Содержание к диссертации
Введение
1. Управление фотосинтезом как важная научная и практическая задача 14
2. Закономерности изменчивости системы признаков фотосинтетического аппарата 23
а. Филогенетическая изменчивость
б. Онтогенетическая изменчивость
в. Паратипическая изменчивость
г. Мутационная изменчивость
3. Молекулярно-генетические основы фотосинтеза 53
4. Генетика фотосинтеза (определение основных понятий) 62
5. Заключительные замечания 68
Экспериментальная часть 70
I. Мутационный анализ признаков фотосинтетического аппарата .72
1. Общие замечания 72
2. Материал и методика опытов 75
3. Результаты опытов 97
а. Действие УФ-радиации на арабидопсис 98
б. Индуцирование мутаций ионизирующими излучениями 107
- Действие рентгенового излучения на пыльцу арабидопсиса
- Действие рентгенового излучения, протонов и альфа-частиц на покоящиеся семена арабидопсиса
- Действие гамма-излучения на покоящиеся семена хлопчатника
в. Индуцирование мутаций у арабидопсиса химическими мутагенами 124
г. Сравнение мутагенных эффектов облучения и химических воздействий 144
4. Резюме 149
II. Генетический анализ и оценка числа генов, детерминирующих признаки фотосинтетического аппарата 152
1. Общие замечания 152
2. Материал и методика опытов 154
3. Результаты опытов 159
а. Летальные мутации 159
- Фенотипическое проявление
- Характер расщепления
- Аллельные взаимоотношения
б. Витальные мутации 174
- Генотипическое проявление
- Характер расщепления
- Аллельные взаимоотношения
в. Установление групп сцепления 198
г. Оценка числа генов, детерминирующих признак "хлорофилльная недостаточность" 198
4. Резюме 210
III. Феноанализ и феногенез признаков фотосинтетического аппарата 213
1. Общие замечания 213
2. Материал и методика опытов 216
3. Результаты опытов 222
а. Влияние генотипических различий между видами, внутри вида, между точковьми и хромосомньми мутациями на размеры и число хлоропластов в клетках мезофилла 222
б. Изучение строения хлоропластов фотосинтетических мутантов 232
- морфологические особенности строения хлоропластов
- ультраструктура хлоропластов
- морфометрия компонентов ультраструктурной организации пластид и хлоропластов
в. Характеристика фотосинтетического аппарата мутантных форм растений 241
- содержание пигментов и активность фотосистем хлоропластов
- взаимосвязь между содержанием хлорофилла и объемом фотосинтетических мембран
- интенсивность фотосинтеза
г. Влияние внешних условий на фенотипическое проявление и выражение фотосинтетических мутаций 264
- частичная ауксотрофность фотосинтетических мутантов
- эффекты нормализации витальных мутантов
- фотопериодизм фотосинтетических мутантов
- влияние температуры
- другие условия культивирования
д. Прикладные аспекты 286
- Тест-системы для учета летальных мутаций в определенной группе сцепления арабидопсиса
- Другие тест-системы
- Множественно маркированная различными сигнальными генами линия арабидопсиса 90'Еи'со
- Генотипическая изменчивость и сопряженность между количественньми признаками у хлопчатника
- Высокоурожайный мутант хлопчатника 23/15 "Дуплекс"
4. Резюме 307
Обсуждение 313
1. Генетика фотосинтеза и проблема повышения биологической продуктивности Земли 313
2. Основные итоги экспериментального исследования закономерностей генотипической изменчивости признаков фотосинтетического аппарата высших растений 318
а. Некоторые итоги изучения индуцированной физическими агентами и химическими веществами мутационной изменчивости у арабидопсиса и хлопчатника 318
б. Основные итоги генетического анализа мутаций, детерминирующих признаки фотосинтетического аппарата 325
в. Основные итоги феногенетического изучения системы признаков фотосинтетического аппарата 328
- Генетический контроль численности хлоропластов (взаимоотношения между ядром и хлоропластами)
- Генетический контроль взаимоотношений между хлоропластами
- Генетический контроль энергопреобразующих органелл (взаимоотношения между митохондриями и хлоропластами)
- О регуляции фотосинтеза на организменном уровне
- Изменчивость системы фотосинтетических мембран и эволюция хлоропластов
3. Практические аспекты изучения генотипической изменчивости системы признаков фотосинтетического аппарата 342
Выводы 353
Цитированная литература 358
- Молекулярно-генетические основы фотосинтеза
- Действие УФ-радиации на арабидопсис
- Витальные мутации
- Характеристика фотосинтетического аппарата мутантных форм растений
Молекулярно-генетические основы фотосинтеза
Результаты анализа экспериментальных данных, посвященных исследованию изменчивости системы признаков фотосинтетического аппарата в филогенезе, онтогенезе, под влиянием факторов природной среды и действия мутаций в целом можно свести к следующему.
Применение филогенетического подхода позволило прийти к заключению, что в основе разнообразия фотосинтетических мембран и функций лежат исторически сложившиеся генотипические различия, определяющие в конечном итоге принадлежность фотосинтези-рующих организмов к различным систематическим группам.
Наиболее убедительным, как было ранее подчеркнуто, примером таких различий по структуре хлоропластев и интенсивности фотосинтеза, сложившихся в процессе эволюции, могут служить растения, относящиеся к С3 и С - типу. Следует отметить, так же, что первые указания о том, что интегральная функция растений - фотосинтез является наследственно обусловленным показателем вида мы находим в работах Ю.С.Насырова /117/ и О.В.Заленского /66/.
Генотипические различия, сложившиеся в процессе эволюции, не менее отчетливо можно проследить и на примере изменчивости фотосинтетических мембран в онтогенезе фотосинтезирующих организмов.
Здесь для характеристики закономерностей изменчивости фотосинтетических мембран вполне приемлем общеизвестный биогенетический закон, сформулированный Эрнстом Геккелем, который применительно к данному случаю можно выразить следующим образом. Онтогенез (морфогенез) более совершенно организованных мембранных систем хлоропластов повторяет филогенез фотосинтетических мембран, относящихся к таксономическим группам организмов, расположенных на более низких ступенях их эволюционного развития. И наконец,исследование влияния различных условий внешней среды на структуру и функцию фотосинтетического аппарата снова приводит нас к заключению о генотипической обусловленности нормы реакции или границ изменчивости растений по различным параметрам, характеризующим их фотосинтетическую деятельность. Таким образом, через все работы, посвященные изучению влияния различных типов изменчивости структуры и функции фотосинтетического аппарата,красной нитью проходит неизменно одна и та же мысль - существеннейшая роль генетических факторов в определении программы развития и нормы адаптации фотосинтезирующего организма. Постановка вопроса о роли генетических факторов в формировании структуры и функции фотосинтетического аппарата, как нам представляется, является одним из наиболее значительных итогов развития работ, посвященных исследованиям закономерностей изменчивости системы признаков фотосинтетического аппарата.
Более чем за 200 лет, с момента открытия фотосинтеза Джозефом Пристли и до наших дней, среди исследователей формировались представления о генетической обусловленности процесса, о необходимости детального изучения его генетических механизмов с тем, чтобы научиться управлять фотосинтезом на генетической основе. Таким образом, в истории развития исследований по фотосинтезу совершенно ясно обозначаются два основных периода - этап зарождения генетики фотосинтеза и этап становления генетики фотосинтеза. На первом этапе развития физиолого-биохимических работ, в течение длительного времени (более чем 150 лет), закладывался фундамент и создавались необходимые предпосылки для зарождения генетики фотосинтеза. На втором этапе (на рубеже XX века), когда для решения проблем физиологии растений стали применять различные генетические и молекулярно-биологические методы, физиолого-биохимические исследования по фотосинтезу были поставлены на генетическую основу. С этим, новым этапом физиолого-генетических исследований, очевидно следует связывать становление генетики фотосинтеза как самостоятельного научного направления в генетике растений. Следовательно, становление генетики фотосинтеза неразрывно связано с развитием науки генетики. Генетика, изучающая явления наследственности и изменчивости живых организмов и разрабатывающая методы управления ими, является относительно молодой наукой. Официальной датой её зарождения считают 1900г., когда три выдающихся ботаника из разных стран - Карл Корренс в Германии, Гуго де Фриз в Голландии и Эрих Чермак в Австрии независимо друг от друга переоткрыли ряд важнейших закономерностей наследования признаков в потомстве гибридов, установленных намного ранее Грегором Менделем, опубликовавшим в 18б5г, свою работу "Опыты над растительными гибридами" /105/. В этой, по общему признанию, классической работе, как считает Б.Л.Астауров /13/.,,"Мендель обнажил самую сущность наследственности, продемонстрировал некоторые из её типичных и важных закономерностей и дал для изучения последних самые простые и необходимые методы" В сущности та же самая мысль однако в несколько иной трактовке была высказана Н.В.Тимофеевьм-Ресовским /208/ который писал:"Гениальность Менделя была в ФОМ ХТФО ОН первьм в экспериментальной биологии поставил точные и продуманные эксперименты, опытах с готэохом"
Применение методических приемов, впервые разработанных Менделем для исследования явления наследственности, обеспечило в дальнейшем бурное развитие генетической науки, привело к серии блестящих открытий - обнаружению явления "сцепления генов", обоснованию хромосомной теории наследственности, установлению различных типов взаимодействия генов и т.д.
В настоящее время есть все основания предполагать, что и открытие Эрвином Бауром /259/ и Карлом Корренсом /280/ явления цитоплазматической наследственности, имеющее как нам предста-ляется непосредственное отношение к зарождению генетики фотосинтеза, вряд ли было бы возможным если бы они не руководствовались в своей работе методологическими принципами анализа наследственности, которые следуют из работы Грегора Менделя.
В 1909 г. при изучении характера наследования признака пестролистности у высших растений Баур и Корренс, независимо друг от друга, пришли к заключению, что численные соотношения в потомстве полученных ими гибридов не подчинаются закономерностям, установленным Менделем для гороха. Анализируя результаты своих исследований, они постулировали существование особого неменделирующего типа наследования, связанного с ци-топлазматическими органеллами - пластидами. В этой связи, широко распространенное на заре развития генетики, мнение о главенствующей роли ядра клетки было существенно дополнено новыми представлениями о участии в наследственности и других клеточных органелл.
Следовательно, открылась перспектива углубленного анализа сущности функционирования и взаимодействия основных компонентов клетки; познания их специфической роли в определении стратегии и тактики её жизненных процессов.
Действие УФ-радиации на арабидопсис
При выращивании арабидопсиса в почве в одном его стручке в норме формируется в среднем от 40 до 60 семян. Результаты опыта наглядно показывают, что уже при 60 мин облучении происходит полная инактивация пыльцевых зерен. Об этом можно судить косвенно по показателю - среднее число эмбрионов в одном стручке, сформировавшихся при указанной дозе облучения. Интересно отметить, что при облучении пыльцы, начиная от дозы 60 мин и до 240 мин , в стручках формируется незначительное количество только ненормальных летальных эмбрионов. Поэтому для постановки основных опытов была выбрана максимальная доза, равная 32 мин.
Опыты показали, что частота доминантных эмбриональных летальных мутаций существенно возрастает в зависимости от дозы УШ-облучения пыльцы:
Доза УФИ, мин. 0 8 16 24 32
Изучено эмбрионов 2026 924 II32 1054 1202
Из них с леталями, 4.1 14.5 33.5 52.8 68.4
Среднее число 51 52 53 48 эмбрионов в стручке
У нас были веские основания предполагать, что абсолютные цифровые значения, характеризующие выход доминантных деталей при различных дозах, частично занижены. Наша схема постановки опыта не исключала возможности влияния на конечный выход лучевой реакции - фотореактивирующего действия света. В этой связи дополнительно был поставлен опыт с двумя вариантами и соответсвующими подвариантами.
В первом, облученную пыльцу сразу или же через разные сроки её хранения наносили на рыльце пестика при естественном солнечном освещении. Во - втором - опыление осуществляли при слабом зеленом освещении. Для этого использовали светофильтр VG 975725,полностью отсекающий УФ и фиолетовую части солнечного спектра.
Из таблицы 2 можно видеть, что конечный выход доминантных эмбриональных летальных мутаций практически не зависит от того, как осуществлялось опыление облученной пыльцой - в присутствии или же отсутствии видимого света. На частоту мутаций так же не оказывали существенное влияние разные сроки хранения облученной пыльцы. Все это говорит о том, что под действием коротковолновой УФР в хромосомном аппарате пыльцевых зерен возникают необратимые генетические повреждения, которые не поддаются темповой репарации и репарации под действием видимого света.
Независимо от лабораторных опытов изучали частоту возникновения мутаций у арабидопсиса для двух случаев: облучение пыльцы У$Р Солнца и облучение растений в течение всего периода вегетации,
В первом случае предварительными опытами были установлены верхние границы жизнеспособности пыльцы, подвергнутой воздействию УШР Солнца. Они измерялись 8-Ю часами.
Затем пыльцу в монослое на предметных стеклах выставляли на солнце, начиная с II час. утра, на время от 0,5 и до б часов (вариант - стабилизированная пленка, т.е. Уш+). Контролем служила пыльца, облученная в течение б часов через фильтр отсекающий,Уш часть солнечного спектра (вариант-нормальная пленка, т.е. УФ-). Результаты опыта приведены в таблице 3. Наблюдаемая в опыте стерильность может быть вызвана как мутациями, так и инактивацией пыльцевых зерен УФ Солнца. Поэтому более надежную оценку частоты мутаций можно получить лишь при регистрации доминантных эмбриональных летальных мутаций.
Коэффициент ранговой корреляции для времени облучения и частоты мутации, уО= 0,964, что значимо на уровне 99 . Следовательно, частота мутаций возрастает по мере увеличения дозы У#. Если предположить линейный характер зависимости "доза-эффект" (ДЭ), то можно рассчитать частоту мутаций в зависимости от дозы. Расчет показывает, что 99% вероятный интервал частот мутаций для времени облучения I час на одно пыльцевое зерно лежит в пределах 0,23-0,48%.
В варианте опыта с максимальной продолжительностью облучения пыльцы (6 час) в М2 было проанализировано более 100 семей; в потомстве одной семьи зарегистрировано расщепление по летальной мутации типа ксанта, а в двух других - по морфологическим мутациям. Такие растения,резко отклоняющиеся по морфологическим признакам от нормы, либо погибали в период начала бутонизации, или же оказывались стерильными при их вступлении в фазу цветения. Эти результаты указывают на возможность получения рецессивных мутаций путем облучения пыльцы арабидопсиса Ш Солнца.
Во втором случае определяли частоту мутаций, образовавшихся в инициальных клетках семени и в верхушечной меристеме зародыша. Частоту возникновения мутаций определяли так же при помощи эмбрион-теста, однако в этом случае по другому показателю - классу рецессивных хлорофилльных мутаций типа al ,ха и ch. Эмбриональные летали в этом случае не учитывали, так как в проводимом опыте было трудно определить причину летальности - мутация или повреждение УшР -Солнца. В варианте опыта УФ" " нами при помощи эмбрион-теста проанализировано 2I9I растение. Ни в одном стручке не было обнаружено хлорофилльных мутаций, следовательно, в данном случае с вероятностью 99 частота мутаций, М -0,08% на одну генеративную клетку на поколение. Если учесть, что от момента прорастания и до завязывания семян, в среднем, проходит 30 дней, а продолжительность солнечного сияния около 10 часов в день, то частота мутаций,рассчитанная на одну генеративную клетку на I час облучения оказывается в 300 раз меньше, т.е. М З 10"%. Эта величина приблизительная, но она позволяет оценить порядок величины. Даже если мы примем М М0-Ч то эта частота окажется в 200-500 раз меньше,чем частота мутаций у пыльцевых зерен,экспонированных Ш Солнца.
Эти результаты исследования позволяют сделать вывод, что высокогорная Ш может вызывать мутации., с относительно небольшой частотой, но при условии,когда облучению подвергаются непосредственно пыльцевые зерна. В случае хронического облучения УйР -Солнца вегетирующих растений мутации практически не возникают ни в соматических, ни в генеративных клетках. Очевидно это можно попытаться объяснить практически полным поглощением ИР Солнца покровными тканями растений.
Хорошо известно, что мутационный процесс является поставщиком элементарного эволюционного материала - мутаций. /207/. В опытах с арабидопсисом убедительно показано, что УФР приводит к статистически достоверному возрастанию частоты доминантных эмбриональных летальных мутаций, эволюционное значение которых из-за летальности весьма неопределенно. В этой связи было интересным попытаться ответить на вопрос: может ли высокогорная УФР оказать влияние на элементарную эволюционную структуру - популяцию. С этой целью в опыте использовали ряд гетерозиготных линий, в потомстве которых вщеплялись хлорофилль-ные мутации типа ха. Характерной особенностью этих линий является расщепление по генотипу в соотношении 1:2:1.
Витальные мутации
В опытах с ионизирующими излучениями и химическими мутагенами было выделено большое число жизнеспособных мутантных форм арабидопсиса и хлопчатника. Многие из них отклонялись от нормы по содержанию зеленых и желтых пигментов, а так же и по морфологическим признакам. Более детальная фенотипическая характеристика мутантных форм созданной нами генетической коллекции арабидопсиса дается в приложении к диссертационной работе. Кроме того, для ряда пигментных и пигментно-морфологических мутантов арабидопсиса и хлопчатника нами получены дополнительные данные по цитологическому и физиологе-биохимическому их изучению (подробности см. в гл. III). Поэтому здесь мы ограничимся наиболее общей характеристикой имеющихся в генетической коллекции мутантных форм, существенно отклоняющихся от нотэмы по тэяду фенотипических признаков
- Фенотипическое проявление. Как было показано ранее (см.гл.1), в фенотипических спектрах индуцируемых мутаций значительная часть выпадает на долю хлорофилльных, относящихся к желто-зеленым и светло-зеленым формам. По окраске они образуют непрерывный ряд самых разнообразных оттенков , от почти нормально зеленого цвета, через белесо-желтый вплоть до ярко-желтого цвета.
Значительно реже, однако,встречаются мутанты, которые при одинаковых с нормой условиях культивирования отличаются от нее интенсивной темно-зеленой окраской листьев (например, мутанты арабидопсиса 1084, 2.6.5, ЭМС 26 и др.).
Интересную группу образуют мутанты, у которых на поверхности листа формируются пятна различного размера, с четкими или размытыми очертаниями границ и по-разному окрашенные - от белого, через светло-зеленый и до ярко желтого цвета ( 740п., 42/2, 1.6.18 и др. у арабидопсиса и 826:8, 828:16; 829:16 и др. у хлопчатника).
Большое число хлорофилльных мутантов в нашей коллекции характеризуется изменениями в окраске листьев и растений в онтогенезе. Мутации, обуславливающие такие изменения, относят к группе - variegata Например, ЭМС 33,647, 4.4.10, xav -у арабидопсиса и 1175:6 у хлопчатника). Необходимо отметить, что мутанты 80/13,87/44,317/80 у арабидопсиса и 1175:6 у хлопчатника в определенных условиях выращивания могут полностью утрачивать способность к плодоношению (условно летальные мутации).
Из Рис.29 и 30 можно видеть насколько многообразен характер фенотипического проявления хлорофилльных мутаций, влияющих на окраску листьев арабидопсиса и хлопчатника.
Если при изучении хлорофилльных мутантов проводить учет изменчивости достаточно широкого набора различных признаков, то совершенно четко можно обнаружить плейотропные эффекты действия мутантного гена. Как можно видеть из Табл.22, изменения окраски листьев у ряда хлорофилльных мутантов араби допсиса сопровождаются существенными отклонениями от нормы по росту, развитию и плодовитости.
Желто-зеленые мутанты, которые характеризуются пониженным содержанием хлорофиллов, как правило,по многим признакам уступают контрольным растениям. А среди светло-зеленых форм иногда регистрируются случаи ускорения роста и развития растений, увеличение их плодовитости (см.данные Табл.22).
Сказанное в целом подтверждается и результатами исследования хлорофилльных мутантов хлопчатника (Табл.23).
Мы уже говорили, что хлорофилльные мутации могут плей-отропно влиять на изменчивость ряда фенотипических признаков. В этой связи особенно интересным оказался высокоплодовитый мутант арабидопсиса " triplex"Сtr) Такое обозначение нами дано мутанту потому, что у него на одной плодоножке формируется не по одному, как в норме, а сразу по три стручка. Это приводит к трансформации нормального типа соцветия у арабидопсиса - кисти в кистевидную и метелку (Рис.31,32).
Удивительные метаморфозы обнаружены нами так же и при изучении цветка мутантного растения под бинокулярной лупой. В нем регистрируются различные превращения чашелистиков в лепестки, лепестков в тычиночные нити, тычиночных нитей в пестики и наоборот. Для различных элементов цветка характерной является их большая вариабильность: число чашелистиков изменяется от 2 до 6; лепестков от О до 4 и тычинок от 2 до 6. В определенных условиях культивирования - безлепестковая форма. В этом случае функции венчика переходят к чашелистикам, которые сильно разрастаясь надежно укрывают и предохраняют репродуктивные органы цветка от неблагоприятного влияния факторов окружающей среды. Нередко у мутанта наблюдаются превращения железистых волосков на чашелистиках в тэыльца пестиков опыле ние которых не приводит к образованию завязей и,следовательно, плодов (Рис.33). Помимо всего прочего, в зависимости от условий выращивания розеточные листья растений могут изменять свою ок-раску от светло-зеленог,; до нормально-зеленого цвета. Мутант характеризуется полной пенетрантностью и высокой экспрессивностью гена - tr.
Уже сейчас у нас есть все основания предполагать, что у мутанта изменена гормональная регуляция /215,272,456/. В связи с этим мутант "tr " представляет особый интерес для изучения механизмов гормональной регуляции у растений.
Учитывая, что мутант отличается от нормы так же высокой плодовитостью, он может быть использован и для выяснения моле-кулярно-генетических основ фотосинтетической продуктивности растений.
Необходимо отметить, что в нашей коллекции имеется еще один мутант (315) типа "triplex ", однако у него розеточные листья имеют нормально-зеленую окраску.
Интересный, аналогичный арабидопсису, высокоурожайный мутант - 23:15 "Дуплекс", выделен нами у хлопчатника сорта 108-Ф /25/. Мутант резко отклоняется от нормы по морфологическим и хозяйственно-ценным признакам. У него наблюдается частичное или полное срастание плодоножек, в результате чего образуются двойные коробочки с несросшимися или частично сросшимися коробочками (Рис.34).
Высокорослый мутант "Дуплекс" выделяется необычной облиственностью и своеобразной геометрией в распределении листьев вдоль главного стебля; он так же превосходит норму и по общей ассимиляционной поверхности листьев:
Мутанты арабидопсиса ( tr,3Io) и хлопчатника (23:15) несомненно интересны с точки зрения их научного изучения. Они могут! служить ярким примером плеиотропного характера действия мутантного гена на становление и функционирование различных фенотипических признаков.
- Характер расщепления. При скрещивании хлорофилльных и морфологических мутантов арабидопсиса с контрольными растениями в F- как правило, доминировали признаки дикого типа. Это говорит о рецессивном характере наследования изучаемых мутаций.
Результаты генетического анализа в Fp гибридного потомства, полученного от скрещиваний мутантных растений с контрольными представлены в Табл.24. Из таблицы можно видеть, что большинство гетерозиготных растений расщепляется на нормальные и мутантные в количественных соотношениях, соответствующих схеме моногибридного скрещивания. Следовательно, проанализированные нами мутации, в основном, имеют точковую природу. При изучении в Fp гибридного потомства, полученного от скрещиваний нормальных растений с мутантными ( 40п; 80/2(м); 24/45 и др.), были зарегистрированы случаи статистически достоверного отклонения от соотношения 3:1.
Для выяснения причин, изменяющих проявление закона расщепления, проводили скрещивания указанных и ряда других мутантов с тесторной линией -gl an.
Характер соотношения фенотипов маркированных генами gl и an приведены в Табл.25. Для 10 мутантов из 15 выявлен мен-делевский тип наследования сигнального признака "gl ". Это говорит в пользу того, что третья группа сцепления у анализируемых мутантов не отягощена какими либо летальными факторами. И по сигнальному признаку "an " для 9 из 15 проанализированных мутантов наблюдали нормальное расщепление, что указывает на отсутствие летальных факторов так же в первой хромосомной группе сцепления. По маркеру "an "от скрещиваний мутанта 24/45 в потомстве обнаруживается статистически достоверное отклонение от 3:1.
Три из четырех проанализированных семей характеризовались однотипными отклонениями, связанными с появлением в потомстве повышенной частоты встречаемости рецессивных гомозигот. Следовательно, первая группа сцепления у мутанта 24/45 отягощена летальными факторами.
Характеристика фотосинтетического аппарата мутантных форм растений
При изложении опытных данных предлагается следующая последовательность. Вначале будут приведены результаты изучения генотипической изменчивости содержания пигментов и активности фотосистем хлоропластов, затем дается сравнительная характеристика изменчивости хлорофилла и объема фотосинтетических мембран; завершается раздел описанием мутационной изменчивости интенсивности фотосинтеза.
- Содержание пигментов и активность фотосистем хлоропластов. На примере ряда мутантных форм арабидопсиса и хлопчатника изучали онтогенетическую изменчивость содержания зеленых и желтых пигментов в хлоропластах. Из Табл.40 и 41 можно видеть, что мутации в основном приводят к понижению показателей, характеризующих содержание пигментов в листьях арабидопсиса и хлопчатника на всех изученных нами этапах онтогенетического их развития. Исключение составляет мутант хлопчатника 23/15 - "Дуплекс" , листья которого значительно больше накапливают хлорофилл и каротиноиды по сравнению с нормой. Сравнение наблюдаемых различий по хлорофиллу а, хлорофиллу в и каротиноидам показывает, что мутационные изменения содержания этих пигментов чаще происходят независимо. Онтогенетические изменения изученных показателей в норме и у мутантов в принципе одинаковы: максимумы приходятся на периоды завершения формирования розеточ-ных листьев или же на бутонизацию у арабидопсиса и на фазу цветения у хлопчатника с последующим понижением величин изучаемых показателей.
Поэтому сравнительную характеристику мутантных форм арабидопсиса и хлопчатника, как правило, осуществляют на фазах бутонизации и цветения растений /247/.
Нередко при осуществлении сравнений большого числа мутантов между собой возникает важный с точки зрения методологии постановки опыта вопрос - корректно ли проводить сравнение экспериментальных данных, получаемых в разное время? Правомочность такой постановки вопроса оправдывается значительной трудоемкостью и невозможностью одновременного биохимического исследования большого числа мутантных растений.
В наших опытах, на примере изучения содержания хлорофил-лев и каротиноидов в норме и у ряда мутантов арабидопсиса (расы Еп ифг,)мутанты - Б6, Ч0, 80/2, ІІ7/2) получен однозначный ответ на поставленный выше вопрос - нельзя проводить такого рода сравнения искомых показателей, получаемых в разное время или же в разные дни. Об этом говорят результаты дисперсионного анализа, представленные в Табл.42 и 43.
Таким образом, для объективной интерпретации результатов исследований - биохимические определения состава; и содержания пигментов совершенно необходимо проводить для всех изучаемых мутантов в одно и тоже время.
В Табл.44 приведены результаты изучения генотипической изменчивости арабидопсиса по содержанию хлорофиллев а и . А в Табл.45-результаты статистического анализа этих пигментов у ряда мутантов, выделенных из-расы Enkheim.
Анализируя экспериментальные данные этих таблиц мы приходим к заключению, что мутации могут приводить как к увеличению, так и к уменьшению (в большинстве случаев) содержания хлорофиллов в листьях мутантных растений. Причем изменения в соотношении хлорофиллов а и в происходят независимо или же параллельно.
Активность фотосистем в результате действия мутаций может как увеличиваться, так и уменьшаться, но размах мутационной изменчивости этих показателей, как правило, не выходит за рамки различий, наблюдаемых у экологических рас (Табл.46). Результаты распределения хлорофилла по нативньм формам у исследованных рас и мутантов арабидопсиса представлены в Табл.47 и 48. Расы по изученным показателям практически не отличаются друг от друга. Мутации также в целом незначительно изменяют эту характеристику пигментного аппарата.
Наблюдается снижение относительного содержания формы с максимумом поглощения при 650 нм (мутанты 202/5, 58/15,У-76) что только в двух случаях (202/5 и 58/15) может быть объяснено увеличением отношения хлорофилла а к хлорофиллу . У названных мутантов отмечено увеличение относительного содержания антенных форм хлорофилла а Xлб7J и Хлб7б.
В Табл.49 приведены показатели активности хлоропластов хлопчатника в норме и ряда его мутантов. Эти показатели у всех мутантов, кроме 23/15 в фазе цветения и плодообразования, меньше чем у исходного сорта. Онтогенетическая изменчивость активности фотосистем, подобно изменчивости характеристик пигментной системы, у мутантов и исходного сорта одинакова,
- Взаимосвязь между содержанием хлорофилла и объемом фотосинтетических мембран. При изучении состава и содержания фотосинтетических пигментов мы поставили перед собой задачу выяснения их роли в формировании структуры хлоропластов. Располагая морфометрическими данньми анализа мембранных систем хлоропластов, с одной стороны, и количественньми характеристиками в содержании хлорофиллов - с другой, мы провели оценку степени корреляционной взаимосвязи между этими двумя показателями (Рис. 43). Полученный коэффициент ранговой корреляции, Р= 0.83-П, указывает, что между объемом мембран и содержанием зеленых пигментов существует тесная взаимосвязь. Из Рис.43 можно видеть, что экстраполяционная кривая, характеризующая связь объема фотосинтетических мембран с хлорофиллами, пересекает ось ординат значительно выше нулевой точки. При этом создается впечатление, что еще при полном отсутствии хлорофилла хлоропласты уже имеют определенное количество мембран. Однако, вычисление коэффициента регрессии (в=19.49 4.58) и достоверности линии регрессии (на Рис.43 пунктирная линия) указывает на ошибочность принятия такого заключения.
Наши экспериментальные данные скорее всего согласуются с мнением о том, что при отсутствии хлорофиллов не могут формироваться фотосинтетические мембраны /211/.
- Интенсивность фотосинтеза. Работами ряда исследователей показано, что потенциальная интенсивность фотосинтеза (ПВД является генетически обусловленным показателем вида /65,66,117, 121/. При этом под ПИШ подразумевается максимально возможная работоспособность фотосинтетического аппарата, которая может быть достигнута при выращивании растений определенных генотипов, в оптимальных условиях света, температуры, водного режима, а так же при насыщающей фотосинтез концентрации углекислоты /66/.
Так как фотосинтез является важнейшим процессом жизнедеятельности растений, то можно предположить, что в эволюции отдельных форм в результате действия стабилизирующего отбора величины указанного показателя у разных видов растений изменялись по-разному. Эта точка зрения впоследствии подтвердилась, в связи с чем ПИШ предлагают использовать для характеристики видовой специфичности /116/.
Нами изучался характер изменчивости ПИШ у ряда видов арабидопсиса и экологических рас арабидопсис Талиана, произрастающих в Таджикистане (Табл.50).
Виды и экотипы арабидопсиса существенно отличаются друг от друга не только по длительности периодов их вегетации, насыщающей фотосинтез освещенности,- , оптимальной температуре фотосинтеза, но и по географическим условиям мест произрастания. Однако, эти различия незначительно повлияли на показатели ПШ у четырех изучавшихся нами видов. Практически полностью отсутствовали различия по указанному показателю, если сравнивали экотипы одного и того же вида арабидопсис , Талиана между собой (Табл.50). По-видимому, в этом случае, несмотря на большие генотипические различия изучавшихся форм, стабилизирующий отбор привел к выравниванию величин и не только у разных видов арабидопейса, но и внутри одного вида арабидопейс Талиана при сравнении его различных экотипов между собой.
Все же при резком изменении генотипа растений, вызываемом мутациями в ядерных генах могут быть выявлены статистически достоверные различия между мутантными растениями по индексам потенциальной интенсивности фотосинтеза (Табл.51),
Из таблицы видно, что два мутанта 2/12 и 2/19 превосходили норму, а формы - 73 и 12.5.(17) уступают ей по индексу ПИФ. Во всех остальных случаях статистически достоверных отклонений от нормы по указанному показателю не было обнаружено.
