CC BY
30
УДК 635.21:581
ВОЗДЕЙСТВИЕ УЗКОПОЛОСТНОГО СВЕТА НА ФИЗИОЛОГО-БИОХИ-МИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАСТЕНИЙ ТАГЕТИСА НИЗКОРОСЛОГО
1О.В. Шелепова, к.б.н., 1В.В. Кондратьева, к.б.н., 1Л.С. Олехнович, 1Г.Ф. Бидюкова, 2Т.И. Хуснетдинова, к.б.н.
1 Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН, e-mail: [email protected]
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Изучено воздействие досветки красным (max 660 нм) или синим (max400 нм) светом от светодиодных панелей на физиолого-биохимические параметры растений Tagetes patula L. в вегетативную стадию развития. Показано, что после досветки красным светом наблюдалась стабилизация гомеостаза клетки, возросло содержание абсцизовой (АБК) и салициловой (СК) кислот в тканях листьев, снизилась устьичная проводимость по сравнению с контролем. После досветки растений синим светом наблюдалось изменение гомеостаза клетки, повысился только уровень АБК. В этом варианте отмечено увеличение устьичной проводимости и значительное изменение компонентного состава эфирного масла растений тагетиса.
Ключевые слова: спектральный свет, Tagetes patula L., салициловая кислота, абсцизовая кислота, устьичная проводимость, эфирное масло.
INFLUENCE OF SPECTRAL LIGHT ON THE PHYSIOLOGICAL AND BIOCHEMICAL PARAMETERS OF TAGETES PATULA L.
Ph.D. O.V. Shelepova, Ph.D. V.V. Kondrat'eva, L.S. Olecknovich, G.F. Bidukova, Ph.D. T.I. Khusnetdinova
Main Botanical Garden named after N.V. Tsitsin RAS, e-mail: [email protected] 2Lomonosov Moscow State University, e-mail: [email protected]
There was studied the effect of lighting in red (max 660 nm) or blue (max400 nm) light from the LED panels the physiological and biochemical parameters of Tagetes patula L. plant. Shown that after the red light supplementary lighting the cell homeostasis was stabilized, level of abscisic (ABA) and salicylic (SA) acids in tissues of leaf increased, stomatal conductance decreased compared to control. After the blue light supplementary lighting the of plants the cell homeostasis was changed, only the ABA level increased. In this variant, an increase in sto-matal conductance and a significant change in the component composition of the essential oil of the Tagetes patula L. plants were noted.
Keywords: spectral light, Tagetes patula L., salicilic acid, abscisic acid, stomatal conductance, essential oil.
Свет различного спектрального состава - один из ведущих фактором регулирования роста и развития растений. Качество спектрального состава света действует на окислительный метаболизм в тканях листьев, регулирует процессы старения, способствует адаптации к стрессовым воздействиям [1, 2]. Особенно важен спектральный состав света для регуляции фотосинтеза и сопряженных с ним путей активирования адаптационного потенциала растений [3], которые тесно связаны с гормональным балансом клеток. Свет не только воздействует на эндогенный уровень фитогормонов, их коньюгиро-вание и деградацию, но и регулирует проникновение экзогенных фитогормонов в различные клетки, что в конечном итоге определяет рост и морфогенез органов растений [4-6]. В инициации каскада протекторных реакций, а также в дальнейшем их регулировании, существенную роль играют салициловая и абсцизовая кислоты, при этом уровень
салициловой кислоты может повышаться при освещении растений красным светом [7]. Наиболее важную роль в фотоморфогенезе и воздействии на общий метаболизм растений играет свет красной и синей полос спектра [8]. Красный свет (600-650 нм) воспринимается растением через фоторецепторы -фитохромы, а синий (400-470 нм) - через крипто-хромы. Преобладание красного света стимулирует синтез хлорофилла и каротиноидов в листьях, активирует работу ферментов углеводного и азотного метаболизма. Доминирование в спектральном составе синей составляющей способно стимулировать рост листьев, ингибировать вытягивание стебля, снижать количество устьиц [9]. К настоящему времени установлен ряд фундаментальных положений о роли спектра и интенсивности фотосинтетически активной радиации в формировании наиболее важных составляющих продукционного процесса [10, 11]. Тем не менее, в литературе недостаточно осве-
щен вопрос совместного действия естественного освещения и узкополостного спектрального света (синего и красного) на тканевом и клеточном уровне, а также на растение в целом.
Цель работы - изучение действия сочетания узкоспектрального света с естественным освещением на рост и развитие растений тагетиса низкорослого (Tagetes patula L.). О степени влияния на растения судили по целостности мембран клеток листьев, уровню салициловой и абсцизовой кислот в клетках их тканей, состоянию устьичного аппарата листьев и компонентному составу эфирного масла наземной части растений.
Материалы и методы. Объектом исследования были растения низкорослого тагетиса, сорт Кармен, часто используемые при озеленении городов и подвергающиеся как температурным стрессам (суточным перепадам температуры в весенний и осенний периоды), так и негативному воздействию городской среды (загрязнение воздуха, загрязнение почвы солями тяжелых металлов и химическими противогололедными реагентами).
Растения тагетиса в стадии 5-7 листьев высаживали в сосуды с песком по 5 растений, в каждом варианте по 15 сосудов. Растения выращивали в полуконтролируемых условиях: к естественному свету добавляли красный свет (max 600 нм) (вариант 1 — КС) или синий свет (max 400 нм) (вариант 2 - СС). Интенсивность света (плотность фотонов) КС - 2,58 х 1018/м2 сек, СС - 6,04 х 1018/м2 сек. В качестве дополнительных источников света использовали светодиодные лампы компании «Фокус» (Россия) модели ПС-2 (УСС-12). Досветку растений проводили с 18 марта по 20 апреля по 12 часов ежедневно. Контролем служили растения, выращенные при естественном освещении. Полив растений дистиллированной водой был ежедневным, подкормка - 1 раз в неделю питательной смесью Кнопа.
Пробы для биохимических анализов брали в первый и тридцать четвертый дни опыта. Для определения функционального состояния мембран клеток листьев навеску 0,3 г помещали в бидистиллят, выдерживали 24 часа в термостате при температуре 26°C и измеряли электропроводность элюата, определяли в нем содержание ионов K+и Na+ потенцио-метрически с использованием ионоселективных электродов [12]. Содержание салициловой (СК) и абсцизовой (АБК) кислот анализировали из одной навески: 2 г сырых листьев экстрагировали этанолом (80°), экстракт упаривали до водной фазы, которую делили на две равные части. Очистку экстракта для выделения СК и АБК проводили по модифицированной в лаборатории методике [13]. На заключительном этапе использовали метод ВЭЖХ на изо-кратической системе Стайлер (Россия) с колонкой RP-18 (фирма Phenomenex).
Параметры замыкающих клеток и апертуры
устьиц измеряли на эпидеомальных срывах с абак-симальной стороны листа растений на 34 день опыта при помощи цифрового микроскопа Keyence VHX 1000 (США). Обработку измерений проводили с помощью программы Axio Vision LE Rel. 4.4.
Качество эфирного масла растений анализировали в ЦКП ФИЦ «Биотехнологии» РАН (RFMEFI 62114X0002) на газовом хроматографе Shimadzu GS 2010 с масс-детектором GCMS-QP 2010 [14].
Результаты и обсуждение. На тридцать четвертые сутки досветки спектральным светом растения в обоих вариантах опыта не отличались по морфологическим показателям от контроля: молодые листья имели хороший тургор, не отмечено увядания листьев нижних ярусов, сформировавшихся до начала опыта, началось отрастание боковых побегов.
Клеточные мембраны нижних листьев у всех растений хотя и сохранили, но несколько снизили избирательную проницаемость для отдельных ионов. Выход электролитов из клеток листьев увеличился во всех вариантах по сравнению с началом опыта (табл. 1). Следует отметить, что минимальное увеличение (на 7% к общему количеству электролитов в клетках) было в варианте 1 (КС). Для сохранения ионного гомеостаза в клетке важно накопление ионов Na+ в вакуоле, поддержание физиологической концентрации K+ и высокого соотношения K+/Na+ в цитоплазме [2]. На конец опыта выход ионов K+ снизился по сравнению с первым днем. При этом значительное снижение было характерно для обоих вариантов досветки по сравнению с контролем. Однако наибольшее снижение было в варианте 2(СС). Выход Na+ увеличился практически в 2 раза в контроле и варианте 2(СС), в варианте 1(КС) процент выхода ионов Na+ был даже ниже чем в первый день опыта. Соотношение K+ и Na+ повысилось по сравнению с исходным к концу опыта в обоих вариантах и в контроле, но наибольшим (6,1) оно было в варианте 1 (КС), что указывает на стабилизацию гомеостаза клеток листьев в этом варианте.
В регуляции окислительно-восстановительного гомеостаза клеток важная роль принадлежит салициловой кислоте (СК) [7, 15]. Уровень СК коррелирует с уровнем активных форм кислорода и связан с инициацией каскада защитных реакций. СК-индуцируемый сигнальный путь светозависим и действует в комплексе с другими протекторными механизмами [16]. Содержание СК в тканях листьев снизилось к концу опыта в контроле почти в 2 раза по сравнению с исходным, в варианте 2(СС) - в 1,4 раза, а при досветке красным светом возросло в 1,7 раза (табл. 1).
Одним из основных компонентов пускового механизма каскадных реакций, формирующих ответ на абиотический стресс, является абсцизовая кислота (АБК). При досветке красным светом ее содержание возросло в 16 раз по сравнению с началом опыта. При досветке синим светом ее уровень повысился в
1. Биохимические и морфологические показатели листьев тагетиса вариантов опыта
Показатель Начало опыта 34 день досветки
К В-1 В-2
Выход ионов электролитов в элюат относительно их общего содержания в клетках, % 20,5 41,0 27,4 40,6
Выход ионов К+ в элюат относительно их общего содержания в клетках, % 23,1 9,8 3,7 1,2
Выход ионов №+ в элюат относительно их общего содержания в клетках 29,6 43,4 24,0 43,3
К+/№+ 3,2 4,8 6,1 3,7
Содержание СК, мкг 0,74 0,38 1,27 0,52
Содержание АБК, мкг 0,012 0,043 0,191 0,037
Длина замыкающих клеток устьиц, мкм 38,60 32,30 36,26
Ширина замыкающих клеток устьица, мкм 6,95 6,41 6,66
Ширина апертуры устьица, мкм 4,50 4,49 6,52
Площадь устьица, мкм2 1138,71 878,44 1111,22
3 раза (табл. 1). Отмечено увеличение содержания АБК и в тканях листьев контрольных растений (в 4 раза по сравнению с началом опыта). Изменения ионного гомеостаза клеток, уровня СК и АБК на тридцать четвертые сутки опыта могут указывать на начало переключения метаболизма растений, подвергающихся досветке спектральным светом, с обычных программ на стрессопротекторные.
При наблюдении эпидермальных срывов под микроскопом были выявлены особенности устьичных клеток листа растений. Замыкающие клетки устьиц у растений варианта 1 (КС) имели более округлую форму, их длина была в 1,2 раза, а ширина в 1,1 раза меньше по сравнению с контролем (табл. 1). При этом ширина апертуры устьиц была на уровне аналогичных показателей растений контроля. У растений варианта 2 (СС) длина и ширина замыкающих клеток была незначительно меньше по сравнению с контролем. Однако ширина апертуры была в 1,5 раза больше по сравнению с контролем и вариантом 1.
Закрытие устьиц служит важным механизмом поддержания водного баланса растений. Более выраженный ответ устьиц наблюдался в варианте 1 - в ответ на КС большинство устьиц были закрыты - до 80%. В ответ на СС открытыми были 50% устьиц, тогда как при естественном освещении открытыми были до 40% устьиц. Одной из причин большого количества закрытых устьиц листа растений варианта 1 может быть высокий уровень АБК в тканях листьев, связь этого фитогормона с механизмом закрытия устьиц хорошо известна [17]. Наблюдаемое в варианте 1 (КС) закрытие устьиц уменьшает устьичную проводимость и транспирацию растений. И, наоборот, при до-светке синим светом наблюдалось значительное количество открытых устьиц при одинаковой площади устьиц с контролем, что в конечном итоге может способствовать увеличению транспирации и нарушению водного ба-
ланса растения. Продуцирование растением эфирного масла можно рассматривать как часть ответной реакции на изменение параметров окружающей среды: свет, температура и влажность. Летучие органические компоненты (монотерпены, изопрен, сесквитерпены, метилсала-циаты и др.) корректируют и стабилизируют среду обитания растения, что дает возможность нормализовать фотохимические и биохимические реакции в тканях [18, 19]. Компонентный состав эфирного масла тагетиса весьма вариабелен и во многом зависит от селекционных особенностей растения: мажорными компонентами эфирного масла могут быть как пиперитон и пиперите-нон [20], так кариофилен и терпинолен [21].
В составе эфирного масла растений тагетиса было обнаружено до 22 компонентов, все компоненты с содержанием более 0,1% от общей суммы идентифицировали по времени удерживания и масс-спектрам (табл. 2).
2. Компонентный состав эфирного масла тагетиса
Компоненты Линейные Кон- Вариант Вариант
индексы троль 1 2
удерживания
Лимонен 1016 0,91 - -
Не определен 1030 1,23 - -
3,4-эпоксикарен 1125 0,89 - 1,59
2-изобутилнорборна1 1126 2,00 - 2,03
Цис-карвеол 1199 3,43 1,88 6,32
Пара-цимен-8-ол 1201 1,75 2,06 2,48
Вербенон 1208 2,07 - 3,30
Карвон 1216 1,96 2,07 3,26
Пиперитон 1227 15,44 16,69 23,63
Карвол 1240 0,95 - 2,43
Изопиперитенон 1275 3,14 3,74 5,66
Пиперитенон 1310 5,21 6,95 8,34
а-пинен эпоксид 1333 3,95 11,62 8,53
Р-кариофиллен 1418 3,79 - -
Р-ионон 1465 0,67 - -
Спатуленол 1565 1,29 1,32 -
Изоаромадендрен 1571 1,72 1,12 -
эпоксид
Тетрагидро гера- 1571 1,32 1,48 -
нилацетон
Фитол 1806 3163 30,32 10,06
Фитил ацетат 1894 8,19 9,86 7,18
Нонадекан 1900 - 5,24 -
Эйкозан 2000 8,46 5,65 15,19
В растениях контроля основными компонентами эфирного масла были фитол (~32%), пиперитон (~15%), эйкозан (~8%) и фитил ацетат (~8%). При досветке красным светом (вариант 1) в составе масла мажорным компонентом остается фитол (~30%), но увеличивается доля окисленной формы а-пинен (на 7,7%) и пиперитона и его производных (на 3,5%). При этом в составе масла не обнаруживается 7 компонентов, фиксируемых в масле растений контроля. Наиболее существенные изменения компонентного состава эфирного масла зафиксированы при досветке синим светом (вариант 2) - по сравнению с контролем в составе масла отсутствуют 8 компонентов, содержание фитола снижается в 3,1 раза, мажорными компонентами масла становятся пиперитон и его производные (на 13,9% больше по сравнению с контролем) и эйкозан (на 6,7%). Увеличение доли пиперитона и его производных, обладающих противофунгицидной и про-тивомикробной активностью, может повышать устойчивость растений тагетиса к грибковым поражениям, микробным инфекциям и вредителям.
Таким образом, совокупность физиологических и биохимических изменений в тканях листьев тагетиса дает возможность предположить, что досветка спектральным светом, изменив среду обитания опытных растений, способствовала началу перестройки метаболитических процессов и активированию систем неспецифических протекторных механизмов, направленных на сохранение ионного и окислительного-восстановительного гомеостаза растений. Добавление к естественному освещению красного света снижало выход ионов K и Na+, увеличивало содержание в тканях салициловой и абсцизовой кислот, уменьшало устьичную проводимость и транспирацию растений. Добавление к естественному освещению синего света также способствовало снижению выхода ионов K+ и увеличению содержания абсцизовой кислоты, но вызывало снижение содержания салициловой кислоты, увеличивало устьичную проводимость и значительно изменяло компонентный состав эфирного масла.
Литература
1. Cockburn W., Whitelam G.C., Broad A., Smith J. The participation of phytochrome in the signal transduction pathway of salt stress responses in Mesembryanthemum crystallinum L. // J. of Exp. Bot., 1996. V. 47(5). - P. 647-653.
2. Causin H.F., Jauregui N.R., Barneix A.J. The effect of light spectral quality on leaf senescence and oxidative stress in wheat // Plant science, 2006, V. 171(1). - P. 24-33.
3. Olle M., Akvile V. The effects of light emmiting diode lighting on greenhouse plant grows and quality // Agricultural and food science, 2013, V. 22. -P. 223-234.
4. Тихомиров А.А., Золотухин И.Г., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Специфика реакций растений разных видов на спектральный состав ФАР при искусственном освещении // Физиология растений, 1987, Т. 34. - С. 774-785.
5. Аверчева О.В., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Жигалова Т.В., Погосян С.И., Смолянина. С.О. Особенности роста и фотосинтеза растений китайской капусты при выращивании под светодиодными светильниками // Физиология растений, 2009, Т. 56, № 1. - С. 17-26.
6. Karpinski S., Gabris H., Mateo A., Karpinska B., Mullineaux P.M. Light perception in plant disease signaling // Current opinion in plant biology, 2003, V. 6(4). - P. 390-396.
7. Воскресенская Н.П. Фоторегуляторные реакции и активность фотосинтетического аппарата // Физиология растений, 1987, Т. 34. - С. 669-684.
8. Mateo A., Funck D., Muhlenbock P., Kular B., Mullineaux P. M., Karpisnki S. Controlled levels of salicylic acid and required for optimal photosynthesis and redox ho-meostasis // J. Exp. Bot, 2006, V. 57, № 8. - P. 1795-1807.
9. Barro F., De La Haba P.; Maldonado J.M.; Fontes A.G. Effect of light quality on growth contents of carbohydrates protein and pigments and nitrate reductase activity in soybean plants // Journal of plant physiology, 1989, V. 134(5). - P. 586-591.
10. Тихомиров А.А., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Спектральный состав света и продуктивность растений. -Новосибирск: Наука, 1991. - 167 с.
11. Ушакова С.А., Волкова Э.К., Шалаева Е.Е., Тихомиров А.А. Фотосинтез, дыхание и продуктивность ценоза редиса, выращенного на красном и синем свету // Физиология растений, 1992, Т. 39, Вып. 3. - С. 488-493.
12. Шатило В.И., Ткаченко О.Б., Шелепова О.В., Кондратьева В.В., Воронкова Т.В., Сивухина. Н.В. Влияние красного света на устойчивость растений петунии гибридной к Botrytis cinerea Pers. // Бюллетень ГБС РАН, 2013, № 2. -С. 52-58.
13. Шелепова О.В., Кондратьева В.В., Воронкова Т.В., Олехнович Л.С., Енина О.Л. Физиолого-биохимические аспекты длительного воздействия на растения мяты света неизменного спектрального состава // Бюллетень ГБС РАН, 2012, № 2. - C. 68-73.
14. Шелепова О.В., Кондратьева В.В., Олехнович Л.С., Зайчик Б.Ц., Ружицкий А.О. Вариации состава эфирного масла и накопления салициловой кислоты у Mentha arvensis var. piperascens L. (Lamiaceae) при интродукции в Московском регионе // Растительные ресурсы, 2016, Т. 52, № 3. - С. 414-424.
15. Yuan Shu, Hong-Hui Lin. Role of salicylic acid in plant abiotic stress // Z. Naturforsch, 2008, V. 5-6. - P. 313320.
16. Bechtold U., Karpinski S., Mullineaux P. The influence of the light environment and photosynthesis on oxidative signalling responses in plant-biotrophic pathogen interactions // Plant Cell & Environment, 2005, V. 28. - P. 1046-1055.
17. Ахиярова Г.Р., Фрике В., Веселов Д.С., Кудояро-ва Г.Р., Веселов С.Ю. Накопление и распределение АБК в тканях листа и устьичная проводимость при водном стрессе, индуцированном засолением // Цитология, 2006, Т. 48, № 11. - С. 918-923.
18. Spinelli F., Cellini A., Marchetti L., Shanker A.K., Venkaterswarlu B. Emission and function of volatile organic compounds in response to abiotic stress // Abiotic stress in plants - mechanisms and adaptations. - Rijeka: InTech, 2011. - P. 367-394.
19. Stevovic S., Calic-Dragosavac D., Mikovilovic V.S., Zdravkovic-Korac S., Milojevic J., Cingel A. Correlation between environment and essential oil in medical plants // Adv. Environmental Biol, 2011, V. 5, № 2. - P. 465-468.
20. Romagnoli C., Bruni R., Andreotti E., Rai M.K., Vi-centini C.B., Mares D. Chemical characterization and antifun-gal activity of essential oil of capitula from wild Indian Tagetes patula L. // Protoplasma, 2005, V. 225, № 1. - P. 57-65.
21. Зыкова И.Д., Кондратюк Т.А., Ефремов А.А. Исследование состава эфирного масла надземной части Tagetes patula L., культивируемого в Сибирском регионе // Сибирский медицинский журнал, 2013, Вып. 2, Т. 117. -С. 103-105.
