Связь фотосинтетических параметров хвои с ростом саженцев

УДК 630*164.4:581.143:581.132
А.П. Зотикова, О.Г. Бендер
СВЯЗЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ХВОИ С РОСТОМ
САЖЕНЦЕВ КЕДРА СИБИРСКОГО
Работа выполнена при поддержке проекта фундаментальных исследований СО РАН 23.1.7
и проектов РФФИ № 04–04 – 49795, № 06–04 – 49065а.
Анализируются содержание фотосинтетических пигментов и функциональная активность изолированных хлоропластов саженцев кедра сибирского, различающихся показателями роста. Показано, что содержание хлорофиллов a и b, а также каротиноидов слабо коррелирует с ростовыми параметрами. Первичные фотохимические реакции протекают у быстро растущих саженцев с большей скоростью по сравнению с медленно растущими.
Для разработки научных основ плантационного выращивания хвойных растений необходимо исследование
их структурных и функциональных особенностей. Немаловажное значение в оценке продуктивности растений
имеет фотосинтез, интенсивность работы которого зависит как от внутренних, так и от внешних факторов. В
предшествующих исследованиях фотосинтетической деятельности хвойных преимущественное внимание уделялось изучению пигментного фонда. Однако имеющиеся
материалы о корреляции ростовых показателей и содержания фотосинтетических пигментов у хвойных отражают неконкретность характера этой связи, ее нестабильность, а иногда и некоторую противоречивость. По одним
данным, увеличение количества зеленых и желтых пигментов в хвое полусибсового потомства сосны обыкновенной происходило в основном за счет возрастания хлорофилла b и каротиноидов [1], по другим, наоборот, за
счет повышения хлорофилла a [2]. В молодой хвое трехлетних саженцев ели уменьшение количества хлорофиллов и каротиноидов коррелировало со снижением величины их роста и ветвления [3].
Очевидно, что наряду с количественными характеристиками пигментного фонда необходимо изучение активности фотосинтетической деятельности листового аппарата, во многом определяющей продуктивность растительного организма. Высокая наследственная обусловленность,
широкий диапазон генотипического варьирования и определенные корреляционные связи процессов роста и продуктивности с первичными реакциями фотосинтеза сегодня достаточно широко показаны на примере зерновых
культур и травянистых растений [4–6]. Связь характеристик пигментного фонда со спецификой первичных фотохимических реакций и ростом у древесных растений изучена недостаточно. Имеются работы о параллельном снижении активности фотосинтеза и содержания количества
пигментов у некоторых хвойных пород [3, 7], а также о
повышении активности реакции Хилла в период интенсивного роста осины [8]. Данных подобного рода для кедра
сибирского нами не обнаружено. Целью настоящей работы
явилось сравнительное исследование содержания фотосинтетических пигментов и функциональной активности хлоропластов в двухлетней хвое саженцев кедра сибирского
(Pinus sibirica Du Tour), различающихся параметрами роста.
Объекты и методики исследования
Исследования проводили на 2–5-летних cаженцах
кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), выращенных
в открытом грунте научного стационара «Кедр» Инсти-
тута мониторинга климатических и экологических систем СО РАН. На основании характеристик развития более 500 растений выделены особи, достоверно различающиеся размерами линейного роста и ветвления оси
побега (количество латеральных почек в годичной мутовке) на протяжении всех лет исследований. Из этих
сеянцев сформированы две группы (быстро и медленно
растущие). Среднестатистические характеристики роста
сеянцев этих групп представлены в табл. 1.
Для определения фотосинтетических пигментов и
функциональной активности хлоропластов использовали
среднюю пробу двухлетней хвои из соответствующей
группы саженцев. Исследования проводили в течение лета
3 раза: в июне, июле и августе. Содержание пигментов в
хвое и суспензии хлоропластов определяли спектрофотометрически согласно [9]. При выделении хлоропластов
хвою растирали в среде выделения следующего состава:
0,05 М трис-HCI-буфер рН 8,0, 0,4 М сахароза, 1 мМ
ЭДТА, 1 мМ МgCI2, 0,5% бычий альбумин. Скорость фотовосстановления феррицианида калия и фотофосфорилирования определяли потенциометрическим методом [9].
Реакционная среда объемом 10 мл содержала (в мкмолях):
сахароза – 400, NаCI – 100, Na2 HPO4 – 3, МgCI2 – 2, АДФ –
1, К3Fe(CN)6 – 1. Реакции измеряли при освещении кюветы
белым светом интенсивностью 150 Вт/м.
Эксперименты проводили в 4-кратной биологической повторности. В таблицах приведены средние
арифметические данные и ошибка средней.
Результаты и обсуждение
Проведенные наблюдения показали, что растения, относящиеся к разным группам по типу роста, в течение
нескольких лет статистически достоверно различались
величиной годичного прироста, ветвления и длиной хвои
(табл. 1). На пятый год жизни группы саженцев сохраняли
наблюдавшуюся ранее неоднозначность линейного роста
оси побега, а изучение его динамики показало, что различия в величине роста между отдельными группами достигались к началу периода активного роста и сохранялись в
дальнейшем до конца вегетации (рис. 1). Различия между
активностью и продолжительностью роста побегов показаны также у быстро и медленно растущих лиственниц в
возрасте 4–8 лет [10].
Расценивая вышеприведенные данные как аналог
сезонного хода морфогенеза [11], можно говорить преимущественно о различиях внепочечного роста саженцев, т.е. о различиях в величине роста растяжением
стебля у саженцев разных форм.
161
Таблица 1
Характеристики роста саженцев кедра сибирского
Группа
Возраст саженца, лет
3
Длина годичного прироста, см
22,73±0,51
24,29±0,44*
Длина хвои, мм
37,70±2,31
40,33±0,72
Число ауксибластов, шт./мутовка
1,09±0,05
0,85±0,07*
2
Медленно растущие
Быстро растущие
15,24±0,30
16,29±0,39*
Медленно растущие
Быстро растущие
42,96±1,09
45,11±0,63*
Медленно растущие
Быстро растущие
* Статистически достоверные различия.
4
36,06±1,06
42,48±1,11*
52,20±2,49
66,42±1,01*
0,57±0,05
0,32±0,05
110,0
100,0
мм
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
2.VI
6.VI
8.VI
10.VI
Дата наблюдения
медленно растущие
быстро растущие
Рис. 1. Длина оси годичного побега у саженцев кедра сибирского
Определение содержания фотосинтетических пигментов в двухлетней хвое саженцев в течение летнего
периода показало, что максимальное количество хлорофиллов a и b, а также суммы каротиноидов накапливается в июле (рис. 2). О степени сформированности фотосинтетического аппарата обычно судят по отношению
хлорофилл a/b, которое в норме у травянистых растений
колеблется от 2,2 до 3. В двухлетней хвое саженцев это
отношение не отличалось от покрытосеменных растений
и составляло 2,8–3,3. Отношение суммы хлорофиллов к
каротиноидам в течение всего срока наблюдений практически не изменялось. Проведенные исследования не
установили прямую зависимость между высотой саженцев и содержанием фотосинтетических пигментов в
двухлетней хвое (рис. 2). Однако в отдельные сроки вегетации пул хлорофиллов, особенно хлорофилла b, у
медленно растущих саженцев по сравнению с быстро
растущими был немного ниже.
Соответственно соотношение отдельных групп
пигментов было близким за исключением июльских
проб. Полученные результаты указывают на небольшие
различия в гетерогенности пигментных форм, связанных с фотосистемой II и светособирающим комплексом у саженцев, отличающихся интенсивностью роста.
Известно, что видимый рост побегов в длину у кедра
сибирского в июле практически закончен. Очевидно, в
условиях чрезвычайной лабильности пигментов полу162
ченный результат может быть свидетельством косвенной связи их количества с отдельными этапами ростовых процессов и их адаптивной изменчивостью. В литературе неоднократно отмечены возрастные, суточные
и сезонные колебания хлорофиллов и каротиноидов [3,
7]; показаны экологические аспекты специфики сезонной динамики пигментных пластид [12, 13], корреляции ее хода c сезонным ритмом роста хвои и побегов
[14], а также связь количественного содержания пигментов с возрастом хвои, положением побега в кроне и
его половым типом [15]. Уровень изменчивости хлорофиллов был неоднозначен у разных фено- и морфоформ, а также на последовательных фазах развития
дерева [7, 16]. С учетом этого полученные результаты
(рис. 2) можно оценить как подтверждение имеющихся
данных о том, что содержание фотосинтетических
пигментов – параметр, непосредственно не связанный
со скоростью роста, а скорее всего, адаптивная реакция, которая в большей степени зависит от возрастных,
сезонных и экологических изменений.
В [6] показано, что в реализации фотосинтетической
функции важно не только общее содержание хлорофилла,
но и его организация в пигмент – белковолипидные комплексы и фотосистемы. Первичные фотохимические процессы находятся в большой зависимости от внешних факторов среды, а также подвержены направленной физиолого-биохимической регуляции со стороны клетки. Кроме
того, современные представления в области физиологической генетики позволяют считать, что существуют генети-
чески обусловленные особенности структурно-функциональной организации фотосистем хлоропластов [6, 17].
1400
мкг/г сырой массы
1200
1000
800
600
400
200
0
БР
МР
Июнь
БР
МР
БР
Август
хлорофилл b
каротиноиды
Июль
хлорофилл а
МР
Рис. 2. Содержание фотосинтетических пигментов в хвое саженцев кедра сибирского
Одним из параметров, характеризующих хлоропласты, можно считать их фотохимическую активность.
Исследование реакций фотовосстановления феррицианида и нециклического фотофосфорилирования, характеризующих работу второй фотосистемы фотосинтеза,
выявило некоторую специфику в осуществлении первичных фотохимических процессов у быстро и медленно растущих саженцев (табл. 2). Медленно растущие
растения отличались от быстро растущих значительно
меньшими скоростями реакции Хилла и сопряженного с
ней нециклического фотофосфорилирования. Важно,
что активности вышеуказанных реакций различались в
течение всего периода исследований. Особенно низкая
активность хлоропластов медленно растущих форм отмечалась в июне, что в процентном отношении составляло 25–40% по сравнению с быстро растущими. К концу лета скорость исследованных процессов у медленно
растущих саженцев несколько увеличивалась, но так и
не достигала значений, характерных для быстро растущих форм. Более значительные различия между вариантами наблюдались в реакциях нециклического фотофосфорилирования, а не в реакциях, связанных с транспортом электронов. Поэтому и отношение P/2e, определяющее степень сопряжения реакций электронного
транспорта с фотофосфорилированием, у медленно растущих форм было ниже.
Таблица 2
Функциональная активность хлоропластов саженцев кедра сибирского
Время определения
Группа
Быстро растущие
Медленно растущие
Быстро растущие
Июль
Медленно растущие
Быстро растущие
Август
Медленно растущие
* Физиологический смысл отношения см. в тексте.
Июнь
Скорость фотовосстановления
феррицианида калия,
мкМ К3Fe(CN)6/ мг·Хл·ч
384,6±18,5
153,9±11,0
258,1±12,1
139,4±3,1
390,6±5,1
197,2±21,1
Реакцию фотовосстановления феррицианида калия
измеряли в присутствии фосфатакцепторной системы
(АТФ+Фн), которая, как известно, стимулирует электронный транспорт и дает возможность характеризовать потенциальную восстановительную активность
хлоропластов. Полученные результаты указывают на
то, что электронный транспорт у быстро растущих саженцев потенциально активнее и в большей степени
сопряжен с процессами трансформации энергии.
Следует отметить, что ранее для сосны и ели была
показана тесная связь интенсивности фотосинтеза [3]
или функциональной активности хлоропластов [11, 18]
Скорость нециклического фотофосфорилирования,
мкМ АТФ/мг ⋅ Хл ⋅ ч
240,5±14,1
86,2±10.1
185,1±17,1
75,0±2,2
307,6±5,0
135,0±19,4
Р/2е*
0,63
0,57
0,72
0,54
0,79
0,68
с содержанием реакционных центров фотосистемы II.
Поэтому можно предположить, что в структурном отношении различия в фотохимической активности хлоропластов у исследованных групп саженцев обусловлены, вероятно, спецификой организации фотосистем и
содержанием реакционных центров фотосистемы II.
Как показали проведенные исследования, высокая активность реакции Хилла и нециклического фотофосфорилирования у быстро растущих форм свидетельствует об эффективной работе процессов фотосинтеза в
течение всего летнего периода. По-видимому, высокая
фотосинтетическая функция хвои у быстро растущих
163
форм имеет важное значение в реализации роста. Другие
авторы также отмечали зависимость скорости роста у
С3-, С4- и Сам-растений от различий в светособирающих
комплексах и путях фиксации углерода. Установлено
наличие количественных соотношений между структурой фотосинтетического аппарата, которая создается в
процессе роста, и его фотосинтетической функцией [17,
19]. Проблема интеграции фотосинтеза и роста у многолетних древесных растений осложняется еще и тем, что
рост у них осуществляется в большей степени за счет
ассимилятов прошлых лет, и это, несомненно, требует
изучения организации и регуляции донорно-акцепторных отношений.
Таким образом, повышение активности электротранспортных реакций и нециклического фотофосфорилирования у быстро растущих саженцев дает больший выход высокоэнергетических соединений, вероятно, способствуя тем самым большему образованию в
процессе фотосинтеза метаболитов, необходимых для
усиления роста кедра сибирского.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мирославов Е.А., Алексеева О.А. О смене популяций хлоропластов в клетках мезофилла вечнозеленых древесных растений // Экология лесов
Севера. Сыктывкар, 1989. Т. 2. С. 10.
2. Дудыч Я.И. Особенности роста и накопления пигментов у полусибсовых сеянцев сосны обыкновенной // Проблемы физиологии и биохимии
древесных растений. Петрозаводск, 1989. С. 175.
3. Цельникер Ю.Л., Малкина И.С., Ковалев А.Г. и др. Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев. М.: Наука, 1993. 256 с.
4. Абдуллаев Х.А., Красичкова Г.В., Насыров Ю.С. Селекция по физиологическим тестам на фотосинтетическую продуктивность // Фотосинтез
и продукционный процесс. М.: Наука, 1988. С. 258–262.
5. Коф Э.М., Ооржак А.С., Виноградова И.А., Калиберная З.В., Кренделева Т.Е., Кукарских Г.П., Кондыков И.В., Чувашева Е.С. Листовой аппарат, пигментный комплекс и продуктивность дикого и афильного генотипов гороха // Физиология растений. 2004. Т. 51, № 4. С. 500–506.
6. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф. Фотосинтез: физиолого-экологические и биохимические аспекты. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1996. 320 с.
7. Ходасевич Э.В. Фотосинтетический аппарат хвойных. Минск: Наука и техника, 1982. 199 с.
8. Попова Н.М. О фотохимической активности внелистовых хлоропластов древесных растений // Проблемы физиологии и биохимии древесных
растений. Красноярск, 1974. Вып. 2. С. 27.
9. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. М.: Академия, 2003. 256 с.
10. Федорова А.И. Изучение ростовых веществ у лиственницы сибирской разной интенсивности роста // Проблемы физиологии и биохимии
древесных растений. Красноярск, 1974. Вып. 2. С. 77–79.
11. Smitt M. Regulation of Metabolism in Transgenic Plants // Ann. Rev. Plant Physiol. Plan Mol. Biol. 1995. Vol. 46. P. 341.
12. Коренные еловые леса Севера: биоразнообразие, структура, функции. СПб.: Наука, 2006. 337 с.
13. Зотикова А.П., Бендер О.Г., Рудник Т.И. Экофизиологические реакции листового аппарата кедра сибирского на изменение климата // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19, № 11. С. 969–972.
14. Тужилкина В.В, Веретенников А.В. Пигменты хвои сосны и ели // Эколого-биологические основы повышения продуктивности таежных
лесов Европейского Севера. Л.: Наука, 1981. С. 108–119.
15. Цельникер Ю.Л., Корзухин М.Д., Суворова Г.Г., Янькова Л.С. и др. Модельный анализ влияния факторов среды на фотосинтез хвойных
Предбайкалья // Современная физиология растений: от молекул до экосистем: Матер. докл. Междунар. конф. Сыктывкар, 2007. Ч. 3.
С. 117–119.
16. Рубцов В.И. Изменчивость фенологических форм ели обыкновенной в молодняках // Лес, геоботаника и биология древесных растений.
Тула, 1973. С. 110–115.
17. Ладыгин В.Г. Редукция мембранной системы хлоропластов при нарушении ранних этапов биосинтеза хлорофилла // Физиология растений.
2006. Т. 53, № 1. С. 15–30.
18. Зотикова А.П., Ананьев Г.М., Аллахвердиев С.И. и др. Спектральные и функциональные свойства хлоропластов проростков cосны, выращенной на свету и в темноте // Физиология растений. 1987. Т. 34, вып. 3. С. 445–452.
19. Oguist G., Martin B. Inhibition of photosynthetic electron transport and formation of inicative chlorophyll in winter stressed Pinus silvestris L. //
Physiol. plant. 1980. Vol. 48, № 1. P. 33–38.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 3 декабря 2007 г.
164