Введение к работе
Актуальность теш. В решении глобальных проблем стоящих перед человечеством (продовольственной, энергетической и в последнее время экологической) важнейшее место занимает познание фотосинтеза растений - основного процесса, обеспечивающего существование жизни на Земле. Исходя из обобщенного уравнения фотосинтеза, интенсивность этого процесса мокно определять по потоку С02 в лист. Ранее были развиты методы регистрации СО,-газообмена, которые соотносились главным образом с продуктивностью растений и привели к созданию основ теории фотосинтетической продуктивности растений, сформулированных А.А.Ничипоровичем. Эти работы несошшшю представляют интерес, однако, носят эмпирический характер и не раскрывают фундаментальных механизмов регуляцій СО,-газообмена. Структура и функции фотосинтетического аппарата интенсивно изучаются на фрагментах организма (хлоропласта, белки) главным образом биохимическими методами. Существуют принципиальные трудности построения из этих данных целостной системы функционирования процессов фотосинтеза и дыхания в листе в силу огро.чного количества различных регуляторних связей. Как следствие, возникает вопрос адекватности получаемых in vitro биохимических параметров системы действительным значениям tn utvo. Реальным способом проникновения в суть функционирования процесса фотосинтеза является экспериментальное исследование закономерностей его протекания во времени на целых листьях (исследование кинетики фотосинтеза), что ранее было успешно продемонстрировано /Лайск, 1977; 1991/. Мощным инструментом интерпретации кинетических исследований фотосинтеза, является математическое моделирование процесса фотосіштеза и дыхания. Такие модели нуждаются в совершенствование на базе современных знаний и ведут к созданию общей теории фотосинтеза.
Объектом экспериментального исследования в работе служила культура тритикале. Известная низкая экологическая приспосабливаемость этого гибрида требовала детального изучения влияния отдельных экологических факторов на его продукционный процесс /Сулима, І97Є/. Цель и задачи исследования.
Цель данной работы - экспериментальное исследование С03-газооб-
Соїсращепия: ИВК - измерительно-вычислительный комплекс; ИКГА - инфракрасный газоанализатор; Ж - листовая камера; РБФ - рибулозо-бисфосфат; РБФК - рибулозобисфосфаткарбоксилаза. Обозначение некоторых величин: с - концентрация С02 в хлоропласте; р - скорость реакции карбоксилирования; р - скорость С02-газообмена; R - концентрация РБФ в хлоропласте; R - скорость фотодыхания; Rd - скорость темнового дыхания. Величина*- значение при выключении света.
мена и кинетических характеристик РБФК фотосинтезирующего листа тритикале. В связи с этим были поставлены задачи:
-
Разработать методические подходы, позволяющие определять кинетические параметры РБФК *n vivo газометрическим методом.
-
Создать газометрическую экспериментальную установку для реализации различных методических подходов исследования кинетики С02-газообмена листа и кинетических параметров РБФК.
-
Создать математическую модель С02-газообмена листа С,-растения, пригодную для анализа результатов кинетических исследований процессов фотосинтеза и дыхания.
-
Определить кинетические параметры РБФК листа тритикале tn vivo.
-
Изучить влияние климатических условий выращивания растений тритикале на кинетические параметры С02-газообмена листа и кинетические параметры РБФК.
Научная новизна.
В диссертационной работе предложены и апробированы методы исследования нестационарного режима С02-газообмена листа, которые открывают новые экспериментальные возможности: а) усовершенствование измерительной аппаратуры и математическое моделирование переходных процессов в измерительном комплексе позволило проводить количественные измерения нестационарного С02-газообмена листа; б) такие измерения в переходе свет-темнота и развитая в работе модель послесветового газообмена листа стали основой метода определения внутриклеточных параметров нестационарного С02-газообмена фотосинтезирующего листа (таких как составляющие потоки, концентрации и сопротивления); в) численная оценка последних величин дала возможность экспериментального исследования кинетики реакции карбоксили-рования tn. vivo. Такая информация для листа, фотосинтезирунцего в естественных условиях, ранее была практически недоступна.
В диссертационной работе впервые показано, что существует отличная от нуля величина сопротивления растворения С02 (переноса через границу газ-жидкость) в мезофиллышх клетках листа, и устранена распространенная ошибка расчета концентрации растворенной в листе С02, связанная с использованием закона Генри (равновесной растворимости газов), существенно завышающем расчетную величину этой концентрации. У листьев тритикале получено приблизительное равенство диффузионного сопротивления транспорта С02 в жидкой фазе и сопротивления карбоксилирования. Тем самым экспериментально установлена неправомерность в общем случае гипотезы о доминировании последнего в суммарном сопротивлении мезофилла /Лайск, 1977/.
В работе проведены комплексные исследования процесса фотосинтеза и дыхания тритикале при различных климатических режимах выращи-
?ания растений. Впервне получена информация о величинах скорости Х)2-газообмена и его составляющих, о распределении концентрации ;02 в фотосинтезирующем листе, о сопротивлениях на пути транспорта ;о3 в лист, о кинетических характеристиках РБФК тритикале, об уг-юкислотной, световой и температурной зависимости С02-газообмена да культуры тритикале при различных климатических условиях выра-давания растений. Впервые исследована изменчивость кинетических :арактеристик РБФК под влиянием факторов выращивания растений.
Теоретическая и практическая ценность работы.
Созданные в работе методические разработки могут применяться
(ля широкого круга задач по исследованию кинетики процессов фото-
:интеза и дыхания высших наземных растений. Полученные в работе
юзультаты расширяют современные представления о транспорте COv, в
отосинтезирующем листе, о адаптивной изменчивости in vivo кинети-
еских параметров РБФК. Результаты комплексных исследований про
веса фотосинтеза и дыхания тритикале при различных климатических
ежимах выращивания растений могут быть использованы при разработ-
е модели продукционного процесса тритикале. '"
Апробация работы: Результаты исследований по теме диссертац*-. олокены и обсуждены на: IV Конференции молодых ученых Института очвоведения и фотосинтеза АН СССР Щущино, 1989); Международной онференции "Итоги и перспективы этимологических исследований ме-аболизма углерода при фотосинтезе" (Душанбе, 1991); Межреспубли-анской конференции молодых ученых "Актуальные проблемы физиологии астений и генетики" (Киев, 1992); научном семинаре отдела фото-интеза Института почвоведения и фотосинтеза РАН.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 12 работ.
Структура диссертации: Работа состоит из введения, 4 глав (в эторых излагаются литературный обзор, методы и результаты иселе-эваний), обсуждения, заключения и выводов. Список цитируемой ли-зратуры включает 192 источника, из которых 92 на иностранных язы-ах. Работа изложена на 181 машинописных страницах, включает 27 дсунков и 15 таблиц.