Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ФОТОИНГИБИРОВАНИЕ И ИЗМЕНЕНИЯ В ПИГМЕНТНОМ СОСТАВЕ ПОБЕГОВ EPHEDRA MONOSPERMA ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МОРОЗОУСТОЙЧИВОГО СОСТОЯНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО КЛИМАТА ЯКУТИИ

Софронова В.Е. 1 Чепалов В.А. 1
1 Институт биологических проблем криолитозоны СО РАН, Якутск, Россия
Формирование морозоустойчивого состояния вечнозеленых растений Ephedra monosperma Gmelin ex C.A. Meyer в условиях экстремального климата Якутии сопровождается фотоингибированием фотосистемы 2 и выраженными изменениями в пигментном составе ассимилирующих побегов. Этот период охватывает вхождение растений в состояние покоя, первую и вторую фазу закаливания. Снижение содержания хлорофилла на 35–40% уменьшает эффективность абсорбции света фотосинтетическим аппаратом (ФСА) на единицу площади и способствует обеспечению фотостаза в период закаливания. Несмотря на постоянство содержания суммы каротиноидов, происходят выраженные изменения в их качественном составе. Достоверно снижается доля (α+β)-каротинов, повышается содержание ксантофиллов в пуле желтых пигментов. Обнаружен альтернативный путь превращения зеаксантина (Зеа) – его окисление с образованием фотозащитного вторичного ретрокетокаротиноида родоксантина (Rhd, 4´, 5´-didehydro-4,5´-retro-β,β-carotene-3,3´-dione). Индукция его синтеза происходит на ранней стадии фотоингибирования фотосистемы 2. Накопление вторичного каротиноида Rhd, не участвующего в процессах переноса энергии в фотосинтетическом аппарате, способствует повышению устойчивости растения к фотоингибированию.
флуоресценция хлорофилла
родоксантин
фотоадаптация
криолитозона
1. Merzlyak M., Solovchenko A., Pogosyan S. Optical properties of rhodoxanthin accumulated in Aloe arborescens Mill. leaves under high-light stress with special reference to its photoprotective function. Photochem. Photobiol. Sci.2005. - V. 4. - P. 333-340.
2. Софронова В.Е., Семенова В.В. Фотоадаптация Ephedra monosperma к холодному климату Центральной Якутии // Перспективы фитобиотехнологии для улучшения качества жизни на Севере : материалы междунар. конф. - Якутск : Издательско-полиграфический комплекс СВФУ, 2010. - С. 112-116.
3. Атлас лекарственных растений Якутии / сост. Л.В. Кузнецова, В.И. Захарова, А.А. Егорова и др.; отв. ред. Б.И. Иванов. - Якутск : ЯФ Изд-ва СО РАН, 2003. - Т. 1: Лекарственные растения, используемые в научной медицине. - 194 с.
4. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and Carotenoids Pigments of Photosynthetic Biomembranes // Methods Enzymol. 1987. - V. 148. - P. 350-382.
5. Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Большой практикум по фотосинтезу. - М. : Академия, 2003. - 256 с.
6. Петров К.А. [и др.]. Сезонные изменения содержания фотосинтетических пигментов у многолетних травянистых растений криолитозоны // Физиология растений. - 2010. - Т. 57. - № 2. - С. 192-199.
7. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции хлорофилла. - Киев : Альтерпрес, 2002. - 188 с.
8. Туманов И.И. Физиология закаливания и морозостойкости растений. - М. : Наука, 1979. - 350 с.
9. Oquist G., Huner N.P.A. Photosynthesis of Overwintering evergreen Plants // Annu. Rev. Plant Biol. - 2003. - V. 54. - P. 329-355.
10. Bouvier F., Backhaus R.A., Camara B. Induction and control of chromoplast-specific caroteniod genes by oxidative stress // J. Biol. Chem. - 1998. - V. 273. - P. 30651-30659.
11. Adams W.W., Demmig-Adams B. Carotenoid Composition and Down Regulation of Photosystem II in three Conifer Species during Winter // Physiol. Plant. - 1994. - V. 92. - P. 451-458.
12. Horton P., Wentworth M., Ruban A. Control of the Light harvesting Function of Chloroplast Membranes: The LHCII-Aggregation Model for Non-Photochemical Quenching // FEBS Letters. - 2005. - V. 579. - P. 4201-4206.
В неблагоприятных условиях избыток световой энергии, которая не может быть использована в фотохимических реакциях, повышает вероятность фотодеструкции фотосинтетического аппарата (ФСА). Поэтому молекулярные механизмы, снижающие количество света, достигающего реакционных центров (РЦ) ФСА, играют важную роль в адаптации растений к абиотическим стрессирующим факторам среды. Одним из общих защитных механизмов от избыточного света является накопление фотозащитных пигментов, которые выполняют функцию световых фильтров в определенной спектральной области [1].

В побегах вечнозеленых растений Ephedra monosperma Gmelin ex C.A. Meyer из семейства Ephedraceae обнаружен альтернативный путь превращения зеаксантина (Зеа) - его окисление с образованием фотозащитного вторичного ретрокетокаротиноида родоксантина (Rhd, 4´, 5´-didehydro-4,5´-retro-β,β-carotene-3,3´-dione) [2]. Ареал E. monosperma занимает наиболее континентальные области азиатского материка, включая Тибет и Монголию. В Якутии произрастает в южных, центральных и восточных районах [3]. Светолюбивое и засухоустойчивое растение, обладает всеми признаками крайней ксероморфности. На отдельных остепненных участках в составе сообществ является доминирующим видом, а также встречается в мертвопокровных толокнянковых сосняках. Особенностью видов эфедры является отсутствие зеленых листьев. Функцию ассимиляции несут побеги.

Целью настоящей работы является выявление динамики изменения фотохимической эффективности ФС II (фотосистемы II) и пигментного состава побегов E. monosperma при формировании морозоустойчивого состояния в условиях экстремального климата Якутии. Актуальность работы связана с проблемой устойчивости вечнозеленых растений в условиях криолитозоны.

Исследования проводили в 2008-2010 гг. в питомнике Якутского ботанического сада Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, расположенного на второй надпойменной террасе долины р. Лены в 7 км к западу от г. Якутска (62°15´ с.ш., 129°37´ в.д.). Почвы участка слабозасоленные мерзлотно-лугово-черноземные супесчаные. Средняя температура воздуха за май-сентябрь 2009 г. составляла 14.2 ºС, сумма осадков 142 мм (среднемноголетняя величина - 161 мм) соответственно. Вегетационный период 2010 г. характеризовался средней температурой воздуха 13.5 ºС и суммой осадков 146 мм. Таким образом, исследуемые годы имели схожие погодные характеристики во время роста и развития растений при минимальных зимних температурах воздуха -46-48 ºС. В опытах использовали ассимилирующие побеги IV-V порядка и побеги первого года (VI порядок) зрелых генеративных растений. Отбор проб на пигменты осуществляли через 7-10 дней. Количественное определение хлорофиллов а и b (Хл а и b) проводили в 80%-ном ацетоновом экстракте [4; 5]. Качественный и количественный состав каротиноидов (Кар) анализировали методом ТСХ в нашей модификации [4; 5; 6]. Удельный коэффициент экстинкции E1%1cm для Rhd 2500 при 507 нм [1]. Каждый опыт состоял из трех параллельных биологических повторностей. Максимальный квантовый выход ФС II (или максимальную фотохимическую эффективность ФС II) как отношение переменной флуоресценции к максимальной: Fv/Fm = (Fm - Fo)/Fm определяли с помощью импульсного флуориметра Mini-PAM (Walz, Effeltrich, Germany) у 8-16 независимых биологических образцов [7]. Степень фотоингибирования определяли как снижение максимального квантового выхода в процентах по отношению к летнему максимальному значению Fv/Fm, определенному 10 августа 2010 г. Температуру воздуха на опытном участке регистрировали с помощью термографов DS 1922L iBitton («Dallas Semiconductor», США). В таблицах и графиках приведены средние арифметические значения и их стандартные отклонения. При определении долевого содержания индивидуальных Кар от суммы Кар относительная ошибка составила 5-6%. Все данные обрабатывались в среде электронной таблицы Microsoft Excel 2002 из пакета Microsoft Office с использованием макроса-дополнения XLSTAT-Pro. Статистическая поверка данных велась в пакете StatSoft Statistica 6.0.

Изучение содержания Хл и Кар в побегах E. monosperma показало, что их максимум наблюдается к окончанию ростовых процессов - в августе (табл. 1). В это же время отмечается минимальное содержание Лют+Зеа (лютеина и зеаксантина) - 0.24 ± 0.02 мг/гсух. массы (51.8 ± 4.3% от суммы Кар без учета Rhd), максимальный уровень (α+β)-Кар (каротинов) - 0.09 ± 0.01 мг/гсух. массы (18.5 ± 2.0%) за вегетационный сезон (рис. 1). Со второй половины августа до конца октября происходили выраженные изменения в пигментном составе (табл. 1; рис. 1), включая период вхождения в органический покой, первую и вторую фазы закаливания [8]. По наблюдениям 2009 и 2010 гг., при формировании морозоустойчивого состояния содержание Хл (a + b) в побегах уменьшается на 35-40%, а отношение Хл/Кар снижается почти в два раза по сравнению с летними значениями. К концу октября достоверно также снижается доля (α+β)-Кар до 13.6 ± 2.5% в сумме фотосинтетических Кар. При этом содержание Нео (неоксантина) остается практически постоянным. В летние месяцы в активно ассимилирующих побегах Rhd отсутствует (рис. 1). Его появление отмечается в начале сентября и по времени совпадает с началом снижения Хл и (α+β)-Кар, некоторым увеличением доли ксантофиллов (Ксан) в пуле желтых пигментов. Количество Rhd в верхних ассимилирующих побегах увеличивалось. Однако в нижних затененных частях побегов E. monosperma он отсутствовал. В течение первой фазы закаливания низкими положительными температурами (рис. 2) содержание Rhd нарастало от следовых до 19.6 мкг/гсух. массы (3.8 ± 1.2% от суммы Кар). Его максимальная концентрация (59.9 ± 16.3 мкг/гсух. массы или 10.8 ± 2.9% от суммы Кар) достигалась в начале второй фазы закаливания после 3-5 дней при установлении устойчивых отрицательных температур.

Таблица 1 - Содержание и соотношение пигментов (мг/гсух. массы) в побегах E. monosperma

Срок взятия

проб

Этапы развития растения

Хл (a + b)

Хл a/Хл b

Сумма Кар*

Хл/Кар

конец июня-июль

развитие и созревание семян, прекращение роста побегов в конце июля

2.87 ± 0.27

3.6

0.46 ± 0.05

6.2

август

процесс покрытия пробкой побегов,

заложение почек

2.83 ± 0.40

3.5

0.51 ± 0.06

5.6

сентябрь

увеличение массы почек, 1 фаза закаливания

2.49 ± 0.32

3.5

0.53 ± 0.04

4.7

октябрь

2 фаза закаливания

1.92 ± 0.21

3.5

0.56 ± 0.05

3.4

  * - сумму Кар вычисляли с учетом содержания Rhd. Приведены усредненные данные за 2009 и 2010 гг.

Рис. 1. Динамика каротиноидного состава в побегах Е. monosperma (2009-2010 гг.): 1 - Нео; 2 - Виo + Зea; 3 - Лют+Зеа; 4 - (α+β)-Кар; 5 - Rhd.

Рис. 2. Температура воздуха осенью 2010 г.: 1 - средняя температура за светлое время суток; 2, 3 - среднесуточная и ночная температура соответственно.

К концу сентября после прохождения недельного закаливания низкими положительными температурами (рис. 2) необратимое и обратимое фотоингибирование составило 17.9 и 9.1% по отношению к летнему максимальному значению Fv/Fm (рис.3). За этот период температуры были равны 3.6 ± 1.2, 2.3 ± 0.8, 1.0 ±1.3 °С в светлое время суток, за сутки, в ночное время соответственно. К началу достижения максимума содержания Rhd (к 6 октября) при наступлении слабых морозов (-3.8-5.6 °С 3-5 октября) необратимое фотоингибирование возрастало до 27.2%, обратимое до 15.7%, несмотря на кратковременное потепление до низких положительных температур 6 октября. В дальнейшем к середине октября обратимое фотоингибирование при снижении ночных температур до -5-8 °С достигало максимальных значений 26.6-27.1% (рис. 3), которое происходило в результате тушения параметров Fo и Fm (фоновой и максимальной флуоресценции Хл) с участием пигментов виолаксантинового цикла (ВЦ). В дальнейшем его глубина практически оставалась постоянной и не зависела от дальнейшего снижения температур до -40-45 °С в зимние месяцы. При -12.4-15.6 °С величина необратимого фотоингибирования составила 47.8-52.7%.

Снижение фотосинтеза в конце августа и начале сентября при вхождении в покой растения приводит к нарушению баланса между световой энергией, адсорбируемой реакционными центрами фотосистем, и энергией, потребляемой в темновых реакциях фотосинтеза. Снижение общего количества Хл (а+b) начинается задолго до заморозков на самой ранней стадии фотоингибирования ФС II и направлено на уменьшение эффективности абсорбции света ФСА на единицу площади [9]. Это способствует обеспечению фотостаза в первую фазу закаливания, а также, по-видимому, регуляции фотофизических процессов во вторую фазу закаливания при углублении степени необратимого фотоингибирования. Несмотря на снижение Хл, «избыточный» свет при неуклонном снижении температуры приводит к образованию АФК (активных форм кислорода), которые могут быть вторичными мессенджерами в образовании Rhd из Вио при его окислении [10].

Нами установлено, что клетки с красным пигментом в побеге располагаются в 2-3 ряда в паренхиме под эпидермой, с солнечной стороны, убывая и исчезая в теневой части среза побега [2]. При невысоком содержании Хл (1.4-2.5 мг/гсух. массы  в период присутствия Rhd) он эффективно поглощает значительную часть фотоактивной радиации в зеленой области спектра и может образовывать эффективные ловушки излучения в широкой полосе 450-600 нм [1]. Солнечное излучение наиболее глубоко проникает в ассимилирующие ткани растений в этой области. Формирование «фотозащитного экрана» и поддержание его функционирования в неблагоприятные периоды требует минимальных затрат энергии, что позволяет обеспечить длительную фотоадаптацию реликтового растения. В отличие от ферментативных систем, функционирование «пассивного родоксантинового экрана» не зависит от понижения или колебаний температуры и может работать также эффективно в зимние месяцы, что крайне важно для вечнозеленого растения.

Рис. 3. Динамика фотоингибирования ФС II в побегах Е. monosperma (2010 г.): 1, 2 - необратимое, обратимое фотоингибирование. Планки погрешностей представляют ± стандартные отклонения (n = 16).

В отличие от вечнозеленых хвойных деревьев, рост фракции - Лют + Зеа - при прохождении закаливания слабо выражен. По-видимому, ее небольшое увеличение (рис. 2) происходит в основном за счет ингибирования обратной реакции ВЦ [11].

Судя по динамике обратимого фотоингибирования, Зеа начинает присутствовать круглосуточно при снижении средних ночных температур до +1.0-3.0 °С. Подъем уровня пигментов ВЦ наблюдается также во вторую фазу закаливания, что позволяет поддерживать нефотохимическое тушение избыточной световой энергии растением на достаточном уровне независимо от pН люмена при отсутствии электронного транспорта. В отличие от P. sylvestris усиление образования Лют в побегах растений E. monosperma во время закаливания не отмечается. По-видимому, Ксан усиливают различные способы нефотохимического тушения Хл [12] в оставшихся активных и дезактивированных комплексах ФС II и ФС I, в то время как образование Rhd происходит в результате трансформации хлоропластов в нефотосинтезирующие хромопласты [10].

Статья подготовлена в рамках проведения VI Съезда Российского фотобиологического общества в рамках госконтракта № 14.741.12.0157 Министерства образования и науки Российской Федерации.

Рецензенты:

  • Данилова Н.С., д.б.н., профессор, зам. директора Ботанического сада Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Амосова МоиН РФ, г. Якутск.
  • Миронова Г.Е., д.б.н., профессор кафедры высокомолекулярных соединений, органической и биологический химии биолого-географического факультета Северо-Восточного федерального университета, г. Якутск.

Работа получена 23.11.2011


Библиографическая ссылка

Софронова В.Е., Чепалов В.А. ФОТОИНГИБИРОВАНИЕ И ИЗМЕНЕНИЯ В ПИГМЕНТНОМ СОСТАВЕ ПОБЕГОВ EPHEDRA MONOSPERMA ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МОРОЗОУСТОЙЧИВОГО СОСТОЯНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО КЛИМАТА ЯКУТИИ // Современные проблемы науки и образования. – 2011. – № 6. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=4983 (дата обращения: 26.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074