Роль фотодихання в регуляції фотосинтезу рослин

Отже, висока фотосинтетична продуктивність удобрених рослин у фазу цвітіння була зумовлена, в першу чергу, розмірами листка, але не інтенсивністю фіксації СО₂ одиницею асимілюючої поверхні. Ефект збільшення маси вегетативних органів і площі асиміляційної поверхні відомий як один з найхарактерніших результатів дії азотних добрив. В той же час активність асиміляції СО₂ одиницею поверхні прапорцевого листка дуже тісно негативно залежала від його розмірів (r = -0,987). Дана залежність узгоджується із зазначеною вище, виявленою для обумовленої генотипом варіабельності розмірів листка.

В ході подальшого розвитку інтенсивність фотосинтезу в неудобрених рослин різко знижувалася, а в удобрених залишалась незмінною або це зниження було слабшим. У фазу молочної стиглості швидкість асиміляції СО₂ цілим прапорцевим листком удобрених рослин була в 3-5 разів вищою, ніж у неудобрених, забезпечуючи значну перевагу в формуванні зернової продуктивності.

На відміну від фотосинтезу активність фотодихання в рослин удобрених варіантів не відрізнялась або перевищувала контроль, особливо у фазу молочної стиглості (9, В). Рівень фотодихання відносно фотосинтезу також був істотно вищим за винятком рослин, удобрених гноєм. При цьому інтенсивність фотодихання слабо негативно корелювала з активністю фотосинтезу на одиницю площі (r = -0,306), але позитивно з площею листка і фотосинтетичною активністю всього листка (r становив 0,445 і 0,645 відповідно). Ці залежності були значно сильніше вираженими для відносного рівня фотодихання з коєфіцієнтами кореляції відповідно -0,788, 0,866 і 0,920. Характерно, що показники активності фотодихання у фазу цвітіння вже позитивно корелювали з інтенсивністю фотосинтезу, виміряною в фазу молочної стиглості ( r дорівнював 0,577 і 0,603 відповідно для абсолютних і відносних величин).

Удобрення рослин озимої пшениці сорту Киянка мікроелементом літієм збільшувало площу прапорцевого листка і підвищувало його фотосинтетичну активність в репродуктивний період розвитку рослин, що супроводжувалось збільшенням їх зернової продуктивності (табл. 5). Під впливом літію активність фотодихання прапорцевого листка зростала і була істотно вищою за котроль, починаючи з фази цвітіння до фази воскової стиглості. При цьому посилення фотодихання в дослідних варіантах було більшим за підвищення фотосинтезу. Рівень фотодихання відносно фотосинтезу в удобрених літієм рослин зростав в середньому на 30 %.

Таблиця 5. Вплив літію на площу поверхні (см²), інтенсивність фотосинтезу і фотодихання прапорцевого листка (мг СО₂ /(дм²год)) та зернову продуктивність колоса (г) озимої пшениці сорту Киянка

Слід зазначити, що в даному експерименті активізація фотосинтезу у фазу цвітіння позитивно корелювала із збільшенням площі поверхні прапорцевого листка (r = 0,823) і обидва показники позитивно корелювали із зерновою продуктивністю (r становив відповідно 0,977 i 0,715), що свідчить про відсутність суттєвого продуктного інгібування фотосинтезу в даний період і високу здатність до тимчасового депонування асимілятів у даного сорту. Активність фотодихання також позитивно корелювала з інтенсивністю фотосинтезу, причому тіснота зв'язку зростала в період наливу зерна (r дорівнював 0,540 у фазу колосіння і 0,900 у фазу молочної стиглості). Середня за вивчений період інтенсивність фотодихання також корелювала дещо тісніше з масою 1000 зерен (r = 0,762), ніж з кількістю зерен у колосі (r = 0,668).

Таким чином, показано, що фотодихання хоча і знижує ефективність фотосинтезу, однак не є основним чинником, який визначає міжсортові і міжвидові відмінності за активністю асиміляції СО₂ в рослин пшениці,. Інтенсивність асиміляції СО₂ визначається головним чином тісно скоординованими карбоксилазною активністю РБФК/О та швидкістю регенерації РБФ в циклі Кальвіна, які, в свою чергу, можуть регулюватися станом донорно-акцепторного балансу в рослині. Накопичення асимілятів у листку чи зменшення їх використання стимулюють активність фотодихання, створюючи умови, що посилюють декарбоксилування інтермедіатів гліколатного метаболізму. Разом з тим, активізація фотодихання корелює з підтриманням активності фотосинтетичного апарату протягом репродуктивного періоду розвитку рослин, чим забезпечує кращу виповненість зерна і вищу зернову продуктивність колоса.

4. ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МІЖ ФОТОДИХАННЯМ, ФОТОСИНТЕЗОМ І ПРОДУКТИВНІСТЮ РОСЛИН ЗА УМОВ ПОСУХИ

Вплив грунтової посухи на асиміляцію СО₂, фотодихання і продуктивність сортів пшениці різної посухостійкості. Дослідження проводили в умовах вегетаційного досліду. В контpольному ваpiантi пpотягом всiєї вегетацiї вологiсть гpунту в посудинах пiдтpимували на piвнi 60-70 % повної вологоємностi (ПВ). Посуху створювали припиненням поливу в фазу колосіння, знижуючи вологiсть гpунту до piвня 30 % ПВ, який пiдтpимували пpотягом наступних 7-ми дiб. Пiсля цього полив поновлювали, пiдтpимуючи вологiсть гpунту на piвнi контpолю.

Динаміку СО₂-газообміну на початкових етапах посухи вивчали в двох сортів ярої м'якої пшениці: Харківська 2 (чутливий до посухи) і Саратовська 29 (стійкіший). Припинення поливу вже протягом одної доби спричинювало зниження активності асиміляції СО₂ на 20 % у прапорцевого листка Харківської 2, незважаючи на відсутність ознак погіршення його водного режиму. На третій день експерименту, за умов помірної посухи, інтенсивність асиміляції СО₂ знижувалася вже в обох сортів, однак порушення водного режиму і фотосинтезу були набагато сильніше виражені в сорту Харківська 2 (табл. 6). При цьому інтенсивність фотодихання в листках стійкішого сорту Саратовська 29 зростала, а в сорту Харківська 2 знижувалася. Зазначені зміни параметрів СО₂-газообміну не були зумовлені закриттям продихів, оскільки С_і в листках практично не відрізнялася від контролю.

Таблиця 6. Показники водного режиму та СО₂-газообміну на світлі в прапорцевого листка рослин контрастних за стійкістю сортів ярої пшениці на 3-ю добу після припинення поливу (вологість грунту: контроль - 70 %, посуха - 37,5%)

В іншому досліді вивчали вплив 7-добової посухи за вологості грунту 30 % ПВ на фотосинтез, фотодихання і зернову продуктивність у посухостійкого сорту озимої пшеницi Одеська 162 i менш стiйкого сорту Миpлебен (табл. 7). Тривала посуха майже в 5 разів знижувала швидкість асиміляції СО₂ в сорту Мирлебен і в 1,8 раза в сорту Одеська 162. При цьому інтенсивність фотодихання в стійкішого сорту залишалась незмінною, а в менш стійкого знижувалася.

Таблиця 7. Вплив грунтової посухи на показники СО₂-газообміну на світлі (мг СО₂/(дм²год)) у прапорцевого листка і масу зерна головного пагона (г) рослин контрастних за стійкістю сортів озимої пшениці

Отримані результати свідчать, що і за умов посухи фотодихання не є головним чинником зниження інтенсивності фотосинтезу. Вищі значення інтенсивності фотодихання були характерними для сортів, що менше знижували фотосинтетичну активність при підвищенні водного дефіциту. Очевидно, що висока активність фотодихання і асиміляції СО₂ забезпечувала повніше використання енергетичних еквівалентів і знижувала ризик фотоінгібування та фотодеструкції у стійкішого сорту за стресових умов. Так, у соpту Одеська 162 справжній фотосинтез, розрахований як сума видимого СО₂-газообміну і фотодихання, знижувався в 1,6 pаза, а в Миpлебен - в 3,1 pаза. Як наслідок, після поновлення поливу в дослідних рослин Одеської 162 інтенсивність асиміляції СО₂ була майже однаковою з контролем вже через добу, а в Мирлебен на даний час вона була на 40 % меншою за контроль.

Зниження асиміляції СО₂ в період посухи мало істотне значення для формування зернової продуктивності рослин. Інтенсивність фотосинтезу прапорцевого листка на 7-й день посухи тісно позитивно корелювала з масою зерна колоса (10). Позитивна кореляція з зерновою продуктивністю відзначена і для фотодихання.

В експериментах з 4-тижневими рослинами 8 сортів озимої пшениці різної посухостійкості (Донська напiвкаpликова, Альбатpос одеський, Символ одеський, Одеська 162, Ювiлейна 75, Мирлебен, Циганка і Лютесценс 7) вивчали зв'язок між змінами інтенсивності фотосинтезу, фотодихання і відносної швидкості росту, індукованими 7-добовою посухою (30% ПВ). Як видно з 11, зміни активності фотодихання за умов водного дефіциту тісно позитивно корелювали зі ступенем збереження фотосинтетичної активності (інтенсивності справжнього фотосинтезу) та змінами відносної швидкості росту рослин. Слід зазначити, що інтенсивність фотодихання тісніше позитивно корелювала з інтенсивністю видимого фотосинтезу в рослин дослідного варіанта ( r = 0,781), ніж у контрольного ( r = 0,519).

Фотодихання дійсно має важливе значення для захисту від фотоінгібування і підтримання активного стану фотосинтетичного апарату за різкого обмеження асиміляції СО₂. Це прямо показали експерименти, в яких прапорцевий листок 4-х сортів ярої м'якої пшениці у фазу цвітіння опромінювали протягом 4-х годин світлом високої інтенсивності (400 Вт/м²) в повітрі без СО₂. Ступінь інгібування асиміляції СО₂ в даних умовах для різних сортів залежав від активності фотодихання в їхніх листках. Відносний рівень фотосинтезу після світлової обробки тісно корелював з інтенсивністю фотодихання, виміряною при атмосферній концентрації СО₂ на початку експерименту і після експозиції на яскравому світлі (12).

Водночас, дослідження метаболізму ¹⁴С у рослин пшениці не виявили значущого впливу посилення фотодихання за водного дефіциту на співвідношення швидкостей синтезу різних продуктів фотосинтезу, зокрема амінокислот і вуглеводів.

Вплив грунтової посухи на асиміляцію СО₂, фотосинтетичний метаболізм, експорт і розподіл асимілятів у рослин винограду. На відміну від пшениці специфічні зміни фотосинтетичного метаболізму, спряжені з гліколатним обміном, спостерігалися в умовах посухи в рослин винограду. Жорстка тривала посуха в даному досліді різко інгібувала асиміляцію СО₂, значно посилювала фотодихання і знижувала експорт асимілятів (табл. 8). При цьому серед продуктів фотосинтезу зростала частка амінокислот, розчинних вуглеводів і органічних кислот, але практично припинялося включення асимільованого вуглецю в крохмаль (13).

Таблиця 8. Вплив жорсткої грунтової посухи на водний режим, СО₂-газообмін і експорт фотоасимілятів у листках винограду сорту Манто Негро

Жорстка грунтова посуха також змінювала розподіл експортованих асимілятів в рослині, однак характер змін був сортоспецифічним (14). У сорту Манто Негро, адаптованого до аридного клімату Балеарських островів, посуха різко зменшувала накопичення експортованого вуглецю в гроні пагона, на якому розміщувався листок-донор ¹⁴С (головний пагін), але зростала частка експортованого вуглецю в бічних пагонах, а також стовбурі й головному апексі. Тобто в даного сорту за умов жорсткої посухи змінювалася направленість експорту і пріоритетність акцепторів асимілятів. При цьому порушувався донорно-акцепторний зв'язок листків з гроном як основним споживачем асимілятів і зростало запасання асимілятів у стовбурі та їх відтік у бічні пагони.

На відміну від Манто Негро у високопродуктивного сорту Темпранійо під дією посухи частка експортованого вуглецю в гроні не зменшувалася, а також не відбувалася настільки суттєва переорієнтація направленості відтоку і зміна пріоритетності акцепторів. У даного сорту гроно залишалося головним акцептором асимілятів, тоді як акцептуюча активність бічних пагонів, стовбура і кореня істотно знижувалася. Посилене накопичення асимілятів за умов водного стресу у вегетативних органах у сорту Манто Негро може розглядатися як адаптивний механізм, що створює умови для відновлення активного вегетативного росту при настанні сприятливого періоду чи в наступному вегетаційному сезоні. В той же час збереження стійкої акцепторної активності грона в сорту Темпранійо навіть за несприятливих умов, очевидно, забезпечує його переваги за продуктивністю. Отже, встановлено, що інтенсивність фотодихання, як правило, підвищується вже на ранніх етапах водного стресу і залежно від сорту може знижуватися за жорсткої й тривалої посухи. Для стійкіших до посухи сортів характерне сильніше і триваліше підвищення фотодихання, що супроводжується збереженням вищої активності фотосинтетичного апарату та швидшим і повнішим відновленням фотосинтетичної функції в післястресовий період. Роль фотодихання в підтриманні фотосинтетичної активності за тривалої посухи пов'язана зі зменшенням фотоінгібування фотосинтетичного апарату і, можливо для рослин винограду, з посиленням амінокислотної направленості фотосинтетичного метаболізму.

5. ФОТОДИХАННЯ І СТІЙКІСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧНОГО АПАРАТУ ДО ВИСОКОЇ ТЕМПЕРАТУРИ

Для досліджень впливу високотемпературного стресу на фотосинтез і фотодихання були підібрані різні за посухостійкістю сорти степового і лісостепового екотипів. В табл. 9 наведено усереднені результати вимірювань СО₂-газообміну при 25 ^оС для високостійких сортів Одеська 15, Одеська 117, Одеська напівкарликова, Обрій; середньостійких Миронівська 808, Миронівска 61, Киянка, Лютесценс 7 і низькостійких Білоцерківська 18, Білоцерківська 47, Миронівська 40 та Поліська 70. Прогрівання рослин призводило до значно сильнішого зниження фотосинтезу в менш стійких сортів, проте різнонаправлених змін інтенсивності фотодихання підвищення у високостійких та зниження в низькостійких.

Отримані результати свідчать, що на відміну від низькостійких сортів для високостійких є властивим істотне посилення фотодихання і збільшення його частки в балансі СО₂-газобміну за дії високотемпературного стресу, який досить часто виникає за посушливих умов. При цьому в сортів, у яких зростав рівень фотодихання, зниження інтенсивності фотосинтезу було мінімальним, а в сортів, у яких фотодихання зменшувалося, інгібування асиміляції СО₂ було найбільшим.

Для детальнішого з'ясування ролі фотодихання в реакції фотосинтетичного апарату сортів різного екотипу на помірно високу температуру були проведені експерименти, в яких середню частину молодого повністю сформованого листка 4-тижневих рослин прогрівали в листковій камері портативного інфрачервоного газоаналізатора СIRAS (PP Systems, Hitchin, U.K.) при відносній вологості повітря 60-70 % і інтенсивності освітлення 1500 мкмоль/(м²с) ФАР. Одночасно з вимірюваннями СО₂- і Н₂О-газообміну на тому самому листку визначали параметри флуоресценції хлорофілу за допомогою амплітудно модульованого флуориметра Hansatech MFS Instrument.

Таблиця 9. Вплив прогрівання рослин озимої пшениці у фазу кущіння при 40 ^оС протягом 4 год на інтенсивність фотосинтезу і фотодихання (мг СО₂/(г ^. год)) в сортів різної посухостійкості

Підвищення температури листка до 38 ^оС при 350 ppm СО₂ і 21 % О₂ в повітрі викликало різке зниження інтенсивності асиміляції СО₂ в сортів лісостепового екотипу Поліської 87 і Миронівської 33 і значно менше зниження в сортів степового екотипу Одеської 66 і Обрію (15). Найбільш швидко фотосинтез знижувався упродовж перших 10 хв прогріву, потім зниження поступово уповільнювалося, а після 30 хв СО₂-газообмін стабілізувався і залишався практично незмінним принаймні протягом 3 год. Після 60 хв високотемпературної обробки інтенсивність асиміляції СО₂ була знижена на 60-67 % у сортів лісостепового екотипу і на 27-38 % у сортів степового екотипу.

Відмінності в реакції сортів на високу температуру, як і зміни СО₂-газообміну протягом прогріву, не зумовлювалися змінами продихової провідності чи внутрішньолисткової концентрації СО₂ (С_і). Значення С_і в листках чутливіших сортів були вищими, ніж у стійкіших, протягом всього періоду прогрівання (15, Б). Зниження асиміляції СО₂ також не було результатом інгібування активності транспорту електронів через ФСІІ, яке в даному досліді відзначалось тільки в сорту Поліська 87 (16, Б).

Прогрівання листків за відсутності фотодихання, при 2 % О₂, суттєво змінювало реакцію фотосинтетичного апарату в досліджених сортів. Так, у сортів лісостепового екотипу інгібування асиміляції СО₂ зменшувалося, а в сортів степового екотипу збільшувалося (16). Особливо сильно за відсутності фотодихання змінювалася ступінь інгібування асиміляції СО₂ в контрастніших за стійкістю при нормальній концентрації О₂ сортів - Одеської 66 і Поліської 87. Дослідження, проведені у вибірці сортів пшениці вітчизняної і зарубіжної селекції, показали доволі чітку позитивну кореляцію між стійкістю сорту до високої температури за нормальної концентрації кисню і різницею стійкостей за наявності та відсутності фотодихання (17).

Отримані результати свідчать, що фотодихання було необхідною умовою прояву стійкості до посухи в сортів степового екотипу і, навпаки, висока його активність посилювала чутливість до температури в сортів лісостепового екотипу. Тобто роль фотодихання в регуляції фотосинтезу за високотемпературного стресу - неоднозначна і залежить від його взаємодії з іншими захисними механізмами і адаптивного потенціалу сорту загалом. При цьому ефект фотодихання, як правило, посилюється в стійкіших і чутливіших сортів, хоча в деяких сортів помітного впливу фотодихання на термотолерантність за умов нашого експерименту не зафіксовано.

Виявлено, що фізіологічна роль фотодихання за високотемпературного стресу значно ширша, ніж підтримання активності лінійного транспорту електронів у хлоропластах. В більшості досліджених сортів прогрівання за відсутності фотодихання сильніше знижувало мФСІІ порівняно з високою температурою за нормальної концетрації О₂, однак ці зміни не збігалися за величиною і напрямком зі змінами асиміляції СО₂ (16). Крім того, в Поліської 87 активність ФСІІ на світлі, як і асиміляція СО₂, при підвищенні температури за відсутності фотодихання інгібувалась менше, ніж за активного фотодихання.

Апроксимація експериментально визначених А/С_і-залежностей функціями моделі Фаркухара показала, що до прогрівання при атмосферній концентрації СО₂ інтенсивність асиміляції в листках досліджуваних сортів визначалася активністю РБФК/О (18). При підвищених концентраціях СО₂ інтенсивність асиміляції СО₂ обмежувалася швидкістю регенерації РБФ.

Високотемпературний стрес змінював величину й обмежувальну роль зазначених параметрів у різних за стійкістю сортів неоднаково. При прогріванні листка за 21 % О₂ максимальна карбоксилазна активність РБФК/О зростала більш ніж удвічі в сортів степового екотипу і залишалась незмінною в сортів лісостепового екотипу (19). Значне підвищення V_cmax (практично згідно з кінетикою повністю активованого ферменту in vitro) свідчить про збереження високого активаційного статусу РБФК/О в листках стійкіших сортів і зниження активації РБФК/О в листках чутливіших. Відомо, що РБФК/О-активаза представлена в хлоропластах вищих рослин кількома ізоформами, що різняться стійкістю до високої температури [Portis, 2003]. При цьому адаптація фотосинтетичного апарату до підвищеної температури пов'язана з індукцією синтезу термостабільнішої ізоформи ферменту [Law, Crafts-Brandner, 2001].

Розрахована за моделлю величина J_max знижувалася в прогрітих при 21 % О₂ листках Поліської 87, Миронівської 33 і Обрію або проявляла тенденцію (статистично, однак, не доведену) до зниження у Одеської 66, що свідчить про інгібування регенерації РБФ і посилення РБФ-залежного лімітування фотосинтезу. Для сортів степового екотипу за високої температури РБФ-залежна функція описувала експериментальні дані в усьому діапазоні досліджених С_і. При цьому в Одеської 66 активність РБФК/О не лімітувала фотосинтез за атмосферної концентрації СО₂. Однак визначальна роль активності РБФК/О за умов стресу зберігалася в листках сортів лісостепового екотипу.

Посилення інгібування фотосинтезу в сорту Одеська 66 при прогріванні за 2 % О₂ супроводжувалося як істотним зниженням J_max, так і відсутністю змін V_cmax, а в Миронівської 33 зменшення пошкоджувальної дії високої температури за цих умов було пов'язане з деяким підвищенням активності РБФК/О і регенерації РБФ (19). Попри те, в листках обох сортів, прогрітих при 2% О₂, експериментально виміряна інтенсивність СО₂-газообміну за атмосферної концентрації СО₂ описувалася РБФК/О-залежною функцією, що вказує на визначальну роль активності ферменту в регуляції асиміляції СО₂ за даних умов (18, Б і Г).

В іншому, аналогічному за умовами, досліді зі стійким до високої температури сортом Донецька 48 і менш стійким Альбатрос одеський вивчали зв'язок між інгібуванням асиміляції СО₂ і змінами активації РБФК/О, застосовуючи прямі радіометричні дослідження активаційного стану РБФК/О. За високої активності фотодихання (21 % О₂ в повітрі) висока температура сильніше знижувала асиміляцію СО₂ і ступінь активації РБФК/О у чутливішого сорту Альбатрос одеський порівняно із Донецькою 48 (20). Однак за відсутності фотодихання високотемпературний стрес не змінював рівень активації ферменту в Альбатроса одеського, але істотно знижував його в Донецької 48. При цьому прогрівання листка практично не впливало на кількість блокованих тісно зв'язаними інгібіторами каталітичних центрів РБФК/О.

Отримані результати свідчать, що в менш стійких сортів сильніше інгібування інтенсивності фотосинтезу при підвищенні температури за нормальної концентрації О₂ було зумовлене, головним чином, зниженням ступеня карбамілювання активних центрів РБФК/О in vivo, очевидно, внаслідок недостатньої активності РБФК/О-активази. Фотодихання сприяло підтриманню високого рівня активації РБФК/О в листках стійкішого сорту, а в листках чутливішого сорту підсилювало інгібування як активності РБФК/О, так і швидкості регенерації РБФ в циклі Кальвіна. Очевидно вплив фотодихання на активність РБФК/О опосередковується концентрацією РБФ в стромі хлоропластів і залежить від здатності РБФК/О-активази підтримувати активаційний стан РБФК/О за високої температури.

Одночасні вимірювання СО₂-газообміну і флуоресценції хлорофілу листків озимої пшениці показали, що фотодихання є також вагомим чинником підтримання активності лінійного транспорту електронів у хлоропластах при підвищенні температури, чим зумовлює більшу стійкість ФСІІ порівняно з асиміляцією СО₂, особливо на початку прогрівання чи при короткотерміновому температурному шокові. Як видно з 21, підвищення температури листка до 38 ^оС при 21 % О₂ спричиняло зниження мФСІІ тільки через 9 хв після невеликого підвищення, в той час як асиміляція СО₂ починала знижуватися одразу з початку підвищення температури. Порівнюючи динаміку асиміляції СО₂ при 21 і 2 % О₂, видно, що швидке зменшення цього показника за атмосферної концентрації О₂ принаймні частково зумовлене фотодиханням, і, навпаки, активність ФСІІ за відсутності фотодихання знижувалася одразу без лаг-періоду.

На початку високотемпературної обробки мФСІІ в обох сортів інгібувалася значно швидше за низької концентрації О₂. Після 30 хв прогрівання показники фотосинтетичної активності стабілізувалися, і за 21 % О₂ інгібування діючої активності ФСІІ і асиміляції СО₂ було значно сильнішим в Альбатроса одеського, ніж у Донецької 48, проте у варіанті з 2 % О₂ стрес-індуковане гальмування фотосинтезу в стійкішого сорту посилювалося, а в менш стійкого слабшало.

Слід зазначити, що з підвищенням температури величина відношення мФСІІ до інтенсивності асиміляції СО₂ зростала, внаслідок сильнішого гальмування асиміляції СО₂, ніж активності ФСІІ, і залишалася вищою за початкову протягом всього експерименту. Можна припустити, що зниження активності ФСІІ було наслідком інгібування асиміляції СО₂, оскільки за високої інтенсивності світла швидкість потоку електронів через ФСІІ знаходиться під динамічним контролем їх використання в процесах асиміляції. Це припущення підтверджують розрахунки змін швидкості використання електронів для асиміляції СО₂ за результатами вимірювань СО₂-газообміну. Як видно з 21, вони практично збігалися зі змінами мФСІІ за винятком перших 6-9 хв прогрівання. На початку високотемпературної обробки використання електронів різко зростало і його відносний рівень був суттєво більшим, ніж підвищення мФСІІ.

Причиною різкого посилення використання електронів при підвищенні температури є гліколатний метаболізм. За результатами розрахунків, що грунтуються на кінетичних властивостях РБФК/О, швидкість оксигеназної реакції в наших експериментах на початку прогрівання підвищувалася в 2 - 2,3 раза (21, В). Це зумовлювалось різким, у відповідності з температурою, зростанням фактора специфічності РБФК/О (відношення спорідненості субстратів СО₂/О₂) і деяким зменшенням С_і на фоні поступового зниження активації ферменту.

Звідси випливає, що, по-перше, підвищення споживання електронів у реакціях асиміляції СО₂ і є причиною лаг-періоду в динаміці мФСІІ, а по-друге, недостатнє зростання мФСІІ може обмежувати швидкість синтезу РБФ і призводити до тимчасового енергетичного лімітування асиміляції СО₂.

Отримані результати, вказують на ключове значення фотодихання у взаємодії асиміляції СО₂ і електронного транспорту на початку високотемпературного стресу за атмосферної концентрації О₂. Варто відзначити, що при виході показників фотосинтезу на стаціонарний рівень після підвищення температури відносна величина швидкості оксигеназної реакції в Донецької 48 залишалася суттєво вищою, як у порівнянні з власним початковим рівнем, так і з цим показником у Альбатроса одеського. Це супроводжувалося меншим інгібуванням асиміляції СО₂ і активації РБФК/О, ніж в Альбатроса одеського. Очевидно, що фотодихання сприяло підтриманню активації РБФК/О в Донецької 48, оскільки за 2 % О₂ рівень асиміляції СО₂ і активації ферменту при високій температурі в даного сорту спадав сильніше, ніж в Альбатроса одеського.

Таким чином показано, що в сортів озимої пшениці висока стійкість до помірно високої температури пов'язана з підвищенням інтенсивності фотодихання.

Фотодихання є необхідним компонентом реалізації адаптивного потенціалу стійких сортів степового екотипу. В чутливих до високої температури сортів лісостепового екотипу фотодихання, як правило, посилює інгібуючий вплив стресу на фотосинтез. Дія фотодихання пов'язана зі змінами активності РБФК/О і швидкості регенерації РБФ в циклі Кальвіна, які є визначальними чинниками регуляції асиміляції СО₂ за високотемпературного стресу. При цьому збереження високого рівня активації РБФК/О є головним чинником, що зумовлює міжсортові відмінності за стійкістю до високої температури в озимої пшениці. Крім того, фотодихання відіграє основну роль в підтриманні активності лінійного транспорту електронів у хлоропластах за умов зниження асиміляції СО₂ при помірно високій температурі.

ВИСНОВКИ

В дисертації викладено детальне обгрунтування взаємозв'язків між фотодиханням, фотосинтезом і продуктивністю рослин та ролі фотодихання в регуляції фотосинтезу за оптимальних та стресових умов. Встановлено, що фотодихання не є головним чинником міжвидових і міжсортових відмінностей за інтенсивністю фотосинтезу та інгібування фотосинтезу за стресових умов в с.-г. культур, а навпаки сприяє збереженню високої активності фотосинтетичного апарату впродовж онтогенезу, тим самим підвищуючи його продуктивність в генеративний період, та забезпечує реалізацію високого адаптивного потенціалу стійких сортів за несприятливих умов.

Відмінності між сортами і видами пшениці за інтенсивністю асиміляції СО₂ зумовлюються внутрішніми параметрами фотосинтетичного апарату, в першу чергу карбоксилазною активністю РБФК/О і швидкістю регенерації РБФ в циклі Кальвіна, і слабо залежать від максимальної квантової ефективності фотосинтезу. Генетичні підходи для поліпшення активності фотосинтетичного апарату в культурних сортів пшениці повинні грунтуватися на збалансованому підвищенні активності РБФК/О і швидкості синтезу РБФ в циклі Кальвіна.

Варіабельність інтенсивності фотодихання в сортів і видів пшениці не визначає відмінностей за активністю асиміляції СО₂, хоча відносне посилення фотодихання супроводжується істотним зниженням фотосинтезу. Генотипна детермінованість відмінностей між сортами і видами пшениці для інтенсивності фотодихання була статистично достовірною й істотно вищою, ніж для фотосинтезу, що дозволяє рекомендувати використання активності фотодихання для характеристики генотипу.

Позитивна кореляція інтенсивності фотодихання в фазу цвітіння і зернової продуктивності в рослин пшениці зумовлена позитивним зв'язком фотодихання з виповненістю зерна і К_госп, але не залежить від активності фотосинтетичного апарату в цей період вегетації.

Фенотипна варіабельність інтенсивності фотодихання в прапорцевому листку пшениці значною мірою залежить від концентрації розчинних вуглеводів. Підвищення вмісту цукрів в листковій пластинці супроводжується посиленням активності фотодихання відносно фотосинтезу.

За умов інгібування фотосинтезу надлишком асимілятів у рослин пшениці висока інтенсивність фотодихання сприяє збереженню активності фотосинтетичного апарату завдяки змінам гліколатного метаболізму, які посилюють декарбоксилування його інтермедіатів і втрати асимільованого вуглецю, але не змінюють співвідношення потоків його метаболізації.

Внесення добрив і оптимізація азотного живлення при збагаченні літієм у рослин озимої пшениці сприяє розвитку потужнішого фотосинтетичного апарату і супроводжується істотно більшим підвищенням активності фотодихання, ніж фотосинтезу, в репродуктивний період.

Високопосухостійкі сорти пшениці відзначаються сильнішим і тривалішим підвищенням інтенсивності фотодихання за наростаючого водного дефіциту в грунті, ніж менш стійкі сорти.

Посилення фотодихання за умов посухи не є вирішальним чинником зниження інтенсивності асиміляції СО₂, а навпаки, сприяє збереженню активності фотосинтетичного апарату за дії стресора, швидшому її відновленню в післястресовий період.

Зміни активності фотодихання у контрастних за стійкістю сортів пшениці за умов посухи позитивно корелюють зі змінами швидкості росту і зерновою продуктивністю рослин.

Інтенсивність фотодихання визначає міжсортові відмінності стійкості фотосинтетичного апарату до фотоінгібування при зниженні асиміляції СО₂, спричиненої дефіцитом СО₂.

Ґрунтова посуха не тільки знижує інтенсивність асиміляції СО₂ у рослин винограду, але й істотно зменшує частку фотоасимілятів, що експортуються з листка-донора, та специфічно змінює розподіл асимілятів у рослинах. У посухостійких сортів зменшується відтік асимілятів до грона і зростає їх накопичення в стовбурі та корені, а у високоврожайного не стійкого до посухи сорту гроно залишається основним акцептором асимілятів, але значно зменшується експорт до кореня та стовбура.

Посилення інтенсивності фотодихання в рослин винограду за умов посухи супроводжувалося збільшенням частки амінокислот серед продуктів фотосинтезу і майже повним гальмуванням синтезу крохмалю, що сприяло підтриманню активності фотосинтетичного апарату.

Вища стійкість фотосинтезу до високих температур у сортів пшениці степового екотипу зумовлюється здатністю зберігати за умов стресу та після нього вищі ступінь активації ключового ферменту фотосинтезу, РБФК/О, і активність регенерації РБФ в циклі Кальвіна.

Помірно висока температура підвищує інтенсивність фотодихання в стійких сортів степового екотипу, але знижує її в чутливих сортів лісостепового екотипу.

Роль фотодихання за високотемпературного стресу залежить від адаптивних властивостей сорту. У сортів степового екотипу висока активність фотодихання сприяє підтриманню активації РБФК/О за умов стресу, в менш стійких сортів лісостепового екотипу, навпаки, фотодихання знижує активаційний статус ферменту і швидкість регенерації РБФ.

Зміни активності ФСІІ за високотемпературного стресу на яскравому світлі значною мірою є наслідком фотоінгібування ФСІІ в результаті пригнічення асиміляції СО₂. Фотодихання як акцептор електронів зменшує фотоінгібування, підтримуючи активність лінійного транспорту електронів у хлоропластах за підвищеної температури.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ РОБІТ

Регуляція фотосинтезу і продуктивність рослин: фізіологічні та екологічні аспекти / [Т.М. Шадчина, Б.І. Гуляєв, Д.А., Кірізій, О.О. Стасикта ін.]. - К: Фітосоціоцентр, 2006. - 384 с. (Монографія)

Правдивая Р.П. Фотосинтетическая продуктивность листьев озимой пшеницы при использовании сестона в качестве удобрения / Р.П. Правдивая, А.В. Капля, О.О. Стасик // Физиология и биохимия культ. растений. - 1988. - 20, N5. - С. 460-467.

Богдан Т.З. Влияние лития на фотосинтетическую активность листьев и продуктивность озимой пшеницы / Т.З. Богдан, О.О. Стасик, Е.С. Ткачук // Физиология и биохимия культ. растений. - 1991. - 23, № 2. - С. 126-130.

Богдан Т.З. Азотний обмен и фотосинтетические процессы у озимой пшеницы при действии лития / Т.З. Богдан, Л.М. Кузьменко, О.О. Стасик, Е.С. Ткачук // Физиология и биохимия культ. растений. - 1994. - 26, N 2. - С. 142-147.

Стасик О.О. О независимой от фотосинтеза коpеляции между фотодыханием и продуктивностью растений / О.О. Стасик, Б.И. Гуляев // Доповiдi НАН Укpаїни. - 1995. - № 4. - C. 103-105.

Шматько I.Г. Особливостi взаємозв'язку водообмiну i СО₂-газообмiну пpи дiї бiологiчно активних pечовин на озиму пшеницю в посушливих умовах / I.Г. Шматько, О.О. Стасик, О.Б. Конончук, I.П. Гpигоpюк // Физиология и биохимия культ. растений. - 1995. - 27, № 3. - С. 135-140.

Стасик О.О. Вплив високотемпературного стресу та дефiциту СО₂ на кiнетику iндукцiї флуоресценцiї хлорофiлу в листках проросткiв piзних за посухостiйкiстю соpтiв озимої пшеницi / О.О. Стасик, Д.В. Корнєєв // Доповiдi НАН Укpаїни. - 1996. - № 1. - С. 105-107.

Соколовська О.Г. Вплив гpунтової посухи на СО₂-газообмiн, декаpбоксилювання, вмiст хлоpофiлу та piст у соpтiв озимої пшеницi piзних за посухостiйкiстю // Актуальнi пpоблеми фiзiологiї водного pежиму та посухостiйкостi pослин. Збipник наукових пpаць, пpисв. пам`ятi д.б.н., пpофесоpа I.Г.Шматька / О.Г. Соколовська, О.О Стасик - К.: ТОВ "Мiжнаp.фiн.агенцiя", 1997. - С. 83-85.

Корнеев Д.Ю. Особенности индукции флюоресценции хлорофилла листьев пшеницы в условиях засухи / Д.Ю. Корнеев, О.О. Стасик, О.Г. Соколовская // Физиология и биохимия культ. растений. - 1998. - 30, №3. - С. 170-174.

Соколовська О.Г. Реакцiя фотосинтетичного апарату двох рiзних за посухостiйкiстю сортiв озимої пшеницi на дiю грунтової посухи / О.Г. Соколовська, О.О. Стасик, Б.І. Гуляєв // Физиология и биохимия культ.растений. - 1998. -30, №4. - С. 241-246.

Стасик О.О. Влияние высокотемпературного стресса на водный режим, фотосинтез и фотодыхание в листьях проростков разных по засухоустойчивости сортов озимой пшеницы / О.О. Стасик, И.А. Григорюк // Физиология и биохимия культ. растений. - 2000. - 32, №3. - С. 171-178.

Стасик О.О. Фотодихання та його роль у вуглецевому обміні рослин // Фізіологія рослин в Україні на межі тисячоліть. Т. 1 / О.О. Стасик - К: Фітосоціоцентр, 2001. - С. 102-107.

Стасик О.О. Реакция фотосинтеза и фотодыхания разных по засухоустойчивости сортов яровой пшеницы на нарастающую почвенную засуху / О.О. Стасик, О.Г. Соколовская, Б.И. Гуляев // Физиология и биохимия культ. растений. - 2002. - 34, №4. - С. 297-304.

Стасик О.О. Фотодыхание - необходимый компонент устойчивости фотосинтетического аппарата пшеницы к действию повышенной температуры / О.О. Стасик, О.Г. Соколовская, Б.И. Гуляев // Доповіді НАН України. - 2003. - № 8. - С. 170-174.

Cтасик О.О. Роль фотодыхания в фотоингибировании ассимиляции СО₂ у разных сортов пшеницы / О.О. Стасик // Физиология и биохимия культ. растений. - 2004. - 36, №2. - С. 109-115.

Bota J. Effect of water stress on partitioning of ¹⁴C-labelled photosynthates in Vitis vinifera / J. Bota, O. Stasyk, J. Flexas, H. Medrano // Functional Plant Biology. - 2004. - 31, №7. - P. 697-708.

Cтасик О.О. Вплив грунтової посухи на асиміляцію СО₂ і розподіл асимільованого вуглецю у рослин винограду / О.О. Стасик // Наук. вісник Ужгор. ун-ту. Сер. Біологія. - 2006. - Вип. 18. - С. 80-85.

Cтасик О.О. Реакція фотосинтетичного апарату С₃-рослин на водний дефіцит / О.О. Стасик // Физиология и биохимия культ. растений. - 2007. - 39, № 1. - С. 14-27.

Cтасик О.О. Параметри фотосинтетичного апарату та зернова продуктивність видів і сортів ярої пшениці / О.О. Стасик // Физиология и биохимия культ. растений. - 2007. - 39, № 3. - С. 200-206.

Stasik O. Response of photosynthetic apparatus to moderate high temperature in contrasting wheat cultivars at different oxygen concentrations / O. Stasik, H.G. Jones // J. Exp. Botany. - 2007. - 58, N 8. - P. 2133-2143.

Cтасик О.О. Аналіз внутрішніх чинників міжгенотипної варіабельності інтенсивності фотосинтезу в роді Triticum за даними газометричних досліджень / О.О. Стасик // Физиология и биохимия культ. растений. - 2007. - 39, № 6. - С. 488-495.

Соколовська-Сергієнко О.Г. Особливості реакції фотосинтетичного апарату контрастних за посухостійкістю сортів озимої пшениці на грунтову посуху / О.Г. Соколовська-Сергієнко, О.О. Стасик // Вісник Укр. тов-ва генетиків і селекціонерів. - 2008. - 6, № 1. - С.137-144.

Стасик О.О. Лімітуючі чинники фотосинтетичної асиміляції СО₂ в двох контрастних за продуктивністю сортів озимої пшениці / О.О. Стасик // Вісник Укр. тов-ва генетиків і селекціонерів. - 2008. - 6, № 1. - С.145-149.

Богдан Т.З. Влияние лития на фотосинтез и продуктивность растений озимой пшеницы / Т.З. Богдан, О.О. Стасик // Экологические вопросы рационального природопользования : тез. док. 8 конф. мол. ученых-биологов. - Рига, 1989. - С. 76.

Богдан Т.З. Особенности азотного и углеродного обмена озимой пшеницы при внесении лития в почву / Т.З. Богдан, О.О. Стасик // Вклад молодых ученых в интенсификацию сельского хозяйства УССР : тез.докл. науч.-практ.конф.мол. ученых и специалистов 14 марта 1991. Часть 3. -Чабаны, 1991. - С. 54.

Стасик О.О. Соотношение устьичного и мезофильного лимитирования интенсивности ассимиляции СО₂ у разных генотипов пшеницы/ О.О. Стасик // Тез. докл. конф мол. ученых ИФРГ АН Украины. - Киев, 1992. - С. 14.

Samoilova T.S. Physiological and biochemical study of crop responses to climatic conditions and air pollution/ T.S. Samoilova, V.G. Podrjadsky, O.O. Stasik // Effects of air pollution on agricultural crop in Europe [Air Pollution Research Report], (23-25 Nov. 1992. Pervunen, Belgium) - Pervunen, 1992. - P. 589-592.

Стасик О.О. Взаємозв'язок мiж фотосинтезом, фотодиханням i пpодуктивнiстю у piзних видiв пшеницi / О.О. Стасик, Б.I. Гуляєв // Тези доповiдей. II з'їзд УТФР. Т.II. - Київ, 1993. - С. 89.

Стасик О.О. Роль пpодихового i мезофiльного лiмiтування фотосинтезу в залежностi вiд фактоpiв оточуючого сеpедовища / О.О. Стасик // Навколишнє сеpедовище i здоpов'я : Тези доп. Мiжнаp. наук. конф. - Чеpнiвцi, 1993. - С. 172.

Stasik O.O. Carbon partitioning between photosynthates and glycolate metabolism in wheat plants with different sink-source ratio // Biol. Plantarum. - 1994. - 36, Suppl. : Abst. 9th Congr. FESPP. (Brno, Czech Rep., 3-8 July 1994). - P. 368.

Соколовська О.Г. Вплив посухи на водний режим, асимiляцiю СО₂ i фотодихання у piзних за посухостiйкiстю соpтiв озимої пшеницi / О.Г. Соколовська, О.О. Стасик // Актуальнi питання фiзiологiї pослин в аспектi екологiчних пpоблем Укpаїни : Тези доповiдей Мiжнаp. наpади. - Київ, 1995. - С. 53.

Стасик О.О., Корнеев Д.В., Арсень М.Н. Фотоингибирование фотосинтеза у сортов пшеницы с разной интенсивностью фотодыхания // Биоэнергетика фотосинтеза. Тез. докл. междунар. конф. (Пущино 17-21 июня 1996г.). - Пущино, 1996. - С. 40.

Stasik O. Responses of photosynthesis to water stress in two wheat cultivars / O. Stasik, A. Kononchuk // Plant Physiol and Biochem. - 1996. - Special Issue : Abst. 10^th FESPP Congress (Florence, 9-13 Sept 1996). - P. 226.

Соколовська О.Г. Вивчення взаємозв'язку фотосинтезу та фотодихання у piзних за посухостiйкiстю соpтiв озимої пшеницi за умов посухи / О.Г. Соколовська, О.О. Стасик // Актуальнi пpоблеми фiзiологiї pослин i генетики : Тези доповiдей VI конф. молодих вчених IФРГ НАН Укpаїни (Київ, 9-11 жовтня). - Київ, 1996. - С. 20-21.

Титаренко Т.Е. Взаимосвязь фотосинтеза и фотодыхания с продуктивностью растений яровой пшеницы / Т.Е. Титаренко, О.О. Стасик // Актуальнi пpоблеми фiзiологiї pослин i генетики : Тези доповiдей VI конф. молодих вчених IФРГ НАН Укpаїни (Київ, 9-11 жовтня). - Київ, 1996.

Соколовская О.Г. Влияние засухи на взаимосвязь фотосинтеза и фотодыхания у различных по засухоустойчивости сортов озимой пшеницы / О.Г. Соколовская, О.О. Стасик // Физико-химические основы физиологии растений и биотехнология : Тезисы 3-го ежегодного симпозиума (27-28 июня 1997 г., Москва) М.:Б.и., 1997. - С. 89.

Корнєєв Д.Ю. Вплив складу повiтря на пошкодження фотосинтетичного апарату надлишковим свiтлом / Д.Ю. Корнєєв, О.О. Стасик // Актуальнi питання ботанiки та екологiї : Матерiали конф. мол. вчених до 100-рiччя з дня народження А.М.Окснера. - Херсон, 1998. - С. 98.

Соколовская О.Г. Реакция фотосинтеза у контрастных по засухоустойчивости сортов озимой пшеницы на высокотемпературный стресс при различных концентрациях кислорода / О.Г. Соколовская, О.О. Стасик // Тезисы докладов IV Съезда Общества физиологов растений России (Москва, 4-9 октября 1999 г.). - М., 1999. - С. 97.

Stasik O.O. Photoinhibition of photosynthesis in wheat cultivars differing in photorespiration activity / O.O. Stasik // Plant Physiology and Biochemistry : Abstracts of 12^th Congress of the FESPP (21-25 Aug 2000, Budapest, Hungary). - 2000. - 38, Suppl. - P. s212

Bota J. Effect of drought on carbon partitioning in grapevine plants / J. Bota, O. Stasyk, H. Medrano // Abstracts of 13^th Congress of the FESPP (2-6 Sept 2002, Heraklion, Greece). - Heraklion, 2002. - P. 509.

Stasik O.O. Photorespiration and heat-tolerance of photosynthetic apparatus in wheat / O.O. Stasik // Photosynthesis and Crop Production : Abstracts of International Conference (7-11 October 2002, Kyiv, Ukraine). - K., 2002. - P. 25.

Stasik O. Role of photorespiration in photosynthesis response to elevated temperature under high light conditions /.O. Stasik, H.G. Jones // Comparative Biochemistry and Physiology : Abstracts of Annual Main Meeting of the SEB (29^th March-2^nd April 2004, Edinburgh, UK). - 2004. - 137/A, N3/Suppl. - S168.

Соколовська-Сергієнко О.Г. Вплив підвищеної температури на функціональну активність фотосинтетичного апарату в різних за посухостійкістю сортів озимої пшениці / О.Г. Соколовська-Сергієнко, О.О. Стасик // Сучасний стан і пріоритети розвитку фізіології рослин, генетики і біотехнології. Матеріали Х конф. молодих вчених IФРГ НАН Укpаїни (Київ, 25-26 жовтня 2007). - Київ, 2007. - С. 71.

Размещено на Allbest.ru