Введение к работе
Актуальность проблемы. К числу факторов, наименее изученных в физиояогшг растений, относится гипо барическая гипоксия, которая развивается в тканях при разрежении атмосферного воздуха. В естественной среде обитания такая ситуация возникает в условиях высокогорья, где действует комплекс факторов, из которых наиболее изученными являются световые и температурные модификации. Интерес к действгао разреженной атмосферы стал возрастать не только в связи с освоением высокогорных районов проживания, но и с развитием космических исследований, созданием искусственных систем жизнеобеспечения, а также с решением экологических задач, связанных с формироваїшем климата.
Особенности гипобарической среды характеризуются одновременным снижением парциального давления газов, среди которых наибольшее значение для растений имеют 02 и С02. Как функционируют и взаимодействуют в этих условиях основные энергопреобразугощие процессы - фотосинтез и дыхание? Как осуществляется рост и развитие растений? Эти и другие вопросы к настоящему времени мало изучены, а появляющиеся в лкщзатуре сведения весьма противоречивы. Встречаются единичные данные о влиягаш разреженной атмосферы на интенсивность газообмена (Gale, 1972, 1973; Musgrave et al., 1986) и отдельные реакции дыхательного метаболизма (Андреев и др., 1996), структуру и фуикцпоналыгую активность митохондрий (Costes, Vartapetian, 1978; Вартапетян, 1985; Musgrave et al., 1988), формирование пигментного фонда хлоропластов (Воробьева и др., 1977, 1981) и ростовые реакции растений (Walkinshaw, 1971; Andre, Richaud, 1986). Однако авторы цитируемых работ используют различные экспериментальные условия, методические подходы и объекты исследования, что затрудняет обобщение результатов и требует дополнительного изучения перечисленных вопросов. В отличие от других типов гипо- и аноксии (затопление, вытеснение воздуха инертными газами и т.д.), влияние которых преимущественно исследовано па корневой системе, гапобарическую гипоксию важно изучать и на автотрофпых органах, которые в условіих разреженной атмосферы непосредственно взаимодействуют с воздухом, обедненным кислородом. Решение этой проблемы осложняется тем, что до конца не ясно, как функционируют различные этапы темпового дыхания в фотосинтезирующих листьях растений. Отсутствуют данные и о состоянии
ассимилирующего аппарата при изменении газового состава
среды. Не выяснена временная и дозовая зависимость различных
реакций при действии высотной гипоксии. Недостаточно фактов о
наличии компенсаторных эффектов в клетке в условиях
разреженной атмосферы. Не исследованы особенности
акклиматизации и репарационных процессов, а также видовая и метаболическая специфика растений. Поиск новых подходов в изучении этих вопросов, усовершенствование методик и технических возможностей аппаратуры, использование разных объектов исследования позволят расширить и уточнить представления о механизмах адаптации растений в условиях стресса.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы являлось исследование структурно-фушхщональных изменений фотосинтетического аппарата и особенностей дыхательного метаболизма в листьях растений, определяющих адаптацию организма к условиям гипобарической гипоксии. Для этого изучалось влияние различного по времени и силе данного воздействия на: -интенсивность дыхательного С02-газообмена;
активность ферментов дыхательного и фотосинтетического метаболизма;
содержание основных продуктов обмена;
структурную организацию фотосинтетического аппарата растений;
состояние пигментного фонда;
функционирование первичных фотохимических реакций фотосинтеза.
Для выяснения специфики приспособительных реакций исследования проводили на растениях различных систематических групп, а также на модельных объектах с измененным фотосинтетическим аппаратом - постэтиолированных проростках и хлорофилльных мутантах.
Основные положения, выносимые на защиту: 1.В фотосинтезирующих листьях растений при действии гипо барической гипоксии происходит трансформация дыхательных путей - усиливается функционирование гликолиза, ОПФП и брожения. Цикл Кребса сначала угнетается, а затем активность его восстанавливается. 2. В условиях гипо барической гипоксии осуществляются структурно-функциональные перестройки фотосинтетического аппарата.
3. В листьях растений в условиях гипоксического стресса
включаются адаптивные реакции компенсаторного типа, основанные па взаимосвязи фотосинтеза и дыхания.
4. Характер приспособительных реакций в автотрофных органах
растений зависит от силы и продолжительности действующего фактора, видовых особенностей. объектов, организации и степени сформированности фото синтетического аппарата.
Научная новизна. Впервые на растительных объектах
комплексно изучен новый тип гипоксического состояния,
связанный с разрежением атмосферного воздуха в барокамере.
Проведено многоплановое исследование различных сторон
дыхательного и фотосиптетического метаболизма растений в
условиях гипобарической гипоксии, позволяющее одновременно
оценить характер изменений основных энергетических процессов в
ассимилирующих клетках листа, а также выяснить механизмы их
регуляции и взаимосвязи. Для измерения дыхательного
газообмена растений использован высокочувствительный метод
лазерной оптико-акустической спектроскопии, ранее не
применявшийся для исследования биологических объектов в этих
условиях. Новым является также изучение мезоструктуры
фотосинтетнческого аппарата растений в условиях разреженной
атмосферы. Обнаружена периодичность структурно-
функциональных изменений в автотрофных тканях листа, связанная с активацией анаэробных этапов дыхательного метаболизма. Выявлена временная и дозовая зависимость, а также период репарации различных реакций, обратимость которых зависит от силы и продолжительности предшествующего воздействия. Обнаружена способность к акклимации растений при повторных н нарастающих нагрузках стрессового фактора. Выяснены особенности формирования фотосинтетического аппарата растений в условиях гипобарической гипоксии и зависимость этого процесса от интенсивности дыхательного обмена. На основании сравшггельных исследований зеленых, этиолированных проростков и хлорофилльных мутантов впервые установлено, что адаптация к гипобарической гипоксші осуществляется по-разному у растений, различающихся по степени организации и сформированности фотосинтетического аппарата. В работе обоснована концепция о компенсаторном взаимовлиянии фотосинтеза и дыхания в процессе адаптации растений к гипоксическому воздействию и представлена схема структурно-функциональных изменений в листьях растений в условиях пшо барической гипоксии.
Практическая значимость работы. Полученные результаты о характере структурно -функциональных перестроек фотосинтетического аппарата и дыхательного метаболизма в тканях растений могут быть использованы в селекционной практике для разработки методов оценки и прогнозирования устойчивости растений к гипо-и аноксии. Активация анаэробного метаболизма в листьях может являться индикатором существенного дефицита кислорода, возникающего в ассимилирующих тканях растений при ухудшении экологической ситуации. Результаты о временной и дозовой зависимости, о действии сопутствующих факторов при разрежении воздуха могут найти применение в инженерно-конструкторских проектах при создании искусственных систем жизнеобеспечения. Данные о скорости репарационных процессов и эффектах акклимащш позволят при помощи барокамеры разработать способы адаптации растений к условиям гипо- и аноксии с учетом видовых, возрастных и метаболических особенностей объектов.
Материалы диссертации и методики проведения экспериментов могут быть использованы в лекционных курсах и практических занятиях по физиологии и биохимии растений, при выполнении кандидатских диссертаций, курсовых и дипломных работ.
Апробация работы. Исследования проводились по плану
научно-исследовательских работ лаборатории фотосинтеза НИИ
биологии и биофизики Томского государственного университета, и
были поддержаны грантами Головного Совета по биологии
Госкомвуза (г. СЛІетербург) - №2-101-23-38 (1992-1993); №95-0-
10.072 (1996-1997), междасцншшпарной программы
"Фундаментальные проблемы охраны окружающей среды и экологии человека" №93-4-3 (1994-1995) и специальным фондом СО РАН №Д 1.40 (1993).
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на ежегодных научных семинарах отдела молекулярной биологии и лаборатории фотосинтеза НИИ биологии и биофизики Томского госуниверситета (1977 - 1996), на конференциях научной молодежи Центрального Сибирского Ботанического сада СО АН СССР (Новосибирск, 1977; 1978), на IV объединенном симпозиуме Биохимических обществ СССР и ГДР "Цикл трикарбоновых кислот и механизмы его регуляции" (Киев, 1977), на V, VI и VII Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений (Алма-Ата, 1978; Львов, 1980; 1984), на Всесоюзном совещании "Энергетика, метаболические пути и их регуляция в фотосинтезе" (Пущино, 1981), на Международном симпозиуме
"Регуляция метаболизма первичных и вторичных продуктов фотосинтеза" (Пущино, 1983), на Всесоюзной конференции "Связь метаболизма углерода и азота при фотосинтезе" (Пущино, 1985), на VIII Всесоюзном ботаническом съезде (Алма-Ата, 1986), на Всесоюзной конференции "Вопросы взаимосвязи фотосинтеза и дыхания" (Томск, 1986), на I Всесоюзном совещании "Использование изогенных линий в селекционно-генетических экспериментах" (Новосибирск, 1990), на II Всесоюзном съезде физиологов растений (Минск, 1990), на Международном совещании "Метаболизм углерода и азота при фотосинтезе" (Пущино, 1991), на Всесоюзной конференции "Клеточные механизмы адаптации растегаш" (Чернигов, 1991), на III съезде Всероссийского общества физиологов растений (Санкт-Петербург, 1993), на Республиканском совещании "Изогенные линии и генетпческне коллекции" (Новосцбирск, 1993), на заседании Томского отделения Всероссийского общества физиологов растений (Томск, 1993; 1997), на Международной конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), на Международной конференции "Стресс растений" (Мюнхен, 1996), на заседают Томского отделения Всероссийского Ботанического общества (Томск, 1997), на научном семинаре кафедры физиологии и биохимии растений Санкт-Петербургского госуниверситета (Санкт-Петербург, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 работ, 2 статьи находятся в печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы (3 главы), экспериментальной части (5 глав), обсуждения результатов, заключения, выводов, библиографии, включающей 555 наименований, из них 269 на иностранных языках, и приложения, работа изложена на 265 страницах машинописного текста, содержит 63 таблицы и 28 рисунков.
