Сравнительный анализ пигментного комплекса флаговых листьев голозерного и пленчатого овса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока

Сравнительный анализ пигментного комплекса флаговых листьев голозерного и пленчатого овса

Лисицын Е.М.

Аннотация

В серии полевых опытов 2015-2017 гг. на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве выращивали 10 селекционных образцов пленчатого и 7 селекционных образцов голозерного овса. Проведенные исследования показали значительные различия в структурном и количественном составе пигментного комплекса флаговых листьев голозерных и пленчатых образцов овса в фазу цветения. Пленчатые формы содержали 12,54 ± 0,35 мг хлорофилла а в грамме сухого вещества листьев, а голозерные формы - 13,10 ± 0,32 мг. Отмечены значимые различия в количественном распределении пигментов между реакционными центрами (РЦ) фотосистем и их светособирающими комплексами (ССК). Голозерные образцы содержали статистически значимо большее количество пигмента в составе ССК, а пленчатые формы - в реакционных центрах фотосистем: в ССК - 9,53 ± 0,30 и 8,44 ± 0,30 мг/г, в РЦ - 3,57 ± 0,07 и 4,11 ± 0,10 мг/г, соответственно. Большая доля хлорофилла а в РЦ фотосистем пленчатых овсов может быть причиной различий в средних массах зерна с метелки пленчатых и голозерных образцов (1,76 ± 0,02 и 1,37 ± 0,02 г, соответственно) и в массе 1000 зерен (38,56 ± 0,32 для пленчатых и 29,70 ± 0,32 г для голозерных образцов). Среднее содержание хлорофилла b в листьях пленчатых образцов овса (7,03 ± 0,25 мг/г) было на 13,1% ниже, чем у голозерных образцов (7,95 ± 0,25 мг/г), что также свидетельствует о меньшей эффективности преобразования солнечной энергии в органическое вещество в хлоропластах флаговых листьев голозерных образцов овса, по сравнению с пленчатыми образцами. Различия в массовом соотношении хлорофиллов а/б (1,73 ± 0,02 у голозерных образцов и 1,92 ± 0,04 у пленчатых образцов) также указывают на большие по размеру антенные комплексы фотосистемы II у голозерных овсов. Не обнаружено статистически значимых отличий в содержании каротиноидов между голозерными и пленчатыми овсами; содержание их составило, соответственно, 3,15 ± 0,05 и 3,18 ± 0,08 мг/г сухого вещества. Массовое соотношение хлорофилл / каротиноиды было выше у голозерных овсов, чем у пленчатых: соответственно, 6,65 ± 0,08 и 6,09 ± 0,10. Таким образом, пигментные комплексы флаговых листьев пленчатых и голозерных образцов овса отличаются не только по количественному содержанию, но и по структурной организации. пигментный овес цветение

Ключевые слова: ХЛОРОФИЛЛ, КАРОТИНОИДЫ, РЕАКЦИОННЫЙ ЦЕНТР, СВЕТОСОБИРАЮЩИЙ КОМПЛЕКС, МАССА ЗЕРНА С МЕТЕЛКИ, МАССА 1000 ЗЕРЕН

Изменения климата, происходящие не только в глобальном масштабе, но и на менее крупных территориях, например, в пределах одной области, заставляют исследователей и селекционеров вносить изменения в имеющиеся или разрабатывать новые модели сортов сельскохозяйственных культур. Существующие подходы к разработке подобных моделей подразумевают научное обоснование использования тех или иных морфо-физиологических параметров, наилучшим образом отражающих адаптацию растений к условиям вегетации и требования производства в конкретном месте выращивания [1, 2]. На первом этапе проводится генетический и физиолого-экологический анализ исходного материала, с учетом конкретных почвенно-климатических условий, для которых планируется выведение нового сорта. Чаще всего в моделях сортов учитываются простые, легко оцениваемые показатели, такие как структурные элементы продуктивности [3-5]. Более сложные параметры (устойчивость к болезням или к абиотическим стрессорам) определить гораздо сложнее. Учитывая, что в адаптации растений к стрессовым воздействиям абиотической природы устойчивость их фотосинтетического аппарата играет ключевую роль [6], одним из важнейших направлений исследований должен стать структурно-функциональный анализ пигментного комплекса листьев коллекционных и селекционных образцов зерновых культур.

Растительные пигменты (хлорофиллы a и b, каротиноиды, антоцианы и т.д.) играют жизненно важную роль в деятельности земной биосферы и поддержании жизни на планете посредством участия в реакциях фотосинтеза [7]. Молекулы хлорофиллов осуществляют конверсию солнечной радиации в запасаемую химическую энергию посредством улавливания квантов света, передачи уловленной энергии в реакционные центры фотосистем и разделения зарядов в пределах реакционных центров [8].

Количество фотосинтетических пигментов в листьях зерновых культур является наследуемым признаком сорта, имея при этом свою возрастную и структурную динамику. Обычно содержание хлорофиллов возрастает от нижних к верхним и становится максимальным у флагового листа в фазу цветения [1]. Создание новых, более продуктивных сортов зерновых культур часто связано именно с количественными изменениями пигментного состава листьев. Например, сорта озимой пшеницы интенсивного типа в 1965-2004 гг. выводились с параллельным повышением содержания каротиноидов и хлорофиллов в листьях в течение вегетации [9].

Активно внедряющиеся в последние годы методы дистанционной оценки содержания хлорофилла в листьях растений [10, 11] имеют тот общий недостаток, что с их помощью определяется содержание суммарного хлорофилла и вовсе не принимаются во внимание вспомогательные пигменты, вносящие свой вклад в физиологию фотосинтеза. Авторы считают, что анализ содержания хлорофиллов и каротиноидов в растениях позволяет получить информацию о том, за счет каких конкретно пигментов происходит рост продуктивности, формируется высокий уровень урожайности и качества получаемого зерна.

Цель работы: сравнительный анализ пигментного комплекса флаговых листьев голозерного и пленчатого овса.

Материалы и методы

В серии полевых опытов 2015-2017 гг. на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве Фаленской селекционной станции - филиала ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока выращивали 10 селекционных образцов пленчатого и 7 селекционных образцов голозерного овса, созданных в отделе селекции овса ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока. Наименования образцов приведены в таблицах.

Растения выращивали в соответствии с [12].

Для качественного и количественного анализа пигментного состава с двадцати пяти индивидуальных растений четырех повторностей каждого образца отбирали флаговые листья в фазу начала цветения. Оценку содержания пигментов (хлорофилл a, хлорофилл b, каротиноиды) осуществляли с использованием спектрофотометра UVmini-1240 (SHIMADZU Corporation, Japan). Выделение пигментов и расчет их содержания проводили по методике [13] в ацетоновых вытяжках (100% ацетон). Полученные данные обрабатывали статистически с использованием пакетов программ Microsoft Office Excel 2007.

Результаты и обсуждение

Преобладающей формой хлорофилла в наземных растениях является хлорофилл а, представленный как в реакционных центрах фотосистем, так и в их светособирающих комплексах [14].

Среднее содержание хлорофилла а во флаговых листьях голозерных и пленчатых образцов овса значимо отличалось только в условиях 2016 г., когда голозерные формы накапливали в фазу цветения на 9% больше этого пигмента (табл. 1).

Таблица 1. Содержание хлорофилла а во флаговом листе овса, мг/г сухой массы

В остальные два года различия между разными формами овса были незначимы. В среднем за годы исследования пленчатые формы содержали во флаговых листьях в фазу цветения 12,54 ± 0,35 мг хлорофилла а в грамме сухого вещества листьев, а голозерные формы - 13,10 ± 0,32 мг. Вариабельность по годам исследований была выше у сортов пленчатого овса: средний коэффициент вариации содержания хлорофилла а в листьях составил 12,1%, тогда как для голозерных образцов - 9,6%. Пленчатые образцы 378h08, И-4584 и голозерный образец 683h05 показали стабильное по годам содержание пигмента (вариабельность менее 5%). Сильнее всего на изменение условий выращивания реагировали пленчатые образцы 168h10 (коэффициент вариации по годам - 17,3%), И-4595 (18,3%) и И-4618 (27,6%).

Однако можно отметить различия в количественном распределении этих пигментов между реакционными центрами (РЦ) фотосистем и их антенными светособирающими комплексами (ССК). В целом голозерные образцы содержали статистически значимо большее количество пигмента в составе ССК антенн, а пленчатые формы - в реакционных центрах фотосистем: в ССК - 9,53 ± 0,30 и 8,44 ± 0,30 мг/г, в РЦ - 3,57 ± 0,07 и 4,11 ± 0,10 мг/г, соответственно.

Вероятно, большая доля хлорофилла а в РЦ фотосистем, где и происходит процесс превращения световой энергии в химическую, идущую на синтез органического вещества, привел к тому, что средняя масса зерна с метелки пленчатых образцов овса на 28,5% превышала аналогичный показатель для голозерных образцов (1,76 ± 0,02 и 1,37 ± 0,02 г, соответственно). Различия в массе 1000 зерен - примерно такого же уровня: 29,4% (38,56 ± 0,32 для пленчатых и 29,70 ± 0,32 г для голозерных образцов).

Хлорофилл b присутствует в листьях высших растений только в составе светособирающих комплексов фотосистем и, в отличие от хлорофилла а, не играет роли первичного донора электронов в реакционных центрах [14]. Его среднее содержание в листьях пленчатых образцов овса за время исследований составило 7,03 ± 0,25, а у голозерных образцов - 7,95 ± 0,25 мг/г сухого вещества, т.е. на 13,1% выше (табл. 2).

Эти данные также могут свидетельствовать о меньшей эффективности преобразования солнечной энергии в органическое вещество в хлоропластах флаговых листьев голозерных образцов овса, по сравнению с пленчатыми образцами.

Вариабельность содержания пигмента по годам была значимо выше для группы пленчатых образцов (21,5%), чем для голозерных (17,9%). Сильной реакцией на условия выращивания обладали образцы пленчатого овса 168h10 (коэффициент вариации 28,9%) и И-4618 (32,1%). Наибольшую устойчивость содержания пигмента среди набора пленчатого овса показал образец И-4584 (10,2%), среди голозерных овсов - образец 683h05 (11,0%).

Таблица 2. Содержание хлорофилла b во флаговом листе овса, мг/г сухой массы

Сравнение среднего содержания хлорофиллов во флаговых листьях растений овса по годам исследования показало независимость накопления пигментов от климатических условий роста. Известно, что оптимальной температурой для синтеза хлорофиллов является 30оС [15], поэтому, учитывая, что средняя температура июля за годы исследований составила 14,8 (2015 г.), 20,0 (2016 г.) и 17,2 оС (2017 г.), можно было ожидать наибольшего накопления пигментов в 2016 г., а наименьшего - в 2015 г. Второй фактор, количество выпавших осадков, также тесно связан с процессами синтеза хлорофиллов [16]. Недостаток воды в листьях приводит к разрушению молекул хлорофилла, поэтому можно было ожидать значимых различий в накоплении хлорофиллов в листьях растений в 2015 и 2016 гг.: ГТК июля в 2015 г. составил 1,45 (избыточное увлажнение), а в 2016 г. - только 0,32 (сильная засуха). Июль 2017 г. по условиям увлажнения был близок к 2015 г. (ГТК = 1,32). Эти несовпадения теоретически ожидаемых результатов и фактически полученных данных требуют дальнейшего исследования.

Кроме общего содержания разных форм хлорофилла, информацию об экологической устойчивости растения может дать такой параметр, как массовое соотношение хлорофиллов a и b. Этот параметр широко используется, например, в экологических исследованиях [17] и связывается с адаптацией к условиям освещенности местообитания.

В обзорном анализе влияния внешних факторов на состав пигментного комплекса высших растений [18] пришли к выводу, что самые разнообразные стрессовые факторы (низкие или высокие температуры, засуха, засоленность субстрата, озон, диоксид углерода, сезон года) оказывают относительно слабое влияние на соотношение хлорофиллов a и b, основное влияние оказывает такой фактор, как свет. Поскольку исследуемый набор образцов овса выращивался в одинаковых условиях освещенности, различия в соотношении пигментов должны отражать генетическую структуру этих образцов.

Обычно для растений характерно соотношение хлорофиллов a/b в диапазоне 2,5-4,0 [19]. Поскольку светособирающий пигмент-белковый комплекс фотосистемы I (LHC-I) имеет стабильное соотношение этих пигментов, равное трем, вся вариабельность величин этого соотношения в целом листе объясняется изменением состава светособирающего комплекса фотосистемы II (LHC-II) [20].

В целом у голозерных овсов соотношение содержания хлорофиллов а/б во все три года наблюдений было статистически значимо ниже, чем у пленчатых сортов овса, соответственно: 1,73 ± 0,02 и 1,92 ± 0,04. Эти данные могут быть интерпретированы в том смысле, что у голозерных овсов хлоропласты флаговых листьев в фазу цветения имеют большие по размеру антенные комплексы фотосистемы II. Низкие величины параметра могут быть связаны с преобладанием облачной погоды в течение недели до отбора проб. Согласно данным сайта https://yandex.ru/pogoda/101105/month/july, в среднем за последние 10 лет в июле в Фаленках наблюдалось только 11 ясных дней. А сайт http://www.meteo-tv.ru/rossiya/kirovskaya-obl/falenki/weather/climate/ указывает, что в среднем за 1961-2010 гг. в указанной местности 12-14 дней июля имеют осадки. Поскольку основная роль фотосистемы II связана с процессами фотолиза воды, можно предположить, что влагообеспечение флаговых листьев овса находилось на высоком уровне, вероятно, даже с превышением оптимальных величин, что и потребовало большего прихода световой энергии в фотосистему, т.е. увеличения размеров ее антенных комплексов.

Что касается влияния условий разных лет, то по данному параметру у обоих видов овса пигментные комплексы были схожими в 2015 и 2016 гг. В условиях 2017 г. соотношение хлорофиллов во флаговых листьях растений было в 1,4-1,5 раза выше.

Важной частью фотосинтетического аппарата листьев высших растений являются каротиноиды: они могут улавливать световую энергию в тех частях спектра, которая слабо используется хлорофиллами; в условиях переизбытка поглощенной энергии именно каротиноиды рассеивают его в виде тепла, защищая таким образом реакционные центры от фотоповреждения [14]. В целом даже в оптимальных условиях роста и развития только около 80% поглощенной световой энергии используется в процессе фотосинтеза; под влиянием средовых факторов и физиологического состояния растения эта величина может снижаться в большей степени [21].

В исследуемом наборе образцов нами не было обнаружено статистически значимых отличий в содержании каротиноидов между голозерными и пленчатыми овсами; содержание вспомогательных пигментов фотосинтеза во флаговых листьях составило, соответственно, 3,15 ± 0,05 и 3,18 ± 0,08 мг/г сухого вещества (табл. 3).

Таблица 3. Содержание каротиноидов во флаговом листе овса, мг/г сухой массы

Варьирование признака по годам исследования у голозерных овсов было на уровне ошибки опыта: только у двух образцов оно превысило 5% (образец 857h05 - 5,6%, образец 629h09 - 5,7%). Среди набора пленчатых образцов вариабельность признака была выше, достигая 11,5% у образца И-4595 и 21,0% у образца И-4618. У остальных образцов коэффициент вариации колебался от 2,5 (образец 3h14) до 9,1% (образец 168h10).

В экологических и селекционных исследованиях процесса фотосинтеза часто используется такой показатель работы пигментного аппарата, как массовое соотношение хлорофилл / каротиноиды. Чаще всего это соотношение используют для оценки степени разрушения молекул хлорофилла, так как в процессе старения листа или в ходе реакции на стресс хлорофиллы разрушаются раньше, чем каротиноиды, вследствие чего показатель массового соотношения пигментов снижается [22].

В наших исследованиях это соотношение во все годы наблюдений было выше у голозерных овсов, чем у пленчатых: соответственно, 6,65 ± 0,08 и 6,09 ± 0,10. Это может указывать на благоприятные условия для синтеза пигментов (отсутствие стрессов и повреждений листовых пластинок), а также на то, что флаговые листья в это время активно росли и функционировали. В 2017 г. значение параметра было значимо ниже, чем в 2015 и 2016 гг. (в 1,4 раза), не выходя, тем не менее, за нижние пределы нормы для растений открытых местообитаний.

Выводы

Проведенные в 2015-2017 гг. исследования показали значительные различия в структурном и количественном составе пигментного комплекса флаговых листьев голозерных и пленчатых образцов овса в фазу цветения.

Пленчатые формы содержали 12,54 ± 0,35 мг хлорофилла а в грамме сухого вещества листьев, а голозерные формы - 13,10 ± 0,32 мг. Вариабельность показателя по годам исследований составила у сортов пленчатого овса 12,1%, у голозерных образцов - 9,6%. Голозерные образцы содержали статистически значимо большее количество пигмента в составе ССК, а пленчатые формы - в реакционных центрах фотосистем: в ССК - 9,53 ± 0,30 и 8,44 ± 0,30 мг/г, в РЦ - 3,57 ± 0,07 и 4,11 ± 0,10 мг/г, соответственно.

Среднее содержание хлорофилла b в листьях пленчатых образцов овса (7,03 ± 0,25 мг/г) было на 13,1% ниже, чем у голозерных образцов (7,95 ± 0,25 сухого вещества). Вариабельность содержания пигмента по годам была значимо выше для группы пленчатых образцов (21,5%), чем для голозерных (17,9%).

У голозерных овсов соотношение содержания хлорофиллов а/б было статистически значимо ниже, чем у пленчатых сортов овса: соответственно, 1,73 ± 0,02 и 1,92 ± 0,04.

Не было обнаружено статистически значимых отличий в содержании каротиноидов между голозерными и пленчатыми овсами; содержание вспомогательных пигментов фотосинтеза во флаговых листьях составило, соответственно, 3,15 ± 0,05 и 3,18 ± 0,08 мг/г сухого вещества.

Соотношение содержания хлорофилл / каротиноиды было выше у голозерных овсов, чем у пленчатых: соответственно, 6,65 ± 0,08 и 6,09 ± 0,10.

Список использованных источников

Кумаков В.А. Физиологическое обоснование моделей сортов пшеницы. - М.: Агропромиздат. - 1985. - 270 с.

Гребенникова И.Г., Алейников А.Ф., Степочкин П.И. Построение модели сорта яровой тритикале на основе современных информационных технологий // Вычислительные технологии. - 2016, т. 21. - С. 53-64.

Баталова Г.А. Овес в Волго-Вятском регионе. - Киров: ООО Орма. - 2013. - 288 с.

Коряковцева Л.А., Волкова Л.В. Обоснование параметров модели высокоурожайного сорта яровой мягкой пшеницы для условий Нечерноземной зоны России // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2014, №6 (43). - С. 13-18.

Щенникова И.Н. Модели сортов ярового ячменя для условий Волго-Вятского региона // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2015, №6 (49). - С. 9-13.

Креславский В.Д., Карпентиер Р., Климов В.В., Мурата Н., Аллахвердиев С.И. Молекулярные механизмы устойчивости фотосинтетического аппарата к стрессу // Биологические мембраны. - 2007, том 24, № 3. - С. 195-217.

Croft H., Chen J.M. Leaf pigment content // In book: Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences. Oxford: Elsevier Inc. - 2017. - P. 1-22. DOI: 10.1016/B978-0-12-409548-9.10547-0.

Chen M. Chlorophyll Modifications and Their Spectral Extension in Oxygenic Photosynthesis // Annual Review of Biochemistry. - 2014, no. 83. - P. 317-340. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-072711-162943,

Тарасенко С., Живлюк Е. Пигментный состав сортов мягкой озимой пшеницы // Наука и инновации. - 2009, № 7 (77). - С. 25-28.

Houborga R., McCabea M.F., Cescattib A., Gitelson A.A. Leaf chlorophyll constraint on model simulated gross primary productivity in agricultural systems // International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. - 2015, no. 43. - Р. 160-176. http://dx.doi.org/10.1016/j.jag.2015.03.016.

Li X., Xiao J., He B. Chlorophyll fluorescence observed by OCO-2 is strongly related to gross primary productivity estimated from flux towers in temperate forests // Remote Sensing of Environment. - 2018, no. 204. - P. 659-671. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.09.034.

Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. - М. - 1985, вып. 1. - 270 с.

Lichtenthaler Н.К., Buschmann C. Chlorophylls and carotenoids: measurement and characterization by UV-VIS spectroscopy // Current protocols in food analytical chemistry. - 2001. - F. 4.3.1-F. 4.3.8.

Croce R., van Amerongen H. Natural strategies for photosynthetic light harvesting // Nature Chemical Biology. - 2014, no. 10. - P. 492-501. https://doi.org/10.1038/nchembio.1555.

Nagata N., Tanaka R., Satoh S., Tanaka A. Identification of a vinyl reductase gene for chlorophyll synthesis in Arabidopsis thaliana and implications for the evolution of Prochlorococcus species // Plant Cell. - 2005, no. 17. - P. 233-240. doi: 10.1105/tpc.104.027276.

Li Y., He N., Hou J., Xu L., Liu C., Zhang J., Wang Q., Zhang X. Wu X. Factors Influencing Leaf Chlorophyll Content in Natural Forests at the Biome Scale // Front. Ecol. Evol. - 2018, no. 6. - P. 64. doi: 10.3389/fevo.2018.00064.

Li Y., Liu C., Zhang J., Yang H., Xu L., Wang Q., Sack L., Wu X., Hou J., He N. Variation in leaf chlorophyll concentration from tropical to cold-temperate forests: Association with gross primary productivity // Ecological Indicators. - 2018, no. 85. - Р. 383-389. http://dx.doi.org/10.1016/j.ecolind.2017.10.025.

Esteban R., Barrutia O., Artetxe U., Fernбndez-Marнn B., Hernбndez A., Garcнa-Plazaola J.I. Internal and external factors affecting photosynthetic pigment composition in plants: A meta-analytical approach // New Phytologist. - 2015, no. 206. - Р. 268-280. https://doi.org/10.1111/nph.13186.

Richardson A.D., Duigan S.P., Berlyn G.P. An evaluation of noninvasive methods to estimate foliar chlorophyll content // New Phytologist. - 2002, no. 153. - P. 185-194. https://doi.org/10.1046/j.0028-646X.2001.00289.x.

Biswal A.K., Pattanayak G.K., Pandey S.S., Leelavathi S., Reddy V.S., Govindjee, Tripathy B.C. Light Intensity-Dependent Modulation of Chlorophyll b Biosynthesis and Photosynthesis by Overexpression of Chlorophyllide a Oxygenase in Tobacco // Plant Physiology. - 2012, v. 159. - P. 433-449. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.112.195859.

Buschmann C. Variability and application of the chlorophyll fluorescence emission ratio red/far-red of leaves // Photosynthesis Research. - 2007, no. 92. - Р. 261-271. https://doi.org/10.1007/s11120-007-9187-8.

Junker L.V., Ensminger I. Relationship between leaf optical properties, chlorophyll fluorescence and pigment changes in senescing Acer saccharum leaves // Tree Physiology. - 2016, no. 36. - Р. 694-711. https://doi.org/10.1093/treephys/tpv148.

Цитирование

Лисицын Е.М. Сравнительный анализ пигментного комплекса флаговых листьев голозерного и пленчатого овса // АгроЭкоИнфо. - 2019, №2. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2019/2/st_205.doc.

Размещено на Allbest.ru