Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика анатомической и ультраструктурной организации azolla - anabaena azollae как фото- трофной симбиотической системы 14
1.1. Общая характеристика рода Azolla 14
1.2. Характеристика цианобактерий (синезеленых водорослей) Anabaena azollae 23
1.3. Ультраструктурная организация симбиотической системы Azolla - Anabaena azollae 24
Глава 2. Оптимизация минерального питания и разработка питательных сред применительно к выращиванию азоллы в культуре 47
2.1. Оптимизация питательной среды для выращивания азоллы по плану полного факторного эксперимента (ПФЭ) 50
2.2. Оптимизация питательной среды по плану крутого восхождения 52
Глава 3. Исследование зависимости интенсивности фотосинте- за и фотосинтетической продуктивности симбиотической системы azolla - anabaena azollae от напряжённости физиологически значимых факторов внешней срещы 57
3.1. Зависимость фотосинтеза и продуктивности Azolla-Anabaena azollae от интенсивности света.. 58
3.2. Влияние температуры на интенсивность фотосинтеза и продуктивность Azolla - Anabaena azollae 69
3.3. Исследование сопряженного действия интенсивности света и температуры на фотосинтетическую активность симбиотической системы Azolla -Anabaena azollae , 75
3.4. Влияние температуры на фотосинтетический метаболизм углерода азоллы 81
3.5. Влияние рН питательной среды на фотосинтетическую активность и продуктивность азоллы 93
3.6. Влияние фосфора на фотосинтетическую активность азоллы 96
3.7. Исследование роста, фотосинтетической продуктивности и КЩ использования энергии ФАР при формировании урожая Azolla - Anabaena azollae в природных и полевых условиях 101
3.8. Сравнительное изучение интенсивности фотосинтеза и продуктивности различных штаммов азоллы 113
3.9. Изучение темнового дыхания и фотодыхания у Azolla - Anabaena azollae в связи с ее фотосинтетической продуктивностью... 124
Глава 4. Исследование активности фиксаций атмосферного азота и коррелятивных взаимоотношений мевду азотфиксацией и фотосинтезом у .фототрофных симбиотических систем azolla -anabaena azolla! 146
4.1. Влияние температуры на активность фиксации атмосферного азота азоллы 153
4.2. Влияние интенсивности света на активность фиксации атмосферного азота азоллы 158
4.3. Влияние рН питательной среды на активность азотфиксации азоллы 162
4.4. Сравнительная характеристика активнооти фотосинтеза и азотфиксации у различных штаммов азоллы. 162
4.5. Суточная динамика активности фиксации атмосферного азота 166
4.6. Исследование энергетических и метаболических связей между фиксацией атмосферного азота и фотосинтезом у азоллы 166
4.6.1. Зависимость фиксации атмосферного азота от освещения « 173
4.6.2. Роль восстановителей (доноров электронов) для фиксации атмосферного азота у азоллы 174
4.6.3. Роль углекислоты для фиксации атмосферного азота 176
Глава 5. Получение изолированных культур симбионтов azolla и anabaena azollae и исследование взаимоотношений меіду партнерами в фототрофных симбиотических системах azolla - anabae na azollae 179
5.1. Получение культуры папоротника Azolla свободной от цианобактерий и исследование ее физиологических характеристик 180
5.2. Изолирование из азоллы цианобактерий Anabae na azollae и изучение их физиологических характеристик 192
5.3. Исследование трофических и энергетических взаимосвязей между папоротником Azolla и цианобактериями Anabaena azollae 201
5.4. Синхронное развитие папоротника Azolla и цианобактерий Anabaena azollae 209
Глава 6. Формирование и фотосинтетическая продуктивность популяции azolla - anabaena azollae как специфической фитосинтезирующим системы с монослойным расположением листьев 217
6.1. Исследование динамики роста, накопления сухой биомассы в популяциях азоллы 222
6.2. Изучение динамики роста и площади листьев в популяциях азоллы в связи с ее продуктивностью 229
6.3. Характеристика чистой продуктивности фотосинтеза популяций азоллы 234
6.4. Принципы формирования высокопродуктивной популяции азоллы как фотосинтезирующей системы с монослоем листьев 245
6.5. Особенности высокопродуктивной популяции азоллы с монослоем листьев 249
Глава 7. Перспективы выращивания и использования азоллы в народном хозяйстве Вьетнама 252
7.1. Продуктивность фиксации атмосферного азота азоллой и использование азоллы в растениеводстве 254
7.2. Азолла как источник белка для животных 264
7.3. Пути повышения фиксации атмосферного азота азоллой. 273
7.4. Другие аспекты использования азоллы в народном хозяйстве 281.
Глава 8. Исследование азоллы как возможного компонента замкнутых экологических систем жизнеобеспечения 284
8.1. Изучение влияния факторов космического полета на жизнеспособность азоллы 287
8.2. Исследование последействия факторов космического полета на физиолого-биохимические характеристики азоллы 293
Заключение 299
Выводы 302
Список литературы 308
- Характеристика цианобактерий (синезеленых водорослей) Anabaena azollae
- Оптимизация питательной среды по плану крутого восхождения
- Влияние температуры на интенсивность фотосинтеза и продуктивность Azolla - Anabaena azollae
- Влияние интенсивности света на активность фиксации атмосферного азота азоллы
Введение к работе
Получение пищевого и кормового белка - одна из наиболее острых проблем, стоящих перед человечеством. В условиях непрерывно возрастающего населения земного шара и недостатка пищевого и кормового белка важнейшее значение приобретают исследования, направленные на поиски наиболее эффективных и экономичных методов фиксации атмосферного азота* В овязи с этим большое внимание широкого круга ученых в различных странах привлекают явления биологической фиксации атмосферного азота (Мишустив и Мельникова, 1968; Кретович, 1980; Hardy.Burns, 1968; Stewart et al.,I977).
Актуальность проблемы биологической фиксации азота подчеркивается также чрезвычайно высокой энергоемкостью производства азотных удобрений для сельскохозяйственных культур, в то время как в биологических системах фиксация молекулярного азота осуществляется при обычных давлениях и температуре благодаря процессам ферментативного катализа с участием нитрогеназы.
Важная роль в природе принадлежит сймбиотическин системам азотфиксации, которые усваивают обычно азот воздуха значительно эффективнее, чем свободно-живущие азотфикоирующие микроорганизмы. При этом наибольшее внимание уделяется Изучению симбиотической азотфиксации клубеньковыми бактериями рода Rhizobium , развивающимися на корнях бобовых растений, а также некоторыми актино-мицетами, прежде всего из рода irankia - которые образуют клубеньки на корнях ряда древесных растений.
Вместе с тем особый интерес представляют симбиотические системы, которые включают в себя фотоавтотрофные азотфикоирующие организмы. К числу таких природных симбиотических оиртем относится система Azolla - АпаЪаепа azollae , которая давно и традиционно используется в народном хозяйстве-Вьетнама и других рисо-
7 сеющих странах Юго-восточной Азии о целью удобрения рисовых полей и для корма животных.
Азолла представляет собой симбиоз между водным папоротником Azolla и азотфикоирующими цианобактериями (синезеленые водоросли) АпаЪаепа azollae , которые развиваются в полостях листовых пластинок папоротника. Изучение таких специфических фото-трофных симбиотических систем, какой является азолла, в последние годы все в большей степени привлекает внимание исследователей ( Peters et al., I974a.Asliton, Walmsley * 1976; Becking, 1976).
Изучение этих систем открывает возможность выяснения таких фундаментальных проблем современной физиологии и биохимии растений, как взаимодействие между фотосинтезом и азотфиксацией; между первичными процессами усвоения атмосферного азота и углекислоты; структурно-функциональные взаимоотношения между партнерами фототрофных симбиотических систем.
С другой стороны, остаются не изученными свойства популяций азоллы как фотосивтезирующих систем; коррелятивные взаимоотношения между ростом, фотосинтетической продуктивностью и активностью азотфиксации этих симбиотических систем в различных физиологических условиях; эффективность преобразования-ими световой энергии. Исследование этих вопросов стало доступным для экспериментального изучения благодаря теории фотооинтетической продуктивности, которая былв сформулирована Ничипоровичем (1956, 1972, 1977, 1982) и успешно используется для анализа продукционных процессов как у высших растений (Будаговский, Poo; 1966; Тооминг, 1977; Watson, 1958), так и одноклеточных водорослей (Семененко, Владимирова, Ничипорович, 1962; Семененко, 1975; Белянин, Терсков и др., 1967; Филипповский, Семененко и др., 1967). Изучение перечисленных вопросов с позиций теории фото-
8 синтетической продуктивности представляет существенный не только теоретический, но и практический интерес в связи с разработкой способов оптимизации фотосинтетической продуктивности и активности азотфиксации азоллы, как дополнительного источника белка и связанного азота.
В связи с 'изложенным целью данной работы было комплексное исследование физиолого-биохимичеоких свойств и взаимоотношений между фотосинтезом и азотфиксацией в фототрофных симбиотических системах Azolla - Anabaena azollae для обоснования способов интенсификации их фотооинтетической продуктивности и активности фиксации атмосферного азота.
Исходя из этой цели были поставлены следующие задачи:
Изучить анатомическую и ультраструктурную организацию и выяснить морфологические и ультраструктурные особенности взимо-отношений между симбионтами в системе.
Изучить корреляцию между фотосинтетической продуктивностью и активностью фиксации атмосферного азота в зависимости от внешних факторов (интенсивности света, температуры, минерального питания, рН среды), уровня процессов темнового и светового дыхания, а также у различных генотипов (штаммов) азоллы,
Получить изолированные культуры компонентов симбиотичес-кой системы Azolla - Anabaena azollae и исследовать их физиолог о-биохимические свойства. Изучить взаимосвязь между фотосинтезом и азотфиксацией у азоллы: метаболические и энергетические взаимоотношения между клетками папоротника Azolla и цианобакте-рией.
Изучить особенности роста азоллы в культуре и формирование популяций азоллы как фотооинтезирующих систем. Исследовать принципы формирования высокопродуктивной фотосинтезирующей системы у популяции азоллы, отличающейся монослойным расположением
9 листьев.
Осуществить оптимизацию минерального питания и разработать питательные среды для выращивания азоллы применительно к условиям интенсивного ее культивирования.
Провести количественную оценку суммарной продуктивности азотфиксации азоллой и перспектив выращивания и использования ее в народном хозяйстве Вьетнама.
Изучить влияние факторов космического полета на жизнеспособность азоллы как возможного компонента замкнутых биологических систем жизнеобеспечения.
В результате:
Впервые проведено комплексное физиолого-биохимическое исследование коррелятивных взаимоотношений между фотосинтетической продуктивностью и активностью азотфиксации у фототрофной си«биотической системы Azolla - Anabaena azollae на разных уровнях ее организации в связи с проблемой оптимизации фотосинтетической продуктивности и активности фиксации атмосферного азота.
Изучены ультраструктурная организация клеток листа папоротника Azolla и цианобактерии Anabaena azollae в симбиотической системе Azolla - Anabaena azollae и показано, что волосковые клетки)типичныедля тканей папоротника, образующих полость в ли-стовой пластинке, имеют многочисленные ярко выраженные инвагинации плазмалеммы, что может указывать на транспортную функцию нлеток. Показано также, что находящиеся в полости листа папорот-ника клетки Anabaena azollae сохраняют организацию, типичную для овободноживущих форм Anabaena f имеющих гетероцисты, вегетативные клетки, акинеты.
Изучены эколого-физиологические свойства симбиотической системы Azolla - Anabaena azollae и показано, что азолла перистая относится к числу теневыносливых, мезофильных растений.
Впервые исследованы коррелятивные взаимоотношения между фотосинтезом, ростом и азотфиксвцией у азоллы в широком диапазоне интен-сивноотей света, температуры и других факторов и показано, что оптимумы для этих процессов совпадают. В то же время установлено, что при высоких экстремальных температурах наблюдаются явле-, ния дисбаланса между функциями нитрогеназы; интенсивность восстановления ацетилена снижается, а скорость выделения водорода увеличивается, что отражает увеличение расхода электронов (протонов) на восстановление азота в этих условиях.
Показано, что симбиотические взаимоотношения между фотосинтезом и фиксацией атмосферного азота у ассоциата Azoiia - Ana-
Ъаепа azollae основываются на метаболических взаимосвязях между папоротником Azolla и цианобактериями Anabaena azollae J папоротник снабжает энергией и восстановителями, прежде всего в форме пирувата, клетки цианобактерий для поддержания активности нитрогеназы. С другой стороны, установлено, что рост папоротника без цианобактерий идет значительно слабее по сравнению с ассоциа-том. Существенно ниже у азоллы без цианобактерий, чем у ассоциата, интенсивность фотосинтеза, темнового дыхания и содержание белкового и небелкового азота. Это обусловлено тем, что, как показано в работе, цианобактерий Anabaena azollae обеспечивают папоротник Azolla фиксированным из атмосферы азотом. При этом показано также, что находящиеся в полости листа папоротника цианобактерий Anabaena azollae фотосинтезируют, хотя и с небольшой активностью, по этот вклад фотосинтеза водорослей оказывает влияние на характеристики фотосинтеза ассоциата в целом, о чем свидетельствует смещение температурного оптимума у ассоциата при изменении интенсивности света, в отличие, от фотосинтеза папоротника без цианобактерий, у которого температурные оптимумы
при резных интенсивности! света совпадают.
Показано, что существует синхронное развитие папоротника и цианобактерий, однако при неблагоприятных воздействиях циано* бактерии подвергаются повреждению раньше, чем папоротник.
Впервые изучено сопряженное действие интенсивности света и температуры на углекислотный компенсационный пункт (УКП) у азоллы и показано, что эти факторы оказывают неодинаковое влияние на интенсивность фотосинтеза и фотодыхание симбиотической систе-
»
мы Azolla - Anabaena azollae . Установлено, что при ингибиро-вании активности гликолатоксидазы интенсивность фотосинтеза и рост увеличиваются, но содержание белка уменьшается, что может свидетельствовать о важной роли гликолатного пути фотодыхания в синтезе белка фототрофной симбиотической системы.
Изучены формирование и овойотва популяции азоллы, как фото-синтезирующей системы с монослоем листьев, и показано, что существует прямая корреляция между чистой продуктивностью фотосинтеза и ростом, и прирост биомассы достигает максимума при значении листового индекса равном I.
Применены методы математического планирования эксперимента для оптимизации минерального питания азоллы и разработана оригинальная питательная среда для ее выращивания. Показано, что у азоллы фосфор увеличивает активность фиксации атмосферного азота в большей степени, чем рост, и повышает устойчивость активности фотосинтетического аппарата к неблагоприятным условиям температуры.
Проведено сравнительно-физиологическое изучение роста и фотосинтетической продуктивности различных штаммов азоллы и дана всесторонняя оценка биологической ценности азоллы, как источника связанного азота и дополнительного источника белка.
Проведено в рамках программы "Интеркосмос" исследование влияния факторов космического полета на жизнедеятельность симбиотической системы Azolla - Anabaena azollae и показано, что условия невесомости не оказывают влияния на рост, фотосинтез, азотфиксацию, состав биомассы и количество цианобактерий у после-дующих поколений растений азоллы, экспонированных в невесомости в течение 6-ти суток.
Практическая значимость работы состоит в том, что установлены оптимумы по интенсивности света, температуре, рН, а также сопряженного действия освещенности и температуры на рост, фотосинтез и фиксацию атмосферного азоте различных штаммов азоллы перистой и найдены физиологически обоснованные режимы и технология культивирования азоллы с высокими выходами биомассы (до 28 тонн сухой массы с гектара в год) и фиксации атмосферного азота (до 1000 кг с гектара в год).
Проанализировано влияние условий внешней среды на продуктивность и КПД использования ФАР при формировании урожая азоллы в различные месяцы года применительно к районам северного Вьетнама. Определены значения энергии ФАР и средней температуры, обеспечивающие КПД преобразования световой энергии симбиотическими системами Azolla - Anabaena azollae от 4,5 до 6%.
Изучены принципы формирования высокопродуктивной популяции азоллы и показано, что максимальная продуктивность ее обеспечивается при условии поддержания листового индекса на уровне, равном I.
Выведен высокопродуктивный штамм Кантхо азоллы перистой, который отличается устойчивостью к действию повышенной температуры (85С). Показана возможность использования показателя численности клеток цианобактерий Anabaena azollae в единице
биомассы азоллы в качестве критерия для селекции высокопродуктивных штаммов азоллы.
Показано положительное действие фосфорных удобрений на повышение продуктивности, азотфиксацию и устойчивость к неблагоприятным условиям температуры у азоллы.
Выявлена потенциальная продуктивность в отношении азотфикса-ции и вакопления белка у азоллы в сравнении с другими культурными растениями.
Показана перспективность использования азоллы как возможного компонента замкнутых систем жизнеобеспечения.
Характеристика цианобактерий (синезеленых водорослей) Anabaena azollae
В литературе имеются сведения о некоторых сторонах структуры клеток папоротника Azolla и цианобактерий АпаЪаепа azolla ( Lang, 1965; Konar, Kapoor, 1972; Duckett et al., 1975; Becking, 1976; Peters et al., 1978; Neumuller et al., 1981). Однако они получены на разных видах азоллы и далеко не полные. Нам представляется важным получить всестороннюю информацию об ультраструктуре компонентов ассоциата на одном и том же объекте, выращенном в одних и тех же условиях. Это позволит всесторонне изучить симбиотические взаимоотношения и их влияние на структуру клеток как папоротника, так и цианобактерий. С другой стороны, будет весьма интересно изучить влияние симбиотической жизни на структуру клеток цианобактерий в сравнении со свободно живущими цианобактериями. Для исследования свежие листья азоллы перистой, выращенной на оригинальной среде (Нгуен Хыу Тхыок, Хоанг тхи Хоа, 1981) фиксировали 2% глютаровым альдегидом в 0,2 М какодилатном буфере с рН 7,4. Время фиксации-I час при комнатной температуре. После этого промывали фосфатным буфером и затем проводили фиксацию водным раствором 2% Os 04 в течение 2-х часов. При фиксации глютаровым альдегидом закрепляются элементы цитоплазмы и другие белковые элементы, а осмий стабилизирует нейтральные липиды и большую часть фосфолипидов (Громов, 1976). Затем материал обезвоживали возрастающими концентрациями спирта и окисью пропилена и помещали в эпон 812. С помощью ультратома LKB-3 получали полутонкие срезы (I мкм). Срезы окрашивали синим толуидином 2 мин. при 60С и просматривали в световом микроскопе (марка Amplival ).
Кроме того делали срезы толщиной 700 А и эти ультратонкие срезы окрашивали уранилацетатом (I час) и ацетатом свинца (5 минут) и просматривали в электронном микроскопе Jem -Т8 с ускоряющим напряжением 60 kv . Использованные методы описаны в соответствующих руководствах и в литературе (Бирюзова и др., 1963; Громов, 1976). а) Организация полости листа папоротника. Продольный срез через верхнюю часть взрослого листа представлен на рис.9. Как видно из рисунка 9, в основании на вентральной стороне листа находится полость. Паренхима листа вокруг полости состоит из крупных клеток, которые отделяются друг от друга большими межклетниками. Полость имеет овальную форму размером 500-1000 мкм. Нити A. azollae и волоски, происходящие из папоротника, распределены равномерно в полости. Кроме анабены в ней не выявляются другие водоросли и бактерии. Поперечные и серийные срезы через вершину побега папоротника позволяют -наблюдать динамику образования полости и развитие цианобактерий в ней (рисЛО). Можно видеть различные стадии развития полости: открытия (рисЛОД и рис.II), начала закрытия (рисЛ0,2 и рисЛ2) и полного закрытия (риоЛО.З). На стадии открытой полости клетки цианобактерий располагаются вдоль стенки полости (рис.10,1). По мере развития листа полость закрывается и клетки цианобактерий остаются заключенными в ней. В начальный период закрытия полости клетки цианобактерий еще располагаются вдоль стенки полости (рис.И), но в дальнейшем во взрослых листьях клетки анабены распределяются по всей полости (рис.9).
Оптимизация питательной среды по плану крутого восхождения
Фотосинтетическая продуктивность как результат работы фото-синтетического аппарата характеризуется урожаем. Все приемы направлены на то, чтобы наилучшим образом организовать и поддерживать фотосинтетическую деятельность растений, получать наибольшее количество продуктов фотосинтеза и наилучшим образом использовать их на процессы формирования урожаев (Ничипорович, 1977),
В подобной ситуации наилучшие результаты можно получать в тех случаях, когда внешние факторы (свет, температура, рН, минеральное питание) находятся в соответствии с требованиями растений, так же как внутренние процессы, в частности, темновое и световое дыхание обеспечивают растение более широким диапазоном состава образуемых продуктов.
Во Вьетнаме и в некоторых .странах Азии азолла используется традиционно с давних пор в качестве удобрения для рисовых полей. В других странах эзолла встречается в природных условиях, но пока не применяется в практике. Возможно, что природяые условия этих местообитаний неблагоприятны для роста азоллы. Следует упомянуть, что и; во Вьетнаме азолла растет хорошо только в зимние и осенние месяцы в северных провинциях страны. В связи со сказанным для оценки биологического потенциала азоллы необходимы исследования по фотосинтетической продуктивности, а также исследования физиологических функций, таких как активность фотосинтетического аппарата, дыхание в зависимости от внешних условий.
В литературе имеются немногочисленные данные о требованиях азоллы к освещенности и об интенсивности ее фотосинтеза.
Показано, что максимальная скорость роста азоллы папоротниковидной наблюдается при 500-2000 лк ( Ahmad, 1941), 40000-57500 лк, что составляет 50# от полной солнечной освещенности ( Ashton, 1974). Для азоллы мексиканской интенсивность света наиболее благоприятная для ее роста равна 12000 лк при 14 часовом две и температуре 23С днем и 18С ночью ( Hoist, $орр, 1979 а). Однако при выращивании видов азоллы каролинской, папоротниковидной, мексиканской и перистой в различных условиях освещенности: 100, 200,; 400, 600 мк мол. м2. сек"1 (соответственно примерно 8000, 16000, 32000, 48000 лк) с фотопериодом 16 часов - день и 8 часов - темнота, они обладали наибольшей скоростью роста при интенсивности свете, равной 400 мк мол.м .сек"1 ( Peters et al., 1980 в). На солнечном свету высокой интенсивности растения азоллы папоротниковидной становятся красными,тогда как при затенении -зелеными (мооге, 1969). Такие наблюдения для азоллы перистой, мексиканской и каролинской сообщались также Ватанабе (Watanabe, 1979). Этот автор считает, что летом затенение азоллы влияет благоприятно на ее рост. Некоторые другие авторы отмечают, что растения азоллы перистой и мексиканской становятся красными и быстро стареют в условиях открытого местообитания ( Ahmad, 1941; Hoist, tfopp, 1979). При освещенности выше 20 клк красно-желтый цвет у азоллы развивался быстро и после 7 дней ее рост останавливался и растения начинали стареть ( Hoist, #орр, 1979). Исследуя развитие эзоллы перистой в природных условиях, Нгуен Конг Хуан (1951) отметил, что она существует до середины лета и затем погибает. Дальнейшее развитие ее происходит за счет побегов, выживающих после лета в прохладных и затененных местах.
Что касается фотосинтеза, то некоторые исследователи отмечали, что насыщающая интенсивность света для этого процесса невысока: 8000 лк для азоллы Каролинской ( Peters, 1975, 1976; Peters et al., 1976).
Обобщая литературные данные, мы видим, что различные авторы получили неодинаковые результаты об интенсивности света, благоприятной для роста азоллы. Можно объяснить это тем, что условия опытов различных авторов (фотопериод, температура и т.д.) были различными. Хотя некоторые опыты были поставлены в хорошо контролируемых условиях, но различия в освещенности между вариантами были слишком большими, и поэтому полученные данные не отражали точно потребности азоллы в интенсивности света, необходимой для получения высакой ее продуктивности. С другой стороны, литературные сведения об интенсивности фотосинтеза азоллы были немногочисленными и кроме того, не были связаны с изучением ее роста.
Все имеющиеся данные показывают, что воздействие светом различной интенсивности определенным образом влияет на работу фотосинтетического аппарата. При увеличении интенсивности света в зоне слабых освещенностей интенсивность фотосинтеза увеличивается пропорционально интенсивности света; этот участок световой кривой фотосинтеза - прямолинеен. По мере дальнейшего увеличения интенсивности света и насыщения пропускной способности аппарата тем-JOBHX реакций крутизна подъема световой кривой уменьшается, а на-шная с тех интенсивностей, когда "пропускная способность" темно-шх реакций будет насыщена, увеличение интенсивности света уже не 5удет вызывать увеличения интенсивности фотосинтеза, и световая кривея фотосинтеза выходит на плато светового насыщения (Ничи-порович, 1963). Функциональное состояние фотосинтетического аппарата для оценки его адаптации к длительному воздействию световых условий может быть охарактеризовано световыми кривыми фотосинтеза (Целъникер, 1968, 1978).
Анализируя различия световых кривых фотосинтеза у световых и темновых растений, Тооминг (1966) установил, что у адаптированных растений изгиб световой кривой фотосинтеза должен соответствовать преобладающим в данном месте обитания інтенсивностям свете.
Основываясь.на этих литературных данных, мы исследовали фотосинтетическую продуктивность и световые кривые фотосинтеза азоллы при воздействии светом различной интенсивности для определения ее потребности в освещенности.
Влияние температуры на интенсивность фотосинтеза и продуктивность Azolla - Anabaena azollae
Температура-важный фактор фотосинтеза и роста растений. Все процессы жизнедеятельности растений могут протекать только в определенном интервале температур. Границы этого интервала для различных видов растений могут существенно отличаться. Типичная одновершинная температурная кривая является распространенной для всех растений. В литературе имеются, хотя и не многочисленные, данные о-влиянии температуры на продуктивность и интенсивность фотосинтеза у азоллы.
Раньше Нгуен Конг Тьеу отметил, что летом во Вьетнаме азолла не может развиваться ( Hguyen cong Tieu, 1930; Nguyen cong Tleu, Nguyen cong Huaa, 1934). Хотя о,на представляет собой субтропическое и тропическое растение, но высокая температура оказывает отрицательное влияние на рост азоллы перистой. Азолла устойчива к низкой температуре ( Benedict, 1923), однако, она погибает при 0С ( Tsujimura et al., 1957). Благоприятная температура для роста азоллы перистой находится в интервале 20-30С ( Iran guang Thuyet, Dao the Tuan, 1973). По другим данным, азолла может расти в температурном пределе 5-45С и ее оптимальная температура 27,5С ( Ashtcn,;.Walmsley, 1976). Сравнение роста азоллы папоротниковидной при 5, 21, 30, 35, 40С показало, что она растет наиболее быстро при 2IC ( Hoist, #"орр, 1979 а). Азолла перистая погибает при температуре 5С или 40С ( Watanabe, , 1979). При фотопериоде с 16 часовым днем и интенсивности света 200 мк.мол м . сек""х ( 16000 лк) азолла имеет оптимальный рост и максимум активности нитрогеназы при 250 или 30С в зависимости от вида. При этих температурах увеличение фотопериода с 12, 16 до 24 часов повышает соответственно продуктивность ( Peters et al., 1980 в).
Относительно активности фотосинтетического аппарата азоллы в зависимости от температуры почти не существуют литературные данные. С целью получения высокой фотосинтетической продуктивности, а также выяснения возможности культивирования азоллы в других местах важно было исследовать влияние температуры на ее продуктивность и интенсивность фотосинтеза. Для изучения зависимости вышеназванных показателей от температуры среды использовали штаммы "тиа" и "сань" вида азоллы перистой, которые выращивали в камерах с различными температурами.
Условия опытов были аналогичны таковым в исследованиях по влиянию интенсивности света (см.3.1). Продуктивность азоллы в зависимости от температуры выращивания представлена на табл.13 и рис.23. 15С до 20С повышает продуктивность изученных штаммов (опыт I). Температуры выше 20С снижают их рост (опыт П и 1ІІ). Морфологические исследования показали (рис.23), что азолла, растущая при оптимальной температуре (20С), имеет самый большой размер. При отклонении от этой температуры ее размер уменьшается. С другой стороны, можно отметить, что количество растений при этих температурах меньше по сравнению с температурой 20С Следовательно, неблагоприятные температуры снижают вегетативное размножение азоллы. Содержание азота в азолле меняется незначительно при изменении температуры, исключая увеличение температуры до 35С (опыт Ш табл.13). Это связано с низкой термоустойчивостью азоллы, которая будет обсуждена ниже. Из рис.24 видно, что при повышении температуры интенсивность фотосинтеза увеличивается, но после оптимума (20-25С) она падает, в частности, в области от 30С до 40С. Это совпадает с данными о снижении продуктивности азоллы при высокой температуре (опыт Ш, табл.13).
На основании вышеприведенных результатов можно сделать заключение, что азолла представляет собой мезофильное растение. Оптимальная температура для нее находится в пределах 20-25С. При этих температурах азолла наиболее интенсивно фотосинтезирует и цает наибольший урожай.
Влияние интенсивности света на активность фиксации атмосферного азота азоллы
Данные распределения І4С в органических соединениях азоллы, выращенной при температуре 25С в течение 2 дней и экспонированной при 25С и ЮС (табл.15) и при 25С и 35С (табл.16), показывают, что в ходе ассимиляции 00? в течение I часа при нормальных условиях (25С) 36,4-44,2% 14С, поглощенного при фотосинтезе, входят в высокомолекулярные соединения: крахмал, целлюлоза, липиды+пигменты, белки. Количество 14С, накопленного в белках, больше, чем в крахмале, в липидах и в целлюлозе.
Видовые различия в распределении углерода в продуктах фотосинтеза могут быть очень существенными. Так, например, у Lindelo-fia stylosa до 90% ассимилированного за 10 мин. углерода обнаруживается в веществах спиртовой фракции. В то же время у Eurotia csratoides вещества спиртовой фракции содержат только 30-45% от всего усвоенного углерода (Заленский, 1955; Филиппова, 1959). Обширные исследования по изучению распределения углерода, поглощенного во время фотосинтеза, показали, что количественные соотношения образующихся продуктов значительно меняются (Рачинский, 1964; Денчево, 1964; Карпилов и др., 1968). Таким образом, количественные различия состава продуктов фотосинтеза определяются генотипом растений. По данным Андреевой (1969), доля С (в % от суммарной радиоактивности листа) в белках у фасоли -1,87%, подсолнечника - 3,04% и у кукурузы - 1,71%. Доля С в белках азоллы в нормальных условиях по нашим данным составляет 16-17% от суммарной радиоактивности. Это, по-видимому, связано с процессом фиксации атмосферного азота, который происходит одновременно с фотосинтезом в листьях азоллы.
Низкая температура (ЮС) снижает количество С, включенного в высокомолекулярных соединениях (крахмал + целлюлоза + липиды + пигменты + белки) до 19% от суммы органических соединений, тогда как при нормальной температуре (25С) величина этого показателя - 36,6% (табл.І5). В то же время количество С включающегося в низкомолекулярное соединение (вещества растворимые в спирте и в кислоте), увеличивается с 63,8% (при 25С) до 81% (при ЮС) (табл.15).
Высокая температура (35С) также снижает количество С в высокомолекулярных соединениях до 31% (при 25С-44,2%) и увеличивает соответственно величину этого показателя в низкомолеку-лярных соединениях до 68,8% (при 25С - 55,8%) (табл.16).
Таким образом, неблагоприятные температурные условия сказываются не только на интенсивности фотосинтеза, но и на распределении 14гС среди различных органических соединений азоллы.
При сильном уменьшении освещенности также наблюдается не только торможение интенсивности фотосинтеза, но и снижение СОТА держания Х С в сахарозе, крахмале, белках и его повышение - в малате, аспартате, аланине, свободных гексозах (Ничипорович и др., І96І6; Тарчевокий и др., 1972). Аналогичные изменения наблюдаются в фотосинтетическом метаболизме углерода при действии почвенной и атмосферной засухи, обезвоживании, повышенных температур (Тарчевский, 1964).
Были сделаны попытки объяснить выявленные закономерности. Йорданов и др. (1976) пришли к выводу, что нарушения фотосин-тетического углеродного метаболизма являются следствием температурного стресса. Тарчевский (1964, 1982) считает, что дефицит АТФ в хлоропластах является основной причиной, ограничивающей в этих условиях интенсивность фотосинтеза и определяющей направленность распределения 14с среди различных соединений.
Нарушение интенсивности и характера усвоения СОо происходят в результате изменения активности ферментов цикла Кальвина. В пользу последнего представления свидетельствовали факты различной чувствительности к повышенной температуре рибулозо - 1,5-бис-фосфаткарбоксилазы, фосфоецолпируваткарбоксилазы и других ферментов углеродного метаболизма у отличающихся по теплоустойчивости растений ( в огішав et al., 1976, 1977) или положительная корреляция между активностью рибулозо - 1,5-бисфосфаткарбоксилазы и интенсивностью фотосинтеза (Авдеева и Андреева, 1974).
В связи с изложенным нами были поставлены опыты с целью выявить закономерности влияния температуры на включение "С в белки азоллы (табл.17). Из таблицы видно, что температура выращивания (2 суток) вли-нет на включение А С в белки. Однако величина этого показателя при сравнении с контролем (25С) снижается незначительно. В то же время температура экспонирования существенно влияет на синтез 5елков. При 10С величины включения С в белки составляют только 8,1 , 9,0/, 9, 6% от контроля (25С) и при 35С они составляет - 34,2, 38,7, 44,3%.
При сравнении данных, приведенных в таблицах 17 и 14, можно )тметить, что у азоллы существует связь между интенсивностью фо- осинтеза (скоростью включения С в органические соединения) и ікоростью синтеза белков (скорость включения С в белки). Это южно объяснить, по-видимому, взаимосвязью фотосинтеза с фикса-;ией атмосферного азота в листьях азоллы (см.гл. $).
На основании вышеприведенных результатов мы приходим к вы оду о том, что в условиях,неблагоприятных для фотосинтеза темпе 14,-, атур происходит снижение включения х С в высокомолекулярные ор анические вещества: белки, липиды, пигменты, крахмал и целлюло у, и одновременно наблюдается увеличение включения С в низкомо екулярные соединения.
