Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 2. Технология проведения экспериментов, использованное оборудование и методики определения флуоресцентных и физиологических характеристик растений 40
2.1. Объекты исследований 40
2.2. Экспериментальная установка для выращивания растений 41
2.3. Условия выращивания растений 43
2.4. Методика проведения экспериментов по культивированию фитоценозов 44
2.5. Установка для регистрации индукции флуоресценции 46
2.6. Методики определения и интерпретации основных флуоресцентных параметров 49
2.6.1. Термоиндуцированная флуоресценция хлорофилла 49
2.6.2. Медленная индукция флуоресценции хлорофилла 50
2.7. Измерения с02 -газообмена ценозов растений 52
2.8. Определение концентрации основных фотосинтетических пигментов 52
2.9. Статистическая обработка данных 53
2.10. Методики оценки вариабельности параметров термоиндукции флуоресценции хлорофилла в пределах листовой пластинки 53
2.9. Влияние длительности темновой адаптации на значения параметров метода термоиндуцированных изменений флуоресценции хлорофилла 57
ГЛАВА 3. Изучение параметров термоиндукции флуоресценции в онтогенезе листьев растений 59
3.1. Определение онтогенетических зависимостей изменения основных флуоресцентных параметров листьев ценозов растений в нормальных условиях 59
Ценоз пшеницы 59
Ценоз редиса 65
3.2. Анализ информативности существующих параметров и введение дополнительного флуоресцентного параметра 73
3.3. Особенности применения метода термоиндукции флуоресценции для оценки физиологического состояния фитоценозов 80
Выводы к главе 3: 89
ГЛАВА 4. Действие различных экстремальных факторов внешней среды на параметры флуоресценции листьев растений 91
4.1. Экспозиция ценозов редиса и пшеницы при пороговой температуре перехода от благоприятных к неблагоприятным условиям жизнедеятельности и различных уровнях облучённости ФАР 91
4.1.1. Воздействие температуры на ценоз редиса 91
Обсуждение 96
4.1.2. Воздействие температуры на ценоз пшеницы 98
Обсуждение 103
4.2. Экспозиция ценозов редиса и пшеницы при температуре, являющейся границей активной жизнедеятельности, и различных уровнях облучённости ФАР 104
4.2.1. Воздействие температуры на ценоз редиса 104
Обсуждение 113
4.2.2. Воздействие температуры на ценоз пшеницы 115
Обсуждение 124
Выводы к главе 4: 126
Основные выводы 128
Заключение 130
Литература
- Методика проведения экспериментов по культивированию фитоценозов
- Анализ информативности существующих параметров и введение дополнительного флуоресцентного параметра
- Воздействие температуры на ценоз пшеницы
- Воздействие температуры на ценоз пшеницы
Введение к работе
В качестве метода оценки физиологического состояния фотосинтетического аппарата фотосинтезирующих организмов уже достаточно долгое время применяется метод термоиндуцированных изменений (ТИИ) нулевого уровня флуоресценции хлорофилла, представляющий собой регистрацию флуоресценции хлорофилла при возбуждении очень слабым светом в ходе плавного нагрева изолированных хлоропластов, клеток и высечек листьев растений [1-4]. Этот метод за последние два десятилетия был признан многими исследователями, как весьма перспективный для оценки влияния стрессовых температурных воздействий на фотосинтетический аппарат растений [1, 5-7], так как он отражает структурно-функциональные свойства фотосинтетических мембран хлоропластов. Однако данный метод в настоящее время недостаточно адаптирован для решения задачи устойчивости растений к различным внешним экстремальным воздействиям в реальных условиях их культивирования. Часто во многих исследованиях основным методическим подходом для сравнения различных кривых термоиндукции флуоресценции служит их качественный анализ [6-9], а используемые в ряде работ температурные и амплитудные параметры описывают, в основном, низкотемпературную область термограммы (30-55С) [2, 10]. Однако эти параметры не могут дать полного представления о степени повреждения фотосинтетических мембран, поскольку наиболее простая форма кривой ТИИ флуоресценции, определяемая в области 30-70С в основном низкотемпературным максимумом, наблюдается только для зрелых листьев в нормальных условиях. Для молодых и стареющих листьев, а также при экстремальных воздействиях на зрелый лист форма термограммы флуоресценции существенно меняется в высокотемпературной области [7, 9].Это вызывает затруднения в количественной оценке термограмм и корректности их сравнения. Возникает объективная необходимость, несмотря на неоднозначность интерпретации ТИИ флуоресценции в области 55-70С [2-4, 11-12], введения дополнительных инте-
6 тральных количественных оценок ее изменения во всем температурном диапазоне при старении листьев и экстремальных воздействиях, так как в этих условиях усиливается роль ФС I и других хлорофилл-белковых комплексов фотосинтетического аппарата (ФСА) [13-15].
Кроме того, несмотря на использование метода ТИИ в различных прикладных работах, в том числе экологической направленности, где необходимо учитывать влияние различных иерархических уровней организации ФСА, в литературе нами не обнаружены исследования, которые связывают данные, полученные на отдельной листовой пластинке (а именно на таком уровне работает метод ТИИ флуоресценции), с состоянием всего растения или даже целого ценоза растений. Такие данные необходимы в исследованиях, которые затрагивают изучение состояния ФСА и его устойчивость при действии разнообразных стрессовых факторов внешней среды.
Изучение устойчивости растений к различным экстремальным воздействиям является одной из важнейших проблем физиологии и биохимии растений, а также и биофизики фотосинтеза.
Поскольку фотосинтезирующие организмы являются основным продуцирующим звеном как в естественных, так и в искусственных экосистемах, то стабильность функционирования этого звена и будет в первую очередь определять устойчивость поведения всей системы в целом. Устойчивость фотосинте-зирующего звена выявляется при каких-либо отклонениях параметров среды обитания от оптимума и выходе их за пределы толерантной зоны. При этом растения переходят в новое функциональное состояние, которое по аналогии с животными организмами получило название «стресс» [16] (некоторые исследователи также употребляют термин «фитостресс» [16-17]), а такие воздействия стали называть «стрессовыми» [16]. Действие стрессовых факторов на растительный организм оказывает влияние на множество его жизненно важных функций, таких как рост, накопление биомассы, цветение и формирование урожая и многие другие. Однако наиболее чувствительной к стрессовым воздействиям функцией у растений является фотосинтетическая [16]. Природа же
7 действующих на растения стрессовых факторов при этом может быть самой различной - от физических и химических [18] до биологических воздействий.
Одними из наиболее важных для жизнедеятельности растительных организмов факторов являются световой и температурный режимы среды обитания. Именно этими двумя характеристиками, как правило, в природных условиях определяется, в первую очередь, ареал распространения того или иного вида, а также условия, влияющие на межвидовую конкуренцию [19]. В природе эти два фактора практически не поддаются корректировке и почти полностью определяются географическими и климатическими условиями в каждой конкретной местности. Поскольку на сегодняшний день широко обсуждается проблема глобального изменения климата на Земле, то вопрос об устойчивости растений к изменениям экологических условий среды и, в первую очередь, к изменениям температурных и световых условий, становится как никогда актуальным. Поэтому изучению вопросов влияния светового и температурных факторов (а также некоторых других) в естественных условиях на функционирование фотосинтетического аппарата растений в последнее время было посвящено немало работ [16, 19-62].
Однако, в отличие от естественных условий, при культивировании растений в контролируемых условиях, например в замкнутых системах жизнеобеспечения человека, именно свет и температура являются основными управляющими параметрами, с помощью которых можно добиваться требуемых результатов в функционировании фотосинтезирующего звена. В этих условиях могут возникать совершенно новые и не существовавшие в естественных условиях комбинации стрессовых факторов среды (связанные, например, с различными аварийными ситуациями), а значит и проблемы устойчивости растительных организмов к таким воздействиям. Также в контролируемых условиях возможно моделирование тех или иных климатических условий и их изменений при возможном глобальном изменении климата Земли.
В контролируемых условиях среды становится возможным изучать влияние на растения отдельных выделенных факторов внешнего воздействия без
8 риска получить в результате эффект от комплексного воздействия сразу нескольких внешних факторов.
Поэтому в настоящей работе были поставлены следующие цели и задачи.
Цель работы: изучение взаимосвязи между количественными параметрами кривых термоиндукции флуоресценции хлорофилла листьев растений и физиологическим состоянием фотосинтетического аппарата в норме и при стрессах.
Задачи:
Оценить полноту и информативность количественного описания кривых термоиндукции флуоресценции хлорофилла с точки зрения реакции фотосинтетического аппарата на длительное воздействие тех или иных физических факторов внешней среды;
Исследовать адекватность использования методов индукции флуоресценции для определения состояния фотосинтетического аппарата при обобщении данных, полученных на листовом уровне, на организменный и ценотический уровни иерархической организации и установить границы применимости этих методов при работе с ценозами;
Изучить влияние структуры ценоза на значения флуоресцентных параметров в течение онтогенеза;
Исследовать с помощью методов индукции флуоресценции сочетание действия светового фактора и стрессовых температурных воздействий на ценозы растений;
На основании полученных данных выявить параметры индукции флуоресценции хлорофилла, пригодные для количественного описания физиологического состояния фотосинтетического аппарата растений в течение онтогенеза и/или при стрессовых воздействиях.
Работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, включает 51 рисунок, 16 таблиц, 141 наименование литературных источников.
В первой главе приводится обзор литературы, посвященной исследованиям метода термоиндуцированных изменений нулевого уровня флуоресценции
9 хлорофилла, его количественному описанию и прикладному применению, а также работ по изучению стрессовых состояний у растительных организмов.
Во второй главе описывается методическая часть данной работы, в частности, приводится описание установки для культивирования растений в искусственных условиях среды, условия культивирования, методика проведения экспериментов, устройство флуориметра для регистрации флуоресценции хлорофилла листьев растений, методика расчета основных флуоресцентных параметров. Приведены данные по определению вариабельности значений параметров флуоресценции в зависимости от положения высечки на листовой пластинке и от времени темновой адаптации образцов.
В третьей главе исследованы изменения значений флуоресцентных параметров в течение онтогенеза листьев растений пшеницы и редиса и проведен анализ полноты количественного описания кривой термоиндуцированных изменений флуоресценции хлорофилла. На основании этого анализа введен дополнительный интегральный параметр, представляющий собой площадь под кривой ТИИ флуоресценции. С помощью параметров флуоресценции хлорофилла исследовано влияние густоты посева растений пшеницы на протекание онтогенеза листьев и на основании полученных результатов проанализирована возможность обобщения данных по флуоресценции хлорофилла, полученных на листовом уровне, для характеристики физиологического состояния, как целого растения, так и всего ценоза.
В четвертой главе изучено воздействие сочетания различных уровней облученности и повышенной температуры на физиологическое состояние ценозов растений редиса и пшеницы, оцениваемое по динамике С02 -газообмена ценозов растений, содержанию основных пигментов фотосинтетического аппарата в листьях и по значениям параметров флуоресценции хлорофилла. По результатам этих экспериментов проводится обсуждение особенностей реакции фотосинтетического аппарата этих растений на различные комбинации стрессовых факторов внешней среды.
Выводы содержат основные результаты работы.
10 В заключении обсуждаются результаты, полученные в данной работе, и возможности их применения в различных прикладных исследованиях.
Научная новизна работы:
В ходе экспериментов по культивированию ценозов растений пшеницы и редиса в условиях светокультуры установлены границы применимости метода ТИИ флуоресценции хлорофилла при работе с ценозами высших растений. Показано, что для адекватного описания состояния фотосинтетического аппарата ценоза растений при помощи метода ТИИ флуоресценции хлорофилла необходимо соблюдение условия стабильности светового поля в течение всего периода измерений на уровне тех листовых ярусов, которые используются для диагностики. Как показали проведенные эксперименты, таким условиям удовлетворяют верхние, флаговые листья в ценозах злаковых культур (например, пшеницы) и других видов растений, которые образуют ценозы с четко выраженной ярусной иерархической структурой. Напротив, физиологическое состояние растений, образующих ценозы, в которых либо совсем отсутствует ярусность (например, монослой листьев в ценозе редиса), либо среди ярусов нет иерархического порядка, весьма трудно или совсем невозможно оценивать с помощью метода ТИИ флуоресценции хлорофилла.
При анализе информативности и работоспособности имеющихся параметров, описывающих кривую ТИИ флуоресценции хлорофилла, сделан вывод о необходимости введения дополнительного интегрального параметра (Sp) для характеризации изменений кривой ТИИ флуоресценции в диапазоне от 30 до 70С как на протяжении всего онтогенеза листьев растений, так и при различных стрессовых воздействиях на фотосинтетический аппарат растений. Экспериментально показано, что вновь введенный параметр SF, представляющий собой площадь под нормированной кривой ТИИ флуоресценции хлорофилла и, предположительно, характеризующий общий пул фотосинтетических пигментов, обладает такими свойствами, которые позволяют успешно его использовать в качестве индикатора для экспресс-диагностики физиологического состояния фотосинтетического аппарата и в норме и при стрессовых воздействи-
11 ях на растительные организмы. Новый параметр расширяет имеющийся инструментарий работоспособных количественных характеристик кривой ТИИ флуоресценции хлорофилла и дает дополнительные возможности определения состояния фотосинтетического аппарата растений.
В данной работе с согласия сотрудников лаборатории УБФ Института биофизики СО РАН с.н.с, к.б.н. С.А. Ушаковой и с.н.с, к.б.н. Е.Н. Заворуевой использованы экспериментальные данные по динамике показателей СОг -газообмена ценозов растений редиса и пшеницы и содержанию основных пигментов фотосинтетического аппарата в листьях этих растений.
На защиту выносятся следующие положения:
Установлено, что перенос экспериментальных данных, полученных при использовании метода ТИИ флуоресценции хлорофилла на отдельных листьях ценоза, на состояние всего этого ценоза возможен только при работе с листьями верхнего яруса для культур, образующих в ценозе четкую многоярусную структуру (как, например, ценозы пшеницы и других злаковых культур), когда верхний листовой ярус находится в стабильных световых условиях. Это условие не выполняется для ценозов, у которых отсутствует четко выраженная ярусность листьев (например, у редиса и других культур розеточного типа);
Показано, что для более полного количественного описания изменений кривой ТИИ флуоресценции хлорофилла как в низкотемпературной, так и в высокотемпературной области, необходимо учитывать также и высокотемпературную область этой кривой, для чего в работе был введен новый интеграль- 1 Г=70 ный параметр SF=—-,—г JF(t)dt, представляющий собой величину нормиро- ванной площади под кривой ТИИ флуоресценции;
3. Найдены границы изменения значений нового параметра SF метода ТИИ флуоресценции хлорофилла, служащие индикаторами зоны толерантной ре акции растений на внешние воздействия, когда этот параметр меняется в
12 пределах 15-20% от исходного, и зоны значительных деструктивных изменений в структурно-функциональном состоянии ФСА растений, при которых значения этого параметра падают на 40% и более от исходного уровня; 4. Обнаружено, что наиболее чувствительными к воздействию повреждающей температуры (45С) на ФСА листьев растений как для ценозов редиса, так и для ценозов пшеницы были параметры ТИИ флуоресценции хлорофилла % и Sf, уменьшение которых составило от 30 до 80% от исходной величины. Для листьев 4-го яруса снижение значений этих параметров зависело от уровня облученности ценоза во время действия повышенной температуры (для ценозов редиса эта зависимость менее выражена), что демонстрирует уменьшение повреждения ФСА с увеличением облученности ФАР и подтверждается изменениями параметра а дополнительного контролирующего флуоресцентного метода МИФ и физиологическими показателями (фотосинтез и содержание пигментов).
Методика проведения экспериментов по культивированию фитоценозов
В контрольных условиях растения редиса и пшеницы выращивали при облученности (Е) 150 Вт/м ФАР. Такой выбор уровня облученности был связан с тем, что при этой или близкой к ней интенсивности обычно достигается максимальный КПД фотосинтеза ценозов выбранных растений. Поэтому такие уровни облученности часто являются оптимальными при культивировании фитоценозов в условиях искусственного облучения [127].
При выборе продолжительности фотопериода учитывали значительный опыт, накопленный при выращивании ценозов исследуемых растений в условиях светокультуры как в Институте биофизики СО РАН, так и в других научных учреждениях. Многочисленными экспериментами было показано, что для интенсивного культивирования выбранных сортов пшеницы и редиса наиболее приемлемо непрерывное облучение, при котором сокращаются сроки вегетационного периода и сохраняется высокий урожай хозяйственно полезной части [127]. Густота стояния растений редиса составляла 180 растений/м2 [127], а для пшеницы 1000 растений/м [127], за исключением специального случая, когда для моделирования условий отдельно стоящих растений использовался ценоз пшеницы плотностью 300 растений/м .
При культивировании фитоценозов поддерживали такие условия среды, которые по возможности не являлись бы лимитирующими при использовании запланированных в работе диапазонов уровней облученности. В связи с этим питательным раствором служил раствор Кнопа с добавлением цитрата железа [127], полив растений которым осуществляли через каждые 6 ч [127]. Содержание СОг в атмосфере поддерживали в пределах 0,1 - 0,5% в зависимости от уровня облученности ФАР. Температура воздуха автоматически фиксировалась на уровне 24 ± 1С круглосуточно для редиса и пшеницы [127]. Относительная влажность воздуха составляла 70 - 80% [127] для всех исследуемых культур.
В серии экспериментов с действием повышенных температур в сочетании с различными уровнями облученности ценоза использовали растения, достигшие 14-суточного возраста (как для растений пшеницы, так и для растений редиса).
В экспериментах использовали два уровня повышенной температуры: 35 и 45С. 45С является температурной границей активной жизнедеятельности большинства видов высших растений, а 35С - близка к граничному температурному порогу перехода от благоприятных к неблагоприятным условиям жизнедеятельности большинства высших наземных растений [54].
Выбор уровней облученности при повышении температуры в камере диктовался особенностями реакции фитоценозов и имеющимися техническими возможностями. Поскольку известно [19], что температурный оптимум фотосинтеза растений тем выше, чем больше интенсивность освещения, а затенение отрицательно влияет на устойчивость растений к стрессовым воздействиям, то в данной работе стояла задача оценить методом ТИИ флуоресценции хлорофилла влияние различных уровней облученности ФАР на состояние фотосинтетического аппарата растений при температурных воздействиях на фитоценоз.
Нижнюю границу облученности выбирали близкой к уровню компенсационной точки фотосинтеза, что соответствует примерно 40 - 50 Вт/м2 ФАР [127]. При контрольной облученности - Е = 150 Вт/м ФАР культивировали фи-тоценозы в оптимальных условиях. Верхний уровень облученности ценоза со "У ставлял около 250 Вт/м ФАР, что соответствовало началу процесса фотоинги-бирования отдельных участков верхних листьев фитоценозов.
Для измерений использовали листья верхних, равномерно освещенных ярусов, что особенно важно при измерениях флуоресценции хлорофилла, так как степень освещенности может существенно влиять на значения некоторых флуоресцентных параметров. Для исследованного возраста ценозов этим условиям и у пшеницы, и у редиса удовлетворяли листья 3-го и 4-го ярусов (считая снизу и не учитывая у редиса семядольные листья). При этом под ярусностью растений редиса имеется ввиду лишь последовательность появления листьев в онтогенезе растения и в пространственной структуре ценоза она была слабо выражена. Для листьев растений пшеницы ярусность листьев имела четкую пространственную структуру. В данной работе термин «ярус» используется для обеих культур с учетом этих особенностей. Ориентация в работе на использование листьев определенных ярусов позволяет считать их однородными по физиологическому возрасту, что снижает биологический разброс и заведомо исключает возможность ошибочной интерпретации онтогенетических изменений при оценке результатов стрессовых воздействий на листовой аппарат ценозов.
Для анализов из листьев брали «высечки» - круглые диски диаметром 1,5 см. Для взятия высечек выбирали среднюю треть листовой пластинки, поскольку именно она является наиболее репрезентативной частью всего листа при снятии требуемых в работе флуоресцентных и физиологических характеристик. У листьев редиса высечки располагали вблизи от центральной жилки.
Полученные высечки помещали в чашки Петри с влажной фильтровальной бумагой, предотвращающей обезвоживание высечек. Перед измерениями медленной индукции флуоресценции образцы выдерживали в темноте не менее 4 часов. Для измерений термоиндуцированной флуоресценции хлорофилла темновой адаптации высечек не требовалось. В ходе измерений каждую высечку после помещения в кюветный отсек выдерживали еще около минуты в темноте, прежде чем начинали ее облучение (независимо от метода исследования).
Анализ информативности существующих параметров и введение дополнительного флуоресцентного параметра
В течение онтогенеза, как отдельного листа, так и всего растения в целом нельзя ограничиваться изучением только зрелых листьев и возникает необходимость изучения наряду со зрелыми молодых, активно растущих листьев и стареющих и даже отмирающих листьев. Для оценки теплоустойчивости растения в целом также необходимо рассматривать реакцию на высокие температуры листьев разных возрастов, а не только зрелого листа, как это нередко имеет место [8, 9, 58]. В этих случаях для молодых и стареющих листьев существенное значение приобретает оценка высокотемпературной области термограмм флуоресценции и всей термограммы в целом.
Наши эксперименты [134] показали, что у молодых и стареющих листьев, и пшеницы (рис. 3.12.), и редиса (рис. 3.13.) происходят значительные изменения в термограммах флуоресценции листа, как в низкотемпературной, так и высокотемпературной областях. Также при экстремальных тепловых воздействиях на ценозы этих растений в некоторых случаях наблюдали (рис. 3.14. и 3.15.) изменение качественного вида кривой ТИИ флуоресценции, обусловленное уменьшением, либо увеличением флуоресценции в высокотемпературной области. Из этого следует, что одних температурных, амплитудных характеристик и их соотношений для полного описания данных изменений ТИИ флуоресцен ции хлорофилла недостаточно, поскольку указанные параметры плохо учитывают высокотемпературную область кривой ТИИ флуоресценции.
Кроме того, как следует из приведенных в предыдущем параграфе данных по онтогенетическим изменениям значений основных параметров флуоресценции хлорофилла, существует два основных типа поведения параметра в онтогенезе листа: либо незначительные, в пределах нескольких процентов, характерные изменения или беспорядочные колебания на протяжении всего онтогенеза (например, Тнм или г\); либо значения параметра меняются в достаточно широком диапазоне, но имеют такую зависимость от возраста листа (например, т, х, а), которая далеко не всегда позволяет однозначно интерпретировать фазу онтогенеза листа по значениям этого параметра.
Таким образом, при изучении влияния различных стрессовых факторов на фотосинтетический аппарат растений при помощи метода ТИИ флуоресценции хлорофилла возникает проблема идентификации изменений, вызванных собст венно стрессом на фоне онтогенетических колебаний какого-то параметра.
Возникает необходимость в использовании таких параметров, для которых можно было бы четко отличать возрастные изменения от воздействия каких-либо стрессовых факторов.
Поэтому, для количественного сравнения качественно разных по форме термограмм флуоресценции листа в нашей работе [135] введен дополнительный (=70 параметр: SF=—ч fF(t)dt - «интеграл» - представляющий собой нормирован ную площадь под термоиндукционной кривой флуоресценции при возбуждении слабым фиолетовым светом (А,тах=390 нм) (рис. 2.7). Поскольку в ряде работ [10, 136, 137] была показана тесная зависимость характера ТИИ флуоресценции хлорофилла от типа структурной организации основных хлорофилл-белковых комплексов, липидного состава тилакоидных мембран, а хлорофилл является природным флуоресцирующим мембранным зондом [87], мы предполагаем, что интегральный параметр Sp может характеризовать состояние гетерогенного фонда хлорофилла и его липидного и белкового окружения в целом.
Воздействие температуры на ценоз пшеницы
Параметр Sp, предположительно характеризующий активность общего пула пигментов ФСА, у листьев 3-го яруса при использовании облученностей 50 и 250 Вт/м2 ФАР никак достоверно не изменился (табл. 4.3), а при 150 Вт/м2 ФАР после 2-х суток в нормальных условиях он упал на 29%. У 4-го яруса ера-зу после воздействия при 50 BT/MZ ФАР произошло небольшое (на 14%) обратимое (после репарации) уменьшение этого параметра; при облученности 150 Вт/м ФАР падение его значений наблюдалось после 2-х суток репарации и со-ставило 24%о, а при 250 Вт/м ФАР статистически достоверных изменений его значений не происходило.
Эффективность фотосинтеза, оцениваемая по параметру а кривой медленной индукции флуоресценции хлорофилла, не претерпела достоверных из-менений при облученности 50 Вт/м ФАР (табл. 4.3), при 150 BT/MZ ФАР она снизилась только после репарации на 30%) у листьев обоих ярусов, а при 250 Вт/м ФАР она у листьев 3-го яруса падала на 40 и 75% соответственно после воздействия и репарации и на 60%о в обоих измерениях - у листьев 4-го яруса.
Обсуждение
Сопоставляя изменения параметров ТИИ флуоресценции с показателями СОг -газообмена и содержанием фотосинтетических пигментов в листьях редиса, можно увидеть лишь некоторые соответствия в поведении этих характеристик при различных уровнях облученности ценозов редиса. Так, при использо-вании облученности 50 Вт/м ФАР наблюдавшееся падение видимого фотосинтеза до 0 отразилось, среди всех пигментов, только на содержании хл.Ь, а значения параметров ТИИ флуоресценции % и а снизились на 15% только у листь ев 4-го яруса. Остальные флуоресцентные характеристики, равно как и содержание других пигментов, при этой облученности не претерпели достоверных изменений. Параметры % и SF реагировали и при двух других уровнях облученности, однако их поведение не соответствовало динамике показателей газообмена и содержанию пигментов - наибольшее падение значений % и SF В репарационный период (на 40-45% и 25-30% соответственно) происходило при 150 Вт/м ФАР, когда не было зафиксировано существенных изменений в содержании фотосинтетических пигментов и наблюдали рост видимого фотосинтеза, а при облученности 250 Вт/м ФАР, когда концентрация основных пигментов падала в среднем на 40% и в репарационный период величина видимого фотосинтеза возвращалась к исходным значениям, значения параметров ТИИ флуоресценции % и SF уменьшалось всего на 12-16%) только после репарации и только у листьев 3-го яруса. В то же время, параметр МИФ хлорофилла а продемонстрировал значительное падение эффективности фотосинтеза при увеличении облученности во время температурного воздействия.
Подобные несоответствия в поведении физиологических показателей и параметров ТИИ флуоресценции хлорофилла листьев редиса можно объяснить, если вернуться к сделанным в главе 3 выводам о невыполнении для ценозов редиса и других культур, имеющих сходную структуру ценоза, условий, необходимых для корректного обобщения данных, полученных с помощью флуоресцентных методов на отдельных листьях, на состояние ФСА всего ценоза.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Экспозиция в течение 20 часов при температуре 35С и различных уровнях облученности ценозов редиса не оказала существенного деструктивного воздействия на фотосинтетический аппарат растений;
2. Как показало сопоставление изменений физиологических характеристик (фотосинтез и содержание пигментов) и значений параметров флуоресценции хлорофилла, метод ТИИ флуоресценции при таких стрессовых воздействиях не дает объективного представления о структурно-функциональном состоянии ФСА листьев ценозов редиса и, вероятно, других ценозов сходной структуры.
Как показали измерения ССЬ -газообмена ценозов пшеницы во время действия температуры 35С (табл. 4.4), как и для ценозов редиса, при данной температуре происходящие изменения видимого и фактического фотосинтеза не обнаруживают каких-либо явных закономерностей. Так для видимого фотосинтеза в конце 20-часового температурного воздействия наблюдали четкую зависимость от уровня облученности (с увеличением облученности растет величина Рвид), однако спустя около часа после окончания воздействия картина была уже совсем иная (табл. 4.4). Фактический же фотосинтез не обнаруживает зависимости от облученности ценоза во время действия температуры.
Воздействие температуры на ценоз пшеницы
Зависимость изменений параметра г\ от уровня облученности во время воздействия на ценоз пшеницы температурой 45С. После температурного воздействия наблюдали падение значений параметра %, характеризующего фотосинтетическую активность ФС II, для листьев и 3-го и 4-го ярусов растений пшеницы (табл. 4.12 и рис. 4.11). Для листьев 3-го яруса величина уменьшения этого параметра не зависела от выбранного режима облученности ценоза во время действия температуры и составляла около 20-25%). Для 4-го яруса листьев пшеницы уменьшение значений параметра % после действия температуры составляло 50% при использовании облученности 50 и 150 Вт/м ФАР. При облученности 250 Вт/м ФАР для 4 яруса листьев пшеницы снижение значений данного параметра составило 25% . После 2-х суток последующего пребывания в нормальных условиях (24С и 150 Вт/м2 ФАР) значения параметра % вернулись к исходным (до воздействия) величинам для листьев 3-го яруса при облученности (во время воздействия) 150 и 250 Вт/м ФАР и для листьев 4-го яруса при облученности 50 и 150 Вт/м ФАР. При облученности 50 Вт/м ФАР у листьев 3-го яруса значение параметра % после 2-х суток в нормальных условиях культивирования не изменилось по отношению к значению сразу после воздействия, то есть репарационный процесс отсутствовал. Для ли-стьев 4-го яруса при облученности (во время воздействия) 250 Вт/м ФАР значение параметра % после пребывания в нормальных условиях составило около 90% от контрольного значения до воздействия.
Рассмотрим поведение параметра х, представляющего качественный характер кривой ТИИ флуоресценции хлорофилла (табл. 4.12 и рис. 4.12). У листьев 3-го яруса сразу после воздействия значения этого параметра снизились на 4-7%о независимо от уровня облученности во время действия температуры, а после 2-х суток в нормальных условиях происходило дальнейшее падение его значений: при 50 Вт/м2 ФАР - на 35%, а при 150 и 250 Вт/м2 ФАР - на 21% от контроля. У листьев 4-го яруса при 50 Вт/м ФАР значение параметра т сразу после воздействия упало на 26% от нормы и после следующих 2-х суток в нор-мальных условиях составило 70%) от нормы. При 150 Вт/м ФАР значение этого параметра составило после воздействия и после 2-х суток в нормальных уело виях соответственно 91 и 94% от контроля, а при 250 Вт/м ФАР оно вообще не менялось на протяжении всего эксперимента.
Поведение параметра SF, предположительно характеризующего активность общего пула пигментов ФСА, после воздействия весьма сходно с поведением параметра % (табл. 4.12, рис. 4.13). Для листьев пшеницы 3-го яруса после температурного воздействия наблюдали падение значений параметра SF на 5 7% при облученностях 150 и 250 Вт/м ФАР и на 15% от контроля при облученности 50 Вт/м2 ФАР. На 4-м ярусе происходили более существенные изме-нения данного параметра: при облученностях 50 и 150 Вт/м ФАР наблюдали снижение на 22-25%, а при облученности 250 Вт/м2 ФАР - на 15%. После пребывания в нормальных условиях в течение 2-х суток сходство в поведении па-раметров Sp и х уже не было. Так, для листьев 3-го яруса при 50 и 150 Вт/м ФАР значения параметра SF отличались от контроля на 8%, а при 250 Вт/м ФАР - полностью совпадали с контрольными значениями. Для листьев 4-го яруса наблюдали восстановление значений этого параметра до исходных при 50 Вт/м2 ФАР, а при 150 и 250 Вт/м2 ФАР его значения достигали 93-96% от исходных.
Эффективность фотосинтеза (параметр МИФ а) (табл. 4.12. и рис. 4.14) для листьев 3-го яруса после температурного воздействия значительно упала: на 63, 68 и 57%) при 50, 150 и 250 Вт/м ФАР соответственно. Для листьев 4-го яруса падение было еще большим - соответственно на 73, 80 и 63%. После пребыванию в течение 2-з суток в нормальных условиях у листьев 3-го яруса после 50 Вт/м2 ФАР значение этого параметра увеличилось незначительно и стало равным 52% от контроля; после 150 Вт/м ФАР произошло очень сильное уве личение его значений - до 144%) от нормы; после 250 Вт/м ФАР значение этого параметра вернулось к исходному до воздействия. У листьев 4-го яруса при 50 и 150 Вт/м ФАР значения параметра а после 2-х суток в нормальных условиях составляли 57-59% от нормы, а при 250 Вт/м ФАР - 72% от нормы. Обсуждение
Наиболее существенное падение значений среди параметров ТИИ флуоресценции происходило у параметра х, что отражает повреждение ФСП. Это подтверждает литературные данные о наименьшей, в сравнении с другими пигмент-белковыми комплексами фотосинтетического аппарата, термостабильности ФСП [45, 50, 125]. ФСП является наиболее чувствительной к температурным воздействиям частью фотосинтетического аппарата растений.
Как показали измерения видимого фотосинтеза, повышение облученности снижает температурное повреждение фотосинтетического аппарата. Это четко видно по параметрам ТИИ флуоресценции % и SF для хорошо освещенных листьев 4 яруса, что также подтверждается данными по содержанию основных пигментов ФСА. Для 3 яруса уровень облученности заведомо ниже и данного эффекта ни для параметров % и SF, НИ для содержания пигментов не наблюдает-ся. Однако у 3-го яруса при наименьшей облученности 50 Вт/м ФАР можно видеть наибольшие несоответствия в поведении двух данных параметров ТИИ флуоресценции хлорофилла. Такая же закономерность существует и у листьев 4-го яруса. В обоих случаях различия поведения параметров % и Sp подтверждаются изменениями параметра т, который характеризует качественный вид кривой ТИИ флуоресценции. Такое поведение параметров является признаком качественных изменений в фотосинтетическом аппарате - изменяются соотношения различных ПБК и, возможно, их функциональные связи.
