74 : 581.132 : 631.524.01
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ГЕНОТИПОВ ЗЕМЛЯНИКИ И АКТИНИДИИ
© Д.Г. Шорников, В.В. Абызов
Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение; земляника; актинидия; импульсно-модулированная флуоресценция хлорофилла; устойчивость.
В лабораторных условиях изучена устойчивость к ультрафиолетовому излучению сортов земляники и актинидии методом импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла. В результате проведенных исследований определена специфика ответной реакции фотосистемы II разных сортов, выявлены генотипы, отличающиеся повышенной резистентностью к данному стресс-фактору, установлен факт повышенной функциональной активности фотосинтезирующих тканей пестрых листьев актинидии полигама в условиях ультрафиолетового облучения.
ВВЕДЕНИЕ
Ультрафиолетовое излучение (УФ) в солнечном спектре составляет около 10 %, при этом только небольшая длинноволновая его часть (УФ-А (X = 400... 315 нм) и частично УФ-В (X = 315...280 нм)) достигает поверхности Земли и является непрерывно действующим фактором окружающей среды, оказывающим существенное влияние, в т. ч. и негативное, на физиологические процессы в растительных организмах. Так, известно, что высокие дозы ультрафиолетового излучения приводят к нарушениям в структурной организации молекул ДНК, фотоинактивации белков, нарушению транспортной функции клеточных мембран, разрушению фитогормонов и фотосинтезирующих пигментов (хлорофиллов a и Ь). Из-за серьезных нарушений важнейших механизмов биосинтеза ухудшается рост растений, снижается их продуктивность и устойчивость к иным негативным экологическим факторам [1-4].
Поскольку ультрафиолет - часть электромагнитного излучения, попадающего на поверхность листа, то в случае избыточной инсоляции эта область солнечного спектра представляет собой дополнительный деструктивный фактор, усиливающий термическое повреждение фотосинтезирующего аппарата растения. Особенно актуально это в современных условиях, когда вследствие огромной антропогенной нагрузки на биосферу отмечено значительное нарушение озонового экрана, ведущее к усиленному облучению жестким ультрафиолетом живых объектов. В этой связи представляет интерес изучение действия ультрафиолетового излучения на работу фотосистемы II с целью выявления устойчивых генотипов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводили на 15 генотипах двух родов - Fragaria и Actinidia, относящихся к противопо-
ложным экологическим группам по требовательности к освещенности и устойчивости к солнечной инсоляции (табл. 1). Земляника садовая - травянистое растение, требовательное к солнечному свету, плодоносит только на хорошо освещаемых участках и устойчива к интенсивной инсоляции в течение всего вегетационного периода [5].
Актинидия - древесная листопадная лиана, напротив, для активного роста и нормального плодоношения нуждается в умеренной освещенности (полутень) и на полностью открытых пространствах резко снижает свою продуктивность [6]. В то же время обе культуры весьма требовательны к влажности почвы и нуждаются в поливе в засушливые периоды во время вегетации.
Таблица 1
Растительный материал
Ботанический вид (культура) Сорт (форма)
Actinida kolomikta Maxm. Изящная
Гладкая
Сентябрьская
Пурпурная
Сахалинская 35
Командир (сорт-опылитель, мужская форма)
Actinida polygama Maxm. Женская форма
Мужская форма
Fragaria х ananassa Duch. Вима Кимберли
Зенга Зенгана
Лакомая
Львовская ранняя
Привлекательная
Урожайная ЦГЛ
Фейерверк
Эксперимент проводили в июле с листьями, не имеющими визуальных повреждений и признаков заболеваний, изолированных с маточных растений земляники и актинидии в утренние часы и помещенные черешками в сосуды с водой. У актинидии отбирали как полностью зеленые, так и двухцветные («пестрые») листовые пластинки. Для опыта отбирали по 4 листовые пластинки каждого генотипа и на каждой до и после облучения измеряли уровень индуцированной флуоресценции хлорофилла в 5 точках с адаксиальной стороны. На двухцветных листьях актинидии измерения проводили с абаксиальной стороны, т. к. хлорофиллсодержащие ткани листа с адаксиальной стороны экранируются пятнами светлого пигмента, обусловливающего декоративную расцветку листовой пластинки. Отдельно проводили измерения контрольных листьев в те же временные интервалы, что и опытные образцы. Контроль содержали в отдельном помещении при температуре +22...+23 °С. Облучение сортов земляники проводили в течение четырех часов, актинидии - двух часов, т. к. предварительные эксперименты показали, что четырехчасовое облучение актинидии приводит к сильным ожогам поверхности листа. Опыт проводили в проветриваемом помещении с температурой +22.+23 °С (листья все время находились черешками в сосудах с водой, адаксиальной стороной к источнику излучения), расстояние от источника излучения до объекта - 0,5 м, плотность мощности светового потока - 162,3 Вт/м2, локальная температура в зоне нахождения облучаемых объектов составляла +27 °С за счет дополнительного нагрева УФ лампой.
В качестве источника УФ излучения в лабораторных условиях использовали УФ осветитель ОРК-21-м с лампой ДРТ-400, эффективность работы фотосистемы II растений до и после воздействия ультрафиолета оценивали с помощью портативного хлорофиллфлуори-метра Junior-PAM (Heinz Walz GmbH, Germany). Определение квантового выхода фотосистемы II осуществляли согласно прилагаемой к прибору методике Junior-PAM Сhlorophyll Fluorometer Operation’s Guide [7].
Полученные данные обрабатывали в программе Microsoft Exel, вычисляя средние значения Fv/Fm для каждой формы, а также стандартные значения ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате проведенных исследований выявлена существенная вариабельность по признаку стабильности работы фотосистемы II в условиях ультрафиолетового облучения как между изучаемыми культурами, так и между отдельными сортами растений.
Так, среди генотипов земляники были выделены сорта Зенга Зенгана и Вима Кимберли, высоко устойчивые к воздействию УФ лучей (рис. 1).
У выделенных сортов снижение приведенной флуоресценции после облучения было минимальным и составляло 1,0-1,3 % по сравнению с этим же показателем перед началом эксперимента, при этом различия находились в переделах значений статистической погрешности. В группу устойчивых следует отнести и сорт Урожайная ЦГЛ, поскольку, несмотря на значительное по сравнению с наиболее резистентными к УФ формам, снижение уровня флуоресценции (3,3 %), различия по абсолютному показателю Еу/Рш после облучения у сортов Зенга Зенгана, Вима Кимберли и Урожайная ЦГЛ статистически несущественны при а = 0,05. У прочих сортов эффективность работы фотосистемы II была снижена на 4,4-7,7 %, что указывает на низкую стабильность процессов ассимиляции в условиях действующего стресс-фактора.
Для опытных образцов зеленых листьев актинидии коломикта характерным было статистически не существенное снижение уровня приведенной флуоресценции как по отношению к данному показателю до облучения, так и к интактному контролю (рис. 2).
У сорта актинидии коломикта Гладкая отмечено некоторое повышение уровня флуоресценции после воздействия ультрафиолетового излучения. Кроме того, у данной культуры выявлен изначально очень большой разброс по значениям Еу/Еш у интактных контрольных образцов, эти различия сохранились и после двухчасовой экспозиции в условиях комнатной температуры и умеренной освещенности. К особенностям следует отнести и сниженный уровень функциональной активности фотосистемы II по сравнению с сортами земляники.
Рис. 1. Функциональная активность фотосинтетического аппарата сортов земляники при воздействии ультрафиолетового излучения: К - контроль; К4ч - измерения контрольных листьев через 2 часа; УФисх. - листья в опыте до облучения; УФ4ч - листья в опыте после 4-часового воздействия ультрафиолетового излучения
□ К □ К 2 ч □ УФ исх. ■ УФ 2 ч
0,880 0,860 0,840 0,820 ^ 0,800 £ 0,780
0,760 0,740 0,720 0,700
Изящная Гладкая Командир Сентябрьская Пурпурная Сахалинская
Рис. 2. Фотосинтетическая активность зеленых листьев сортов актинидии коломикта при воздействии ультрафиолетового излучения (по сорту Пурпурная данные о величине Ру/Рш опытных образцов до облучения не представлены): К - контроль; К2ч - измерения контрольных листьев через 2 часа; УФисх. - листья в опыте до облучения; УФ2ч - листья в опыте после 2-часового воздействия ультрафиолетового излучения
□ К ПК 2 ч
0,880 0,860 0,840 0,820 Є 0,800 £ 0,780 0,760 0,740 0,720 0,700
Полигама ж. пестр.
Рис. 3. Фотосинтетическая активность разноокрашенных листьев мужской и женской форм актинидии полигама при воздействии ультрафиолетового излучения: К - контроль; К2ч - измерения контрольных листьев через 2 часа; УФисх. -листья в опыте до облучения; УФ2ч - листья в опыте после 2-часового воздействия ультрафиолетового излучения; м -мужские растения; ж - женские растения; зел. - полностью зеленые листья; пестр. - листья, имеющие на поверхности зоны различной площади, окрашенные светлым пигментом
Сравнительный анализ данных, полученных при облучении полностью зеленых листьев и листьев с измененной окраской у мужской и женской форм актинидии полигама, позволил выявить эффект повышенной на 3,5-4,1 % функциональной активности хлорофиллсодержащих тканей листовых пластинок, имеющих на адаксиальной стороне крупные пятна светлого пигмента («пестрые листья») (рис. 3).
Спустя 2 часа полностью зеленые листья в контроле отличались повышенным значением Еу/Рш на 3,05,4 %, но эффективность работы фотосистемы II опытных образцов из этой партии после воздействия УФ падала на 6,3-9,3 % по сравнению с уровнем приведенной флуоресценции перед началом эксперимента. Кроме того, контрольные зеленые и пестрые листья мужской формы актинидии полигама превосходят по уровню функциональной активности листья женских растений на 1,4-4,8 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, на основе проведенного изучения физиологического состояния растений установлена
различная степень реакции фотосинтезирующих тканей сортов земляники и актинидии на воздействие ультрафиолетового излучения.
Наиболее высокую устойчивость к данному стресс-фактору проявили сорта Зенга Зенгана, Вима Кимберли и Урожайная ЦГЛ, а также мужская и женская формы актинидии полигама. Кроме того, при облучении установлена повышенная функциональная активность фотосистемы II в тканях листьев, имеющих на адаксиаль-ной поверхности зоны, окрашенные светлым пигментом.
Ранжировать по устойчивости сорта актинидии ко-ломикта пока не представляется возможным, но, по нашим данным, хлорофиллсодержащие ткани сортов Гладкая, Изящная и Сахалинская 35 отличаются наиболее стабильными значениями приведенной флуоресценции, и, следовательно, от данных генотипов можно ожидать повышенной полевой устойчивости к избытку ультрафиолетового излучения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Stapleton A.E. Ultraviolet Radiation and Plants: Burning Questions // The Plant Cell. 1992. V. 4. Р. 1353-1358.
2. Hollosy F. Effect of ultraviolet radiation on plat cells // Micron. 2002. V. 33. P. 179-197.
3. Zuk-Golaszewska K., Upadhyaya M.K., Golaszewski J. The effect of UV-B radiation on plant growth and development // Plant Soil Environment. 2003. V. 49. № 3. Р. 135-140.
4. Mpoloka S. W. Effects of prolonged UV-B exposure in plants // African Journal of Biotechnology. 2008. V. 7. № 25. P. 4874-4883.
5. Зубов А.А. Теоретические основы селекции земляники. Мичуринск, 2004. 196 с.
6. Колбасина Э.И. Актинидия и лимонник в России (биология, интродукция, селекция). М., 2000. 264 c.
7. Junior-PAM Chlorophyll Fluorometer Operation’s Guide / еd. by E. Prundel. Effeltrich, 2007. 58 р.
Поступила в редакцию 3 июля 2014 г.
Shornikov D.G., Abyzov V.V. EFFECT OF ULTRAVIOLET RADIATION ON STRAWBERRY AND ACTINIDIA’S GENOTYPES PHOTOSYNTHETIC ACTIVITY
The UV-resistance of some strawberry and actinidia’s varieties was investigated in laboratory conditions. Chlorophyll pulse-amplitude-modulated fluorescence was the main examine method of Photosystem II efficiency. As a result, it was stated that Photosystem II of different genotypes has specific reaction on UV radiation. In carried out experiment varieties which have highest resistance to ultraviolet was selected. In condition of UV radiation it was stated that chlorophyll-containing tissues of
УФ 2 ч
Actinidia polygama Maxim. bi-colored leaves has high function- Key words: UV radiation; strawberry; actinidia; chlorophyll
al activity in comparison with full green leaves. pulse-amplitude-modulated fluorescence; resistance.
Шорников Денис Геннадьевич, Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина, г. Мичуринск, Тамбовская область, Российская Федерация, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. отделом размножения плодовых культур, e-mail: [email protected]
Shornikov Denis Gennadyevich, All-Russian Scientific Research Institute of Genetics and Selection of Fruit Plants named after I.V. Michurin, Michurinsk, Tambov region, Russian Federation, Candidate of Agriculture, Head of Fruit Cultures Breeding Department, e-mail: [email protected]
Абызов Вадим Викторович, Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и селекции плодовых растений им. И.В. Мичурина, г. Мичуринск, Тамбовская область, Российская Федерация, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Abyzov Vadim Viktirovich, All-Russian Scientific Research Institute of Genetics and Selection of Fruit Plants named after I.V. Michurin, Michurinsk, Tambov region, Russian Federation, Candidate of Agriculture, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
