Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 5
1.1. Пигментная система высших растений 5
1.2. Характеристика ассимиляционного аппарата вечнозеленых растений 8
Заключение к главе 1 39
ГЛАВА 2. Условия, объекты и методы исследований 40
2.1. Климатические условия района исследования 40
2.2. Объекты исследований 43
2.3. Методы исследования 49
ГЛАВА 3. Результаты исследований 57
3.1. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле 57
3.2. Содержание индивидуальных каротиноидов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле 62
3.3. Сезонные изменения параметров индуцированной флуоресценции хлорофилла в листьях вечнозеленых растений 70
3.4. Сезонные изменения интенсивности СОг - газообмена листьев вечнозеленых растений 80
ГЛАВА 4. Сезонные изменения состояния фотосинтетического аппарата вечнозеленых растений (обсуждение результатов) 86
Заключение к главе 4 104
Выводы 106
Список литературы 108
- Характеристика ассимиляционного аппарата вечнозеленых растений
- Содержание фотосинтетических пигментов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле
- Содержание индивидуальных каротиноидов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле
- Сезонные изменения интенсивности СОг - газообмена листьев вечнозеленых растений
Введение к работе
Исследованию структурно-функциональных особенностей фотосинтетического аппарата (ФСА) вечнозеленых растений и влиянию на него неблагоприятных условий среды посвящено немало работ (Ottander, 1995; Gamper е.а., 2000; Ensminger е.а., 2004; Маслова и др., 2009 и др.). Выявлены сезонные изменения содержания фотосинтетических пигментов и ассимиляционной способности (Лукьянова и др., 1986; Logan е.а., 1998). Рассмотрены механизмы защиты ФСА от неблагоприятных свето-температурных воздействий и роль каротиноидов виолаксантинового цикла (ВКЦ) в этом процессе (Adams, Demmig-Adams, 1994; Verhoeven е.а., 2005). Вместе с тем, следует отметить, что исследованиями было охвачено сравнительно небольшое число видов вечнозеленых растений, преимущественно из регионов с более мягким климатом, а полученные результаты не всегда однозначны и сопоставимы. Остаются не полными представления об использовании световой энергии и изменении активности ВКЦ у вечнозеленых растений бореальной зоны в годичном цикле. Не ясно, какая доля избыточной энергии, способной вызывать фотодинамическое повреждение ФСА, может достигать реакционных центров в зимний и летний периоды. Открытым остается также вопрос о соотношении различных механизмов не фотохимического тушения флуоресценции хлорофилла в течение года.
Цель и задачи исследования
Целью работы было исследовать пигментный комплекс листьев вечнозеленых древесных и травянистых растений в связи с адаптацией фотосинтетического аппарата к условиям холодного климата.
В задачи входило:
1. Изучить состав и сезонную динамику содержания зеленых и желтых пигментов в листьях пяти видов растений, произрастающих в подзоне средней тайги европейского Северо-Востока.
2. Определить параметры индуцированной флуоресценции хлорофилла листьев в разные сезоны года.
3. Выявить закономерности изменения фотосинтетической способности листьев в годичном цикле.
4. Рассмотреть защитную роль пигментов виолаксантинового цикла у вечнозеленых древесных и травянистых растений на Севере. Впервые установлены закономерности изменения функционального состояния фотосинтетического аппарата представителей вечнозеленых древесных и травянистых растений среднетаежной зоны европейского Северо-Востока в годичном цикле. Выявлено, что фонд фотосинтетических пигментов оставался стабильным в течение года у Picea abies. У Abies sibirica, Juniperus communis , Vaccinium vitis-idaea и Pyrola rotiindifolia максимум содержания пигментов отмечали в летне-осенний, а минимум - в зимне-весенний период. Установлены сезонные различия в составе каротиноидов: уровень деэпоксидации пигментов виолаксантинового цикла значительно повышался в декабре-марте у хвойных видов, у видов кустарничко-травянистого яруса — оставался высоким и в летний период. Обнаружена прямая связь между накоплением зеаксантина и увеличением нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла. Увеличение степени деэпоксидированного состояния пигментов виолаксантинового цикла и накопление зеаксантина обеспечивают безопасное рассеивание поглощенной хлорофиллом световой энергии в виде тепла. Выявлен дополнительный механизм защиты фотосинтетического аппарата растений от избыточной освещенности — зеаксантин-независимая тепловая диссипация энергии из реакционных центров ФС II. Показана сезонная смена защитных механизмов, обеспечивающих сохранность ФСА вечнозеленых видов от фотодинамического разрушения.
Работа выполнена в Лаборатории экологической физиологии растений Института биологии Коми научного центра УрО РАН в период прохождения курса аспирантуры (2006-2009 гг.) и является частью плановой темы: «Физиолого-биохимические механизмы роста и адаптации растений в холодном климате: роль фотосинтеза и дыхания» и поддержана грантами РФФИ № 04-04-48255 и 07-04-00436.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю проф. Т.К. Головко. Искренне признателен сотрудникам лаборатории экологической физиологии растений и, особенно, О.В. Дымовой, Г.Н. Табаленковой, И.В. Далькэ, СП. Масловой и И.Г. Захожему за помощь в проведении экспериментов, ценные замечания и советы при подготовке отдельных глав диссертации. Выражаю признательность сотруднику отдела лесобиологических проблем Севера А.И. Патову за ценные консультации и помощь в определении возрастных характеристик древесных видов растений.
Характеристика ассимиляционного аппарата вечнозеленых растений
К вечнозелёным относят растения, характерной особенностью которых является способность сохранять листья в течение нескольких лет и постепенно заменять старые ассимилирующие органы молодыми (Серебрякова и др., 2006). Согласно И.В. Борисовой (1972), к группе вечнозеленых растений относятся виды, листья которых функционируют 13-15 месяцев. Вечнозеленые обладают эволюционно более древним типом ритмики годичного развития (Вульф, 1944), возникшим при благоприятных условиях высоких температур и влажного бессезонного климата. Сроки существования листьев вечнозеленых растений варьируют от 1.5 до 10 лет и более (табл. 1).
Вечнозеленые растения распространены от экватора до таежной и арктической зон. Преобладающее их количество характерно для равномерно влажного климата экваториальных областей, где они формируют древесные сообщества - гилей или дождевые леса, разнообразные по физиономическому облику и видовому составу. Типичными представителями экваториальных вечнозеленых лесов являются фикусовые, магнолиевые, разнообразные пальмы, подокарпусы, древовидные папоротники и др. Субтропические области земли с их обильным и неравномерным распределением осадков покрыты фракциями вечнозеленых жестколистных и «лавролистных» лесов и кустарников. К ним относятся средиземноморский маквис и австралийский скрэб, господствующее положение в которых занимают жестколистные вечнозеленые кустарники (олеандр, земляничное дерево, фисташка, филлирея, мирт и др.). Североамериканский чапарель представляет собой заросли вечнозеленых жестколистных дубов (пробкового, каменного и др.), среди которых нередки вечнозеленая калина (Viburnum tinus), маслина и земляничник (Шумилова, 1979).
Наибольшие площади умеренных широт Евразии и Северной Америки занимают бореальные хвойные леса (тайга). Основными видами в них являются представители сем. Pinaceae (рода Picea, Pinus, Abies). В подлеске часто встречаются вечнозеленые кустарники из семейства Cupressaceae (виды рода Juniperus). Под пологом таежных лесов сообщества формируют тенелюбивые кустарнички, главным образом, представленные семейством вересковые (Ericaceae) (вереск, багульник, толокнянка, брусника, клюква), а также некоторые вечнозеленые травы (живучка, копытень).
Изучение ультраструктурной организации клеток мезофилла -ассимиляционной ткани листа — на разных этапах его развития позволяет определить функциональные перестройки фотосинтетического аппарата на уровне пластид и выявить механизмы адаптации ассимиляционного аппарата к меняющимся в течение вегетационного периода условиям среды. В литературе мало сведений, касающихся анатомической структуры клеток травянистых и кустарничковых форм вечнозеленых. Анатомия клеток фотосинтетического аппарата вечнозеленых растений в большей степени изучена у древесных представителей хвойных (Soikelli, 1978; Силаева, 1978; Кондратьева, Веселкова, 1984; Голомазова, 1987; Ладанова, Тужилкина, 1992). Типичным для анатомического строения игольчатого листа хвойных является однородный, иногда складчатый мезофилл, расположенный под эпи - и гиподермой. В мезофилле находятся схизогенные смоляные ходы, обкладку которых образуют толстостенные, но не одревесневающие клетки. Гиподерма, ограниченная от мезофилла клетками с поясками Каспари, несет в себе проводящие пучки, окруженные трансфузионной тканью, участвующей в проведении веществ (Лотова, 2000).
При благоприятных температурных условиях в клетках хвои хлоропласты занимают постенное положение и отличаются по количественным характеристикам. По данным СВ. Загировой (1999, 2008), число хлоропластов в клетках однолетней хвои сосны обыкновенной, ели сибирской и пихты сибирской варьировало в диапазоне от 6 до 14. Число и площадь хлоропластов на срезе клетки были наибольшими у сосны обыкновенной. В 1,5-2 раза меньше было число хлоропластов в клетке, и гран на срез хлоропласта у ели и пихты, чем у сосны. В хвое сосны сибирской кедровой 2-го года жизни количество хлоропластов на срез клетки достигало 26 штук, что в 1,5 раза больше, чем в хвое ели сибирской и сосны обыкновенной того же возраста. Однако по числу гран и сумме тилакоидов в гране на срез клетки эти виды между собой существенно не различались.
Под влиянием меняющихся в течение вегетационного периода условий среды (температура воздуха, освещенность), а также разнообразных эндогенных факторов структуры фотосинтезирующих клеток претерпевают изменения, а в частности происходит перестройка пластидного аппарата. Н.В. Ладанова и В.В. Тужилкина (1992) показали, что в условиях среднетаежной зоны европейского Северо-Востока, с началом периода активной вегетации (июнь), в фотосинтезирующих клетках ели происходит значительное снижение числа гран и тилакоидов в гранах, что сопровождается увеличением числа двойных тилакоидов в строме. Кроме того, уменьшается парциальный объем митохондрий, пластид, крахмала в пластидах, увеличиваются размеры осмофильных включений в цитоплазме.
К сентябрю внутренняя структура клеток мезофилла характеризуется уменьшением содержания крахмальных зерен, изменением формы и месторасположения пластид, перемещающихся в направлении к центральной части клетки. Продолжает уменьшаться объем центральной вакуоли и количество рибосом в цитоплазме клетки. Уже к концу осени граны хлоропластов представлены в основном тремя тилакоидами и в них практически полностью исчезают крахмальные гранулы.
В зимний период хлоропласты в клетках ели группируются вокруг ядра, что зачастую связывают с температурным фактором (Барская, 1964). У сосны обыкновенной в зимний период регистрировали минимальное количество хлоропластов на срез клетки и их максимальную площадь за весь период вегетации (Загирова, 1999). Выход растений из состояния зимнего покоя отмечается в начале апреля, когда хлоропласты возвращаются к клеточным стенкам и в них начинается процесс накопления крахмала. Гранальная структура хлоропластов в этот период представлена парными тилакоидами. Отмечается активизация деятельности митохондрий, возрастает количество рибосом. Ультраструктура клеток мезофилла у ели сибирской приобретает черты, свойственные зрелой хвое, только к середине июня (Ладанова, Тужилкина, 1992).
Содержание фотосинтетических пигментов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле
Установлено, что в листьях P. abies содержание р-каротина в течение года находилось в диапазоне 100-115 мкг/г сухой массы (около 10-13% от общей суммы каротиноидов) и незначительно повышалось к зиме. Большая часть фонда желтых пигментов (до 75%) была представлена лютеином (550-900 мкг/г). В течение года наибольшее содержание лютеина в листьях P. abies отмечали в зимне-ранневесенний период. К июлю концентрация лютеина снижалась более чем на 30%. Концентрация неоксантина и виолаксантина в течение года находилась в пределах 60-100 и 24-85 мкг/г сухой массы соответственно. В ходе исследования выявлено, что максимальные концентрации виолаксантина хвоя P. abies накапливала в июле-сентябре (75-85 мкг/г), тогда как в зимние и весенние месяцы концентрация этого каротиноида была в 2-3 раза ниже. На долю антераксантина и зеаксантина в течение года приходилось не более 6.5%. В декабре-марте регистрировали максимальные концентрации антераксантина и зеаксантина (около 65-80 и 45 мгк/г соответственно). В середине лета эти ксантофиллы в спектре каротиноидов листьев P. abies не обнаруживались.
Подобные закономерности сезонных изменений содержания индивидуальных каротиноидов были свойственны также листьям A. sibirica и J. communis, (рис.12, табл. 13-14). Однако, в отличие от P.abies, фонд виолаксантина в листьях A.sibirica в начале зимы не подвергался деградации. Среди исследованных хвойных видов J. communis в течение года характеризовался большим накоплением р-каротина и компонента виолаксантинового цикла - зеаксантина. По содержанию зеаксантина ранней весной J. communis превосходил остальные хвойные виды в 1.5-2 раза.
Иной ход сезонных изменений содержания индивидуальных каротиноидов наблюдали у растений травяно-кустарничкового яруса, зимующих под толщей снегового покрова, который достигает высоты до метра и сохраняется до начала мая (рис. 13, табл. 15-16). В листьях кустарничка V. vitis-idaea содержание Р-каротина находилось в пределах 200-300 мкг/г сырой массы. При этом отмечали закономерное возрастание концентрации данного каротиноида с марта по сентябрь (примерно на 60%) и снижение его содержания к зиме. Доля лютеина в пигментном комплексе V.vitis-idaea была немного ниже, чем у хвойных видов (58-62% от общей суммы каротиноидов) и не имела выраженной сезонной динамики. С марта по декабрь в листьях кустарничка наблюдали постепенное нарастание концентрации неоксантина, максимум содержания которого (около 120 мкг/г) приходился на начало осени. В отличие от хвойных растений, листья V. vitis-idaea отличались минимальными концентрациями виолаксантина в середине лета, тогда как в декабре-марте содержание данного пигмента было на 40-50% выше (140-177 мкг/г). Особый интерес представляет сезонный ход накопления листьями V. vitis-idaea антераксантина и зеаксантина. Антераксантин в пигментном комплексе кустарничка присутствовал в течение всего года и его концентрация по сезонам изменялась в пределах 30-68 мкг/г. Отчетливой сезонной динамики накопления антераксантина листьями V.vitis-idaea обнаружено не было. Максимальные количества данного каротиноида в листьях кустарничка были приурочены к началу зимы (около 70 мкг/г). Зеаксантин содержался в меньшем количестве (4-9 мкг/г) и также обнаруживался практически весь год (за исключением сентября). При этом наибольшее его содержание регистрировали в декабре и мае.
У травянистого растения P. rotundifolia наибольшие концентрации практически всех каротиноидов регистрировали при благоприятных температурных условиях лета -начала осени. Содержание Р-каротина, виолаксантина, лютеина и неоксантина в июле-сентябре составляло в среднем 400, 200, 1600 и 190 мкг/г сухой массы соответственно. Исключение составляли антераксантин и зеаксантин, на долю которых в мае приходилось 8 и 1% от общей суммы каротиноидов. Это почти вдвое больше чем в листьях V. vitis-idaea в этот же период.
В целом, в фонде желтых пигментов листьев изученных вечнозеленых видов растений преобладали ксантофиллы (80-85%). Содержание Р-каротина составляло в среднем 15-20% от общей суммы каротиноидов. Большая часть ксантофиллов была представлена лютеином (до 70%) - наиболее распространенным конститутивным компонентом ССК высших растений. На долю виолаксантина, неоксантина и антераксантина приходилось соответственно до 12, 10 и 8% от общей суммы каротиноидов. Зеаксантин обнаруживался в листьях вечнозеленых растений в течение года в наименьших концентрациях (до 5.5 % от общей суммы каротиноидов).
Хвойные вечнозеленые виды превосходили растения травяно-кустарничкового яруса по содержанию зеаксантина. Относительное содержание данного пигмента в зрелых листьях хвойных находилось в диапазоне 2.5-5.5% от общей суммы каротиноидов, тогда как у растений травяно-кустарничкового яруса в течение года не превышало 1%. Однако, растениям, произрастающим под пологом леса, была свойственна тенденция к большему в течение года накоплению Р-каротина по сравнению с хвойными видами.
Обнаружены различия в сезонной динамике накопления листьями вечнозеленых растений пигментов — участников виолаксантинового цикла. У хвойных видов максимальные концентрации виолаксантина регистрировали в июле-сентябре, зеаксантина в декабре-марте. У растений травяно-кустарничкового яруса максимум содержания виолаксантина, напротив, приходился на зимне-ранневесенний период года, тогда как концентрация зеаксантина была наибольшей в мае.
О вкладе виолаксантина, антераксантина и зеаксантина в защиту пигментного аппарата от фотоповреждения судили по величине деэпоксидации пигментов ВКЦ (DEPS). Расчет DEPS в течение года показал, что у древесных хвойных видов величина DEPS была наибольшей в зимне-ранневесенний период года (табл. 17), когда низкие температуры воздуха сочетались с высоким уровнем инсоляции Такие свето-температурные условия наблюдались обычно в марте. В хвое P. abies в декабре-марте отмечали стабильно высокие значения деэпоксидированного состояния пигментов ВКЦ (около 50%). В ассимилирующих органах A. sibirica и J. communis зимой уровень DEPS составлял 30%, а к началу весны возрастал в 1.5-2 раза. В июле, при температуре воздуха 18-20С, пигментный аппарат хвойных видов характеризовался практически полным отсутствием ксантофиллов, находящихся в деэпоксидированном состоянии.
Содержание индивидуальных каротиноидов в листьях вечнозеленых растений в годичном цикле
Свет воздействует на растительный организм через фотосинтетическую систему, неотъемлемой частью которой является пигментный аппарат. В природе пигментный аппарат растений испытывает на себе влияние различных экологических факторов. Основные характеристики пигментного комплекса растения определяются условиями окружающей среды, однако, немаловажное значение имеют генотипические особенности растения и закономерности его онтогенетического развития (Любименко, 1963). В данной работе изучалось состояние пигментного аппарата вечнозеленых видов, произрастающих в условиях подзоны средней тайги европейского Северо-Востока, где жизнедеятельность растений протекает при неблагоприятных погодных условиях и подвержена влиянию резких колебаний температуры и освещенности. В течение нескольких лет (2006-2008) мы анализировали количественный и качественный состав пигментов и их изменение по сезонам года.
Полученные в ходе исследования данные по содержанию фотосинтетических пигментов в зрелых ассимилирующих органах пяти вечнозеленых растений свидетельствуют о различиях между видами по мощности пигментного аппарата. Листья травянистого растения P. rotiindifolia содержали в два-четыре раза больше хлорофиллов и каротиноидов в расчете на единицу сухой массы, чем листья древесных вечнозеленых растений (рис. 10-11). Наименьшим содержанием фотосинтетических пигментов характеризовалась хвоя P. abies. Это согласуется с имеющимися в литературе сведениями о различиях в мощности пигментного аппарата травянистых и древесных растений (Лархер, 1978; Лукьянова и др., 1986; Demmig-Adams, Adams, 1992; Adams е.а., 2001).
Концентрация фото синтетических пигментов в хвое P. abies находилась в диапазоне 2.3-2.9 мг/г (хлорофиллы) 0.5-0.7 мг/г сухой массы (каротиноиды). Полученные нами значения совпадают с данными О.В. Силкиной (2006) по содержанию фотосинтетических пигментов в двухлетней хвое растений P. abies, произрастающих в более южных елово-пихтовых насаждениях (Республика Марий Эл). Сходные величины фонда хлорофиллов и каротиноидов в летний период у близкородственного вида Р. obovata в условиях Хибин отмечала Л.М.Лукьянова (1988). Нами выявлены закономерности сезонных изменений количества и соотношения фотосинтетических пигментов. Среди вечнозеленых растений наиболее стабильно уровень содержания фотосинтетических пигментов в течение года сохранялся в хвое Р. abies, тогда у других видов отмечали снижение пигментного пула в зимне-весенний период. Такая стабильность пигментного фонда листьев P. abies, по-видимому, связана со сравнительно низкой концентрацией пигментов. Важное значение имеют структурно-функциональные перестройки мезофилла, наблюдаемые осенью в клетках мезофилла Р. abies: исчезновение крахмальных зерен, изменение формы, размеров и месторасположения зеленых пластид, которые перемещаются к центральной части клетки и группируются вокруг ядра, что снижает поглощение световой энергии (Ладанова, Тужилкина, 1992). О стабильности фонда фотосинтетических пигментов в течение зимы у разновозрастной хвои двух видов рода Рісеа в условиях Республики Беларусь сообщали ранее Т.Н. Годнев с сотр. (1969).
Содержание хлорофиллов в хвое A. sibirica в марте-мае составляло 2.2-2.5 мг/г и было заметно ниже (почти на 30%), чем в летне-осенний период. Некоторые авторы (Тужилкина, Веретенников, 1981) связывают понижение концентрации хлорофиллов весной с началом ростовых процессов. К осени, когда ростовые процессы у хвойных замедляются, концентрация пигментов в хвое увеличивается. В листьях кустарника J. communis максимум содержания хлорофиллов (до 4.3 мг/г) приходился на июль -сентябрь, снижение уровня зеленых пигментов начиналось с наступлением зимы. Сходные изменения в содержания зеленых пигментов отмечали в листьях кустарничка V. vitis-idaea. Максимальные концентрации зеленых пигментов (до 4.3 мг/г сухой массы) в листьях V. vitis-idaea наблюдали в июле-сентябре. Это согласуется с данными Л.М. Лукьяновой (1986) для того же вида в условиях Кольской Субарктики. Содержание хлорофиллов у кустарничка, произрастающего в условиях Крайнего Севера, в летний период составляло около 5 мг/г сухой массы.
У травянистого вида Pyrola rotundifolia содержание хлорофиллов повышалось с мая по сентябрь примерно в 1.3 раза (от 4.8 до 6.5 мг/г), а к декабрю снижалось до 4 мг/г. Такие же закономерности изменения концентрации пигментов были показаны в работе Л.М. Лукьяновой и др. (1986) для зимнезеленого травянистого вида Pyrola media в условиях Хибин. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях Pyrola media, произрастающих на Кольском полуострове, в августе-сентябре достигало 8-10 мг/г сухой массы, а к зиме уменьшалось. Анализ данных показал, что по амплитуде варьирования фонда зеленых пигментов (разница между максимальными и минимальными концентрациями в течение года) исследованные виды располагаются в следующем порядке: P. rotundifolia V. vitis-idaea A. sibirica J. communis P. abies. У большинства видов максимум накопления хлорофиллов отмечали в летне-осенний, а минимум — в зимне-весенний период. Величина соотношения хлорофиллов alb у исследованных вечнозеленых видов в течение года варьировала в пределах 2.4-2.9, что указывает на приспособленность их фотосинтетического аппарата к затенению. Соотношение хлорофиллы/каротиноиды в течение года находилось в диапазоне 4.1-5.3, что характерно для арктических видов растений (Попова и др., 1989; Maslova, Popova, 1993). Доля хлорофилла светособирающего комплекса (ССК) составляла от 56 до 70% общего содержания. Принадлежность большей части хлорофиллов к ССК свидетельствует о хорошо развитой светопоглощающей системе листьев и компенсирует общий низкий уровень накопления зеленых пигментов. В целом, приведенные данные о содержании, соотношении хлорофиллов alb и доли хлорофилла, принадлежащего ССК, позволяют отнести изученные виды растений к группе теневыносливых.
С наступлением зимы (декабрь) у большинства видов отмечали тенденцию к уменьшению доли хлорофиллов в ССК и соотношения хлорофиллы/каротиноиды (табл. 10-11). Это свидетельствует о том, что под воздействием неблагоприятных температурных условиях зимы у изученных видов растений происходит снижение светособирающей функции пигментного комплекса. Возрастание в холодный период года относительного содержания каротиноидов в листьях вечнозеленых растений отражает устойчивость желтых пигментов к повреждающим условиям среды и их защитную роль.
Изучение качественного и количественного состава индивидуальных каротиноидов показало, что относительное содержание Р-каротина в листьях вечнозеленых видов растений в среднем составляло 15-20% от общей суммы каротиноидов. Анализ сезонного изменения абсолютного содержания р-каротина в листьях изученных видов растений не выявил отчетливой динамики. Однако, судя по относительным величинам (доле пигмента в общем фонде каротиноидов), некоторые закономерности прослеживались.
Сезонные изменения интенсивности СОг - газообмена листьев вечнозеленых растений
Обобщение данных литературы (табл. 4) показало, что сходные закономерности сезонного изменения величины максимального квантового выхода ФС II характерна для вечнозеленых видов растений- из различных географических зон. Так, например, в условиях Швеции величина квантового выхода фотохимической активности ФС II хвои Pinus sylvestris в зимний период была в 4 раза ниже по сравнению с серединой лета (Ottander е.а., 1995). Такая же закономерность была показана и для кустарника Mahonia repens, произрастающего в районе Скалистых гор США (Logan е.а., 1998). Хвоя древесного вечнозеленого вида Pinus cembra, произрастающего на склонах австрийских Альп на высоте около 2000 м, в зимний период года демонстрировала снижение величины Fv/Fm в 5 и более раз по сравнению с летом (Neuner е.а., 2006).
Наши результаты показали, что у растений травяно-кустарничкового яруса сезонные изменения величины максимального квантового выхода фотохимической активности ФС II выражены в меньшей степени. Величина параметра Fv/Fm у листьев V. vitis-idaea и P. rotundifolia варьировала в течение года в узком диапазоне 0.7-0.8. Можно с уверенностью полагать, что отсутствие существенных отличий в эффективности работы ФС II листьев растений травяно-кустарничкового яруса в зимне-весенний и летний периоды года обусловлено перезимовкой растений данной группы под толщей снегового покрова, который защищает фото синтетический аппарат растений от низких температур и высокой освещенности. Наши измерения показали, что под толстым слоем снега температура у поверхности почвы редко падает ниже -3...-5С.
Судя по сезонному изменению величины реального квантового выхода фотохимической активности ФС II (табл. 20), в зимний период (декабрь) у исследованных видов растений количество реакционных центров ФС И, находящихся в открытом состоянии и способных к разделению зарядов, снижалось на 30-50% по сравнению с серединой лета. Очевидно, это является следствием адаптации вечнозеленых растений к воздействию на фотосинтетический аппарат неблагоприятных температурных условий зимы и, в целом, отражает снижение способности изученных видов утилизировать световую энергию в период зимнего покоя. Подавление в зимний период функции светопоглощения у вечнозеленых видов растений различных жизненных форм подтверждается данными других авторов. Так, в хвое Abies sibirica, Picea abies и Pinus mugo снижение величины реального квантового выхода фотохимической активности ФС II (Yield) регистрировали в течение зимнего периода. Весной (апрель) величина Yield возрастала более чем в 2 раза (Robakowski, 2005). Аналогичную картину у хвои Pinus sylvestris в условиях Западной Сибири наблюдали М. Slot е.а. (2005).
Для оценки сезонных изменений эффективности использования энергии света в разделении зарядов нами была определена скорость транспорта электронов (ETR) в мембранах тилакоидов листьев вечнозеленых растений. Исследования показали, что величина ETR изменялась закономерно с повышением освещенности. Анализ показал, что характер зависимости величины ETR от освещенности наилучшим образом уравнением: ETR = (« х ФАР х ETRmax) х ( ETR2max+ а2х ФАР2) ш. Согласно Дж. Г. М. Торнли (1982), такая функция характерна для световых кривых фотосинтеза фитопланктонных сообществ.
С декабря по март скорость транспорта электронов у изученных видов растений была очень низкой (до 50 мкмоль/м2 с). Снижение в зимне-ранневесенний период скорости транспорта электронов в мембранах тилакоидов листьев вечнозеленых растений, по-видимому, обусловлено повреждением и/или снижением функциональной активности основных участников ЭТЦ хлоропластов. Следует также отметить подавление интенсивности работы цикла Кальвина по утилизации АТФ и НАДФ Н под действием отрицательных температур. К концу весны (май) у исследованных видов наблюдали увеличение скорости электронного транспорта (до 80-100 мкмоль/м2 с). Полное восстановление тока электронов в ФС II листьев древесных хвойных и растений травяно-кустарничкового яруса происходило в летний период, когда величины ETR были максимальными (150-200 мкмоль/м с).
Наши результаты дают возможность количественно оценить использование поглощенной энергии фотосинтетическим аппаратом вечнозеленых растений в летний и ранневесенний периоды года (рис. 23). В июле при оптимальных для ассимиляции условиях в фотосинтетическом аппарате всех исследованных видов растений доля утилизируемой в фотосинтезе энергии была наибольшей и достигала 60-70% от поглощенной. Тепловая диссипация энергии в этот период составляла 20-30%, а доля избыточной световой энергии - 6-17%. Относительно высокие (18-24%) значения доли тепловой диссипации энергии света, поглощенного комплексами ФС II листьев хвойных в июле, скорее всего, обусловлены диссипацией избыточной энергии из РЦ ФС II, поскольку виолаксантиновый цикл в середине лета был неактивен (величина DEPS не превышала 2%). Растения V. vitis-idaea и P. rotundifolia в июле были способны диссипировать в форме тепла около 30%) поглощенной энергии, что обусловлено работой зеаксантин-зависимого механизма рассеивания из ССК и согласуется с обнаруженными высокими значениями деэпоксидированного состояния пигментов ВКЦ.
В марте, когда условия для ассимиляции СОг неблагоприятны, значительная часть поглощенной световой энергии (60-90%) рассеивалась хвойными в форме тепла, что коррелирует с высоким уровнем деэпоксидации пигментов ВКЦ (рис. 22, а). У растений травяно-кустарничкового яруса такой корреляционной зависимости выявлено не было. Однако, присутствие в пигментном комплексе V. vitis-idaea и P. rotundifolia весной компонентов ВКЦ не дает оснований исключать участия зеаксантин-зависимого механизма в фотозащите в весенний период. Есть основание полагать, что не менее важную роль играет тушение флуоресценции молекулами хлорофилла РЦ ФС II. Подтверждением этому служат данные по флуоресценции, а именно снижение к маю уровня Fv при постоянстве F0 (рис. 14).
Количество потенциально опасной световой энергии в фото синтетическом аппарате вечнозеленых растений в весенний период оставалось значительным (до 17%). При этом хвойные демонстрировали тенденцию к снижению уровня избыточной энергии к марту, тогда как у растений V. vitis-idaea и P. rotundifolia, наоборот, она возрастала. В фотозащите комплексов ФС II листьев вечнозеленых видов от деструкции, вызванной значительным количеством избыточной световой энергии, достигающей «закрытых» реакционных центров ФС II в течение года, могли участвовать антиоксиданты - р-каротин, относительное содержание которого возрастало к лету, и лютеин, уровень которого был постоянно высоким (рис. 12-13).
Результаты анализа энергетического баланса позволяют заключить, что в летний период наиболее эффективен в отношении использования ФАР и защиты от избыточно поглощенной энергии фотосинтетический аппарат P. abies, тогда как в зимнее время наилучшим образом защищен фотосинтетический аппарат J. communis.
