CC BY
88
УДК 581.133.8+582.542.12 Е.С. Шклавцова, С.А. Ушакова, В.Н. Шихов
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ НА ТЕРМОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ (CYPERUS ESCULENTUS L.)
В статье представлены результаты исследований устойчивости растений чуфы, выращенных методом гидропоники в условиях светокультуры, к действию супероптимальной температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания растений.
Ключевые слова: чуфа (Cyperus esculentus), термоустойчивость, минеральное питание, фото-синтетический аппарат.
Ye.S. Shklavtsova, S.A. Ushakova, V.N. Shikhov EFFECT OF MINERAL NUTRITION CONDITIONS ON HEAT STABILITY OF CHUFA (CYPERUS ESCULENTUS L.) PLANTS
The research results of chufa plant stability grown up by means of the hydroponics technique in the photoculture conditions to superoptimum air temperature influence depending on the plant mineral nutrition conditions are given in the article.
Key words: chufa (Cyperus esculentus), heat stability, mineral nutrition, photosynthetic mechanism.
В исследуемых в Институте биофизики СО РАН биолого-технических системах жизнеобеспечения (БТСЖ) регенерация воды, воздуха и частично пищи осуществляется за счет звена высших растений [Замкнутая система..., 1979; Gitelson et al, 2003]. Включение в состав растительного звена растений чуфы (Cype-rus esculentus) связано с тем, что клубеньки чуфы являются источником необходимых для человека жирных кислот. Содержащееся в них масло близко по качеству к оливковому и арахисовому [Замкнутая система., 1979]. По типу фотосинтеза растения чуфы относятся к С4-типу, у таких растений температурный оптимум фотосинтеза выше, чем у Сз-растений [Guertin at el, 2003; Мокроносов, 2006].
Включение растений в состав фотосинтезирующего звена БТСЖ предполагает знание как продукционных характеристик растений, выращиваемых при оптимальных условиях, так и их устойчивости к воздействию стресс-факторов, связанных с возникновением в системе нештатных ситуаций.
Цель исследований - изучение влияния условий минерального питания растений на устойчивость растений чуфы (Cyperus esculentus) к воздействию супероптимальных температур.
Объекты и методы исследований. Растения чуфы (Cyperus esculentus) выращивали методом гидропоники на керамзите при освещении 150 Вт/м2 ФАР и температуре воздуха 25°С. В качестве растворов для полива использовали раствор Кнопа (вариант 1) и растворы, приготовленные на основе минерализованных по методу Ю.А. Куденко экзометаболитов человека (варианты 2 и 3) [Ushakova et al, 2008]. После минерализации раствор экзометаболитов разделили на 2 равные части: одну оставляли без изменения (вариант 3), а вторую ставили в термостат для разложения мочевины (с помощью уреазы соевой муки) с последующей отгонкой аммиака (вариант 2) [Ушакова и др., 2009]. Питательный раствор во втором варианте содержал азот в преимущественно нитратной, а в третьем - в аммиачной и амидной форме. Растворы экзометаболитов добавляли в отстоянную водопроводную воду по мере уменьшения концентрации азота в поливочном растворе. В растворы объемом 12 л за весь период эксперимента было внесено по 1122 мл минерализованных экзометаболитов. Раствор Кнопа меняли на новый каждые 2 недели. Полив растений во время выращивания проводился автоматически с помощью насоса через каждые 6 ч. Два раза в неделю проводили анализ содержания азота в растворе для полива, концентрацию азота поддерживали на уровне 150-200 мг/л. Тепловой шок проводили в возрасте 30 сут. от всходов при температуре 44°С±1° в течение 20 ч. Во время теплового стресса растения поливали через 3 ч.
Термоустойчивость растений оценивали по интенсивности внешнего СО2 газообмена, состоянию фо-тосинтетического аппарата (ФСА) и интенсивности перекисного окисления липидов (ПОЛ). Состояние ФСА оценивали по показателям импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла фотосистемы 2 (ФС2)
при помощи флуориметра РАМ-2100, а интенсивность ПОЛ - по накоплению МДА с помощью цветной реакции с тиобарбитуровой кислотой и последующим определением концентрации МДА на спектрофотометре (СФ-46) [Лукаткин, 2002].
Результаты исследований и их обсуждение. В начале воздействия температурой воздуха 440С у растений всех вариантов наблюдалось выделение СО2 на свету. У растений, выращенных на растворе Кно-па, интенсивность выделения СО2 на свету по величине близка к интенсивности видимого фотосинтеза (Рвид) до стрессового воздействия. Через 3 ч после начала воздействия интенсивность Рвид стала положительной и в конце воздействия ее значение достоверно не отличалось от исходной величины (вариант 1).
У растений 2 варианта интенсивность выделения СО2 в начале воздействия превысила по величине Рвид до стрессового воздействия более чем в 3 раза. Через 9 ч после начала воздействия фотосинтез стал преобладать над дыханием и в конце Рвид составил 26 % от исходного значения.
Наибольшая интенсивность выделения СО2 на свету в начале воздействия наблюдалась у растений варианта 3, более чем в 9 раз превышающая исходное значение Рвид. К концу воздействия Рвид стал положительным и составил 27 % от исходного значения (рис.1).
Спустя 24 и 48 ч репарации у растений чуфы 1-го варианта интенсивность Рвид стала на 54 и на 14% выше ее значения до воздействия высокой температуры. У растений 2-го варианта в период репарации интенсивность Рвид не отличалась от исходного значения, а у растений 3-го варианта интенсивность Рвид через 24 и 48 ч репарации стала на 32 и на 48% меньше, чем до теплового шока (ТШ) (табл. 1).
Рис. 1. Видимый фотосинтез растений чуфы (Сурег^ esculentus) во время воздействия температуры 44°С±1° в течение 20 ч (% от значения до воздействия)
Интенсивность дыхания в темноте (Ртемн) у растений чуфы в первом варианте в конце воздействия высокой температуры стала на 20 % выше, а в период репарации не отличалась достоверно от исходного значения. Во втором варианте Кемн в конце воздействия была на 25% выше, чем до повышения температуры, а через 24 и 48 ч репарации стала ниже на 29 и 20% по сравнению со значением до воздействия ТШ. В 3-м варианте у растений чуфы Ртемн в конце воздействия повысилась на 58 %, через 24 и 48 ч репарации она стала на 37 и 73% выше, чем до ТШ (табл. 1).
У растений первого варианта фактический фотосинтез (Рфакт) достоверно не отличался от его значения до воздействия высокой температуры, а в репарацию, через 24 и 48 ч был на 17 и 9% больше, чем до теплового шока. Во втором варианте ни в конце воздействия, ни в период репарации Рфакт достоверно не отличался от своего значения до повышения температуры, в третьем варианте в конце воздействия ТШ был
на 20 % ниже, чем до повышения температуры, а во время репарации не отличался достоверно от исходного значения (табл. 1).
Эффективность поглощения СО2 (Рвид/Рфактич.) у растений в первом варианте в конце воздействия стала на 15% ниже, через 24 ч репарации - на 32 % выше, чем до ТШ, а через 48 ч вернулась к исходному значению. Во втором варианте эффективность поглощения СО2 в конце воздействия ТШ снизилась на 62 % по сравнению со значением до повышения температуры, а в период репарации достоверно не отличалась от значения в исходных условиях. У растений чуфы в третьем варианте эффективность поглощения СО2 в конце воздействия значительно снизилась по сравнению со значением до воздействия (на 93 %) через 24 и 48 ч репарации и оставалась на 33 и 52 % ниже соответственно, чем в исходных условиях (табл. 1).
Таблица 1
Влияние 20-часового воздействия температуры воздуха 45°С на показатели внешнего СО2 газообмена растений чуфы (Cyperus esculentus)
Вариант опыта P вид R темн P фактич. P вид/P фактич.
ммоль СО2/ч*г сухой массы
Вариант 1
До воздействия 0,096 ± 0,006 0,120±0,001 0,215 ± 0,006 0,44
В конце воздействия 0,088 ± 0,003 0,145±0,007 0,233 ± 0,010 0,38
24 ч репарации 0,148 ± 0,014 0,104±0,011 0,252 ± 0,025 0,59
48 ч репарации 0,110 ± 0,005 0,126±0,003 0,236 ± 0,007 0,47
Вариант 2
До воздействия 0,054 ± 0,001 0,108±0,011 0,162 ± 0,011 0,33
В конце воздействия 0,020 ± 0,002 0,136±0,006 0,155 ± 0,009 0,13
24 ч репарации 0,052 ± 0,012 0,076±0,013 0,128 ± 0,025 0,41
48 ч репарации 0,060 ± 0,000 0,086±0,004 0,146 ± 0,004 0,41
Вариант 3
До воздействия 0,096 ± 0,004 0,091±0,004 0,187 ± 0,009 0,51
В конце воздействия 0,005 ± 0,001 0,144±0,021 0,149 ± 0,022 0,04
24 ч репарации 0,065 ± 0,004 0,125±0,005 0,190 ± 0,009 0,34
48 ч репарации 0,050 ± 0,007 0,157±0,008 0,208 ± 0,014 0,24
По данным табл. 2 различные типы минерального питания растений чуфы по-разному влияли и на термоустойчивость ФСА. Так, при выращивании растений на растворе Кнопа все флуоресцентные параметры к концу воздействия стресс-фактором падали на 20-40% и возвращались к исходным значениям через сутки репарации в исходных условиях (вариант 1).
Но при использовании раствора минерализованных экзометаболитов ситуация была принципиально иная. У растений варианта 3 максимальный квантовый выход ФС2 (Fv/Fm) к концу воздействия повышенной температурой снизился только на 30% от исходного значения, скорость электронного транспорта (ETR) и реальный квантовый выход ФС2 (Yield) падали на 70% от контроля, а фотохимическое тушение флуоресценции (qP) на 50%. После суток пребывания в исходных условиях большинство параметров достоверно не изменили свои значения, исключая реальный квантовый выход ФС2 (Yield), увеличившийся на 10%.
Если же в качестве питательной среды использовался раствор минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота (вариант 2), то среди параметров флуоресценции хлорофилла только максимальный квантовый выход ФС2 (Fv/Fm) незначительно, на 7%, снизился по отношению к своим исходным значениям и остался на этом уровне после суток репарации. Остальные параметры напротив, выросли на 10-15% от контроля и также остались на этом уровне в репарационный период.
Таблица 2
Параметры импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла листьев чуфы (Сурешв евсШепШв) при 20-часовом воздействии температурой воздуха 44°С±1°
Вариант опыта Fv/Fm ETR Yield qP
Вариант 1
До воздействия 0,74 ± 0,01 64,2 ± 3,1 0,17 ± 0,01 0,41 ± 0,02
В конце воздействия 0,59 ± 0,03 34,6 ± 8,9 0,10 ± 0,03 0,32 ± 0,07
24 ч репарации 0,74 ± 0,01 59,4 ± 1,9 0,18 ± 0,01 0,37 ± 0,01
Вариант 2
До воздействия 0,76 ± 0,00 61,3 ± 2,2 0,18 ± 0,01 0,41 ± 0,02
В конце воздействия 0,71 ± 0,02 67,4 ± 11,7 0,20 ± 0,03 0,48 ± 0,06
24 ч репарации 0,72 ± 0,02 71,2 ± 3,6 0,20 ± 0,01 0,42 ± 0,02
Вариант 3
До воздействия 0,76 ± 0,01 77,3 ± 1,6 0,22 ± 0,00 0,49 ± 0,02
В конце воздействия 0,52 ± 0,07 24,6 ± 6,0 0,07 ± 0,02 0,24 ± 0,03
24 ч репарации 0,43 ± 0,14 29,7 ± 14,3 0,09 ± 0,04 0,24 ± 0,09
Однако, несмотря на установленные нами функциональные реакции ФСА растений чуфы, анализ состояния клеточных мембран не показал существенных изменений в ответ на ТШ. У растений во всех вариантах повышение температуры не привело к увеличению перекисного окисления липидов к концу воздействия. Лишь в первом варианте через 24 ч репарации наблюдалось небольшое увеличение концентрации МДА (на 26 %) по сравнению со значением до воздействия. А во втором и в третьем вариантах через 24 ч репарации не наблюдалось достоверного изменения концентрации МДА (рис. 2).
Рис. 2. Влияние 20-часового воздействия температурой воздуха 44°С±1° на содержание МДА в листьях растений чуфы (Оурвгив ввсиШив) (за 100% принято содержание МДА до стресса)
Выводы
Таким образом, выращивание растений чуфы на растворе минерализованных экзометаболитов человека снижает их термоустойчивость по сравнению с растениями, выращенными на растворе Кнопа. При выращивании на растворе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота повреждающее воздействие высокой температуры было меньше, чем при выращивании на растворах с аммонийной и амидной формой азота.
Литература
1. Замкнутая система: человек - высшие растения / под ред. Г.М. Лисовского. - Новосибирск: Наука, 1979. - С. 50-51.
2. Лукаткин А.С. Холодовое повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002.
3. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф., Жигалов Т.В. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты: учеб. / под ред. И.П. Ермакова. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Академия, 2006. - С. 331-343.
4. Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учеб. пособие / под ред. И.П. Ермакова. - М.: КДУ, 2007. - 140 с.
5. Возможные пути включения экзометаболитов человека в массообмен БСЖО / С.А. Ушакова [и др.] // Авиакосмическая и экологическая медицина. - 2009. - Т. 43. - № 2. - С. 61-63
6. Some Methods for Human Liquid and Solid Waste Utilization in Bioregenerative Life-Support Systems / S.A. Ushakova [et al] // Applied Biochemistry and Biotechnology. - 2008. - Vol. 151. - P. 676-685.
7. Some Ways of Waste Utilization for a Biogenerative Life Support System. Closed Habitation Experiments and Circulation Technology / A.A. Tikhomirov [et al]; Edited by Y. Tako // Proceedings of the International symposium on Closed Habitation Experiments and Material Circulation Technology. Institute for Environmental Sciences, Japan. - 2004. - P. 210-212.
8. Halvorson W.L., Guertin P. USGS Weeds in the West project: Status of Introduced Plants in Southern Arizona Parks. Factsheet for: Cyperus esculentus L. // U.S. Geological Survey or Southwest Biological Science Center. Sonoran Desert Field Station University of Arizona, Tuscon. - 2003. - P. 28.
9. Gitelson J.I., Lisovsky G.M., MacElroy R.D. Manmade Closed Ecological Systems. - New York, Taylor and Francis. - 2003. - P. 402.
----------♦------------
УДК 633.11«324»:581.13 Ф.В. Ерошенко
АССИМИЛЯЦИОННАЯ ПОВЕРХНОСТЬ, ХЛОРОФИЛЛ И ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ФОТОСИНТЕЗА ВЫСОКОРОСЛЫХ И КОРОТКОСТЕБЕЛЬНЫХ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ
В статье рассматриваются особенности сортов озимой пшениц, различающиеся по морфофизиологическим признакам и продуктивности, которые проявляются в размерах, продолжительности функционирования фотосинтетического аппарата, а также в активности и эффективности реакций фотосинтеза.
Ключевые слова: озимая пшеница, фотосинтез, площадь ассимиляционной поверхности, хлорофилл, первичные процессы фотосинтеза, замедленная флуоресценция.
F.V. Eroshenko ASSIMILATION SURFACE, CHLOROPHYLL AND PHOTOSYNTHESIS PRIMARY PROCESSES OF TALL- AND -SHORT-STALK SPECIES OF WINTER WHEAT
Peculiarities of the winter wheat species, differing in morphophisiological features and productivity which are displayed in sizes, duration of the photosynthetic mechanism functioning and in activity and efficiency of the photosynthesis reactions are considered in the article.
Key words: winter wheat, photosynthesis, assimilation surface area, chlorophyll, photosynthesis primary processes, slow fluorescence.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что размер и продолжительность работы ассимиляционного аппарата растений играют важную роль в формировании урожая [1-4], при этом большое значение имеет активность фотосинтетических процессов [5-7]. Поиск путей повышения фотосинтетической продуктивности и механизмов, позволяющих управлять продукционным процессом, является важной зада-
