Введение к работе
Актуальность проблемы. Фотосинтезу принадлежит центральная роль в общей энергетике растительных и животных организмов, поскольку именно он служит первичным источником энергии для живых организмов. Известно (Чиков, 1987), что фотосинтетический метаболизм углерода (ФСМУ) быстро реагирует на изменения внешних условий. Несмотря на обилие публикаций, посвященных регуляции фотосинтеза (Мокроносов, 1981; Тихонов, 1999; Рубин, Кренделева, 2003; Zhu et al., 2008; Zhang et al., 2009; Stitt, 2010), вопрос взаимосвязи ФСМУ и транспорта продуктов фотосинтеза остается до конца не ясным. Не понятно, насколько тесно связано изменение ФСМУ на начальных этапах усвоения СО2 с экспортной функцией листа.
Фотосинтез играет ключевую роль в ассимиляции нитрата (Kim et al., 2002; Nunes-Nesi et al., 2010), в свою очередь, уровень азотного питания является одним из важнейших факторов, влияющих на физиологические процессы и продуктивность растения (Измайлов, 1986; Кретович, 1987; Paul, Foyer, 2001; Malamy, Ryan, 2001; Martin et al., 2002; Paul, Pellny, 2003; Stitt, 2007). Выявлено, что повышение уровня азотного питания приводит к задержке фотоассимилятов в листьях и разрастанию последних в ущерб хозяйственно важным органам (Тарчевский, Биктемиров, Иванова, 1973; Чиков, 1998). Показано, что такой эффект наблюдается только при действии нитратного азота (Chikov, Batasheva, 1999), но механизм такого действия не расшифрован. Исследования, объясняющие механизмы регулирования использования азота в сельскохозяйственных культурах, для повышения эффективности использования минеральных удобрений необходимы (Hirel et al., 2007; Kant et al., 2011), поскольку позволят снизить использование азотных удобрений и вред, наносимый нитратами окружающей среде.
Изучение особенностей фотосинтеза и транспорта ассимилятов в модельных условиях путем принудительного введения в побег растения раствора нитрата показало (Баташева и др. 2007), что изменение ФСМУ и транспорта ассимилятов под действием этого фактора было связано с постфотосинтетическими процессами. Была обнаружена специфическая динамика поступления 14С в сахарозу при введении в апопласт побега раствора нитрата. Однако отсутствуют данные, что такая динамика сахарозы имеет место в растениях in vivo. Не выяснен механизм, посредством которого реализуется действие нитратного иона, хотя и высказываются предположения об участии в данном процессе NO-сигнальной системы (Баташева и др., 2010; Хамидуллина и др., 2011). В свою очередь, установление некоторых эндогенных механизмов регуляции C/N баланса имеет ключевое значение для управления продукционными процессами.
Не менее важным является исследование начальных этапов переключения функций листа с донора на акцептор, происходящее при действии внешних факторов (нитратное питание, освещенность, уровень СО2) и выявление роли транспорта ассимилятов в этом процессе. В литературе имеются в основном данные о более поздних этапах изменения метаболизма, после изменение условий (Stitt et al., 2007, 2010), но неизвестно как быстро они реализуются.
Цель исследования: Целью настоящей работы является выяснение механизмов регуляции фотосинтеза при изменении интенсивности образования и экспорта ассимилятов из листьев.
Задачи исследования: 1. Выяснить особенности ФСМУ и динамики включения 14С в транспортный продукт фотосинтеза – сахарозу после корневых подкормок растений нитратным азотом. 2. Сравнить на растениях в модельных условиях и in vivo действие нитратного иона и генератора NO (нитропруссида натрия) на фотосинтез и транспорт ассимилятов. 3. Определить изменения ультраструктуры листа после введения в апопласт растения генератора NO (нитропруссида натрия). 4. Оценить состав и соотношение образующихся продуктов фотосинтеза, а также их последующий экспорт к потребляющим органам при внезапном изменении массы образующихся продуктов фотосинтеза (снижение освещенности и повышения концентрации СО2).
Положения, выносимые на защиту: 1)Динамика поступления 14С в сахарозу будет сходной для разных видов растений in vivо и in vitro, при влиянии нитратов. 2) Действие нитратов на фотосинтез, транспорт ассимилятов и ультраструктуру листовой пластинки, вероятно, связано с образованием окиси азота. 3) Фотосинтетический метаболизм углерода в стационарном состоянии обеспечен соответствующим количеством ферментов, субстратов и кофакторов, которые продолжают поддерживать его функционирование и при внезапном нарушении процесса. Если количество субстрата уменьшается, то его метаболизация ускоряется, а избыточный субстрат метаболизирует через альтернативные пути.
Научная новизна работы. Показана общность кинетики поступления меченого углерода в сахарозу после ассимиляции 14СО2 in vivo и в модельных условиях. Впервые было установлено, что даже непродолжительное изменение массы образующихся продуктов фотосинтеза немедленно отражается на их дальнейшем экспорте из листа и распределении по растению. Уменьшение массы ассимилятов интенсифицирует их экспорт к потребляющим органам. Наоборот, увеличение количества первичных продуктов фотосинтеза приводит к задержке их в листе.
Впервые показано, что генератор NO – нитропруссид натрия, в концентрациях на 2-3 порядка меньших, чем нитрат, оказывает сходное с ним действие на фотосинтез, транспорт ассимилятов по растению и ультраструктуру клеток терминальной флоэмы листа льна-долгунца. Предложена схема участия NO-сигнальной системы в регуляции фотосинтеза и донорно-акцепторных взаимоотношений в растении.
Научно-практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований вносят вклад в понимание механизмов регуляции фотосинтеза и действия нитратного иона на отток ассимилятов из листовой пластинки. Предложенная идея участия NO-сигнальной системы в регуляции фотосинтеза и особой роли корневой системы в этих процессах позволяет наметить новые пути управления продукционным процессом растений, что может послужить основой для повышения эффективности использования азотных удобрений. Материалы диссертации могут быть использованы при чтении лекций по физиологии растений и для расширения теоретической базы применения минеральных удобрений (в частности, азотных) в сельском хозяйстве.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Повышение эффективности растениеводства и животноводства – путь к рентабельному производству» (Казань, 2008), Всероссийском конгрессе студентов и аспирантов-биологов «Симбиоз России-2008» с международным участием (Казань, 2008); XVI Congress of the Federation of European Societies of Plant Biology (Tampere, Finland, 2008); Международной конференции «Физико-химические основы структурно-функциональной организации растений» (Екатеринбург, 2008); Международной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях крайнего Севера» (Апатиты, 2009); IX Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов научно-образовательного центра Казанского государственного университета «Материалы и технологии XXI века» (Казань, 2009); итоговой конференции Казанского института биохимии и биофизики КазНЦ РАН (2010); 10th Nordic Photosynthesis Сongress (Tartu, Estonia, 2010), а также IV Региональной школе-конференции молодых ученых "Водная среда и природно-территориальные комплексы: исследование, использование, охрана" (ПетрГУ, Петрозаводск, 2011); на итоговой конференции ГБУ Института проблем экологии и недропользования АН РТ (Казань,2012).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, изложения и обсуждения результатов, заключения, выводов и списка литературы. Работа содержит 14 таблиц и 18 рисунков. Список литературы включает 263 источника.
