Адаптационные изменения фотосинтеза при повышенной концентрации СО2

Анализ кривых показал, что при естественной [CO₂] в атмосфере в начале светового периода (10:30), лимитирующим звеном реакции карбоксилирования являлась активность РБФК/О. Повышение [CO₂] при построении углекислотных кривых приводило к увеличению концентрации СО₂ в межклетниках листа, увеличению активности РБФК/О (W_c), скорости электронного транспорта и регенерации РБФ (W_j). В то же время мы наблюдали некоторое уменьшение доступности неорганического фосфата и снижение скорости использования триозофосфатов в цикле Бенсона-Кальвина. В результате, при высокой [CO₂], это звено начинало лимитировать скорость фотосинтеза. Действие повышенной [CO₂] на растения в течение 2,5 часов, меняло характер ответной реакции фотосинтетического аппарата в ответ на кратковременное повышение [CO₂]. В конце периода с повышенной концентрацией углекислоты (13:30), активность РБФК/О уже не являлась лимитирующим фактором фотосинтеза растений и в диапазоне 20-60 Ра С_i лимитирующим звеном становилась скорость регенерации акцептора СО₂ - РБФ (кривая W_j), т.е. скорость электронного транспорта в ЭТЦ хлоропластов. При удвоенной и выше концентрациях CO₂ в межклетниках листьев, лимитирующими были доступность неорганического фосфата и использование триозофосфатов в пентозофосфатном восстановительном цикле. Снижение [CO₂] в атмосфере до естественной (время измерения 14:30), приводило к уменьшению скорости фотосинтеза. Лимитирующими звеньями при низких, средних и высоких значениях концентрации СО₂ в межклетниках листьев являлись, соответственно, активность РБФК/О, скорость электронного транспорта и регенерации РБФ, а также, доступность неорганического фосфата и использование триозофосфатов. Увеличение времени экспонирования растений при естественной концентрации углекислоты до 2,5 часов вызывало снижение активности РБФК/О и активность фермента становилась основным лимитирующим звеном скорости фото ассимиляции углекислоты. В начале второго периода с повышенной [CO₂] (17:30), активность РБФК/О значительно не изменялась (кривая W_C) и активность фермента продолжала оставаться лимитирующим звеном реакции карбоксилирования. Для этого периода можно отметить высокие скорости использования триозофосфатов доступности неорганического фосфора.

Таким образом, в зависимости от времени экпозиции растений при повышенной [CO₂], а также, времени проведения исследований - начале, середине или конце дня, лимитирующими были разные участки работы фотосинтетического аппарата. Снижение положительного действия CO₂ на растения, было обусловлено изменением активности РБФК/О, других звеньев реакции карбоксилирования и работы устьичного аппарата.

Для более полной характеристики работы фотосинтетического аппарата в широком диапазоне изменения интенсивности света и различных периодах с повышенной [CO₂], а также для выяснения влияния факторов на содержание РБФК/О, нами были проведена работа по изучению активности РБФК/О на препаратах водорастворимого белкового экстракта.

4.2. Активность РБФК/О при периодическом повышении [CO₂]

Исследованиями ряда авторов показано, что при длительном действии повышенной [CO₂] на растения, как правило, наблюдается снижение активности РБФК/О, обусловленное уменьшением ее активности и содержания в листьях (Frydrych, 1976; Besford et al., 1990; Drake et al., 1997). При совместном действии нескольких факторов были отмечены и другие результаты (Sage et al., 1989; Jacob et al., 1995). В условиях периодического повышения [CO₂] мы наблюдали сложную картину изменения активности РБФК/О. При интенсивности света 50 Вт м^-2 увеличение содержания белка на грамм сырой биомассы, (3 и 12 часовые периоды с повышенной [CO₂]), не сопровождалось увеличением активности РБФК/О в расчете на грамм биомассы (табл. 6). При 105 Вт м^-2 имело место снижение активности и содержания белка только при длительном, 12 часовом периоде с повышенной [CO₂]. Повышение [CO₂] в течение 6 часов приводило к снижению активности фермента, но не сказывалось на его содержании. В условиях высокой интенсивности света (175 Вт м^-2) наблюдалось значительное снижение активности РБФК/О, а также уменьшение содержания белка независимо от периода с повышенной [CO₂]. При относительно небольших различиях в площади листовой поверхности и удельной плотности листьев это приводило к снижению активности РБФК/О при расчете на единицу листовой поверхности.

Таблица 6. Содержание белка и активность РБФК/О в листьях огурцов при различных уровнях интенсивности света и периодическом повышении [CO₂]*

* разброс данных не более 5%.

Таким образом, в условиях периодического повышения [CO₂] и различных уровней интенсивности света, приспособление фотосинтетического аппарата происходит за счет согласованного изменения активности РБФК/О, и количественного содержания фермента.

4.3. Влияние периодического повышения [CO₂] на содержание углеводов в различных органах растений огурца

Рис. 7. Накопление и распределение углеводов в листьях, стебле и корнях огурцов при естественной (контроль) и повышенной [CO₂] в воздухе (опыт) (Подачу СО₂ в вегетационные камеры осуществляли с периодом 3 часа, с 11 до 14 и с 17 до 20 часов, фотопериод 12 часов). Листья - л, стебли - с, корни - к.

Уменьшение положительного эффекта CO₂ на активность фотосинтетического аппарата растений многими авторами связывается с изменением содержания в листьях неструктурных углеводов (Гуляев, 1986; Мокроносов, 1981; Stitt, 1991; Sicher et al., 1994; Paul, Foyer, 2001). Поскольку накопление углеводов в листьях определяется не только скоростью их синтеза, но и скоростью оттока, то последующая наша работа была направлена на определение содержания неструктурных углеводов в листьях и других органах растений, выращенных при различных периодах повышения [CO₂].

На примере 3-х часового периода с повышенной [CO₂] можно видеть, что при естественной [CO₂] и постоянных уровнях интенсивности света и температуры воздуха имело место ритмическое изменение содержания углеводов в различных органах растений (рис. 7). Накопление крахмала в листьях увеличивалось в течение всего светового дня с максимумами в 10, 14 и 18 часов. Накопление дисахаров носило характер двухвершинной кривой с широким максимумом в утренние часы, минимумом в 14 часов и вторым максимумом в 16 часов. Содержание глюкозы менялось подобно изменению дисахаров. В отличие от дисахаров и глюкозы пик накопления фруктозы приходился на 10 и 14 часов. В стеблях огурцов содержание дисахаров уменьшалось в середине дня и увеличивалось в вечерние часы. Накопление дисахаров в корнях носило колебательный характер с максимумом в утренние и вечерние часы и в середине дня. Ход изменения содержания глюкозы в стеблях имел характер трех вершинной кривой с максимумами в 10, 14 и 18 часов. По сравнению с утренними часами наблюдалось увеличение содержания глюкозы от 2 до 4 раз. Содержание фруктозы в органах растений было незначительным, однако для фруктозы также отмечены колебания в течение дня по органам растений.

Периодическое повышение [CO₂] в атмосфере приводило к изменению ритмов накопления углеводов. Прежде всего, следует отметить увеличение накопления крахмала в листьях растений по сравнению с контролем, в основном, в периоды, когда растения находились при естественной [CO₂]. Содержание дисахаров в листьях растений изменялось в течение дня с амплитудой от 2 до 5 раз по сравнению с началом фотопериода. Содержание глюкозы в листьях изменялось периодически с максимумами в 12 и 15 часов и минимумами в 14 и 18 часов. В стеблях и корнях максимум содержания глюкозы был сдвинут по отношению к листьям и отмечен в 14-15 часов и 19 часов. Содержание фруктозы по органам растений было наибольшим в середине дня (14-15 часов) и наименьшим в 11 часов утра и 17 часов дня.

Таким образом, периоды повышения [CO₂] и максимумов содержания углеводов не совпадали полностью по времени, что может быть связано с активацией сахарозофосфатсинтазы (Rufty et al., 1983) к концу утреннего периода с естествснной [CO₂] и снижения, в результате, содержания сахарозы в листьях. Уменьшение содержания крахмала в середине дня, несмотря на период с повышенной [CO₂], следуя за снижением содержания сахарозы в листьях, может быть обусловлено деградацией крахмала до глюкозо-1-фосфата, превращения его во фруктозо-6-фосфат и использования последнего в цикле Бенсона-Кальвина. В результате, динамика накопления растворимых углеводов и крахмала является одним из звеньев регуляции работы фотосинтетического аппарата при периодическом повышении [CO₂].

4.4. Содержание пигментов в листьях и активность световой стадии фотосинтеза при периодическом повышении [CO₂]

Из литературы известно, что повышение [CO₂] в течение длительного времени приводит к изменению содержания пигментов и активности реакций световой стадии фотосинтеза (Drake, 1997). В наших опытах периодическое повышение [CO₂] через 1 час в течение двух недель не приводило к изменению накопления пигментов, однако наблюдалось увеличение отношения хл.а/хл.b за счет большего накопления хлорофилла а и уменьшения содержания хлорофилла b (данные приведены в диссертации). Повышение [CO₂] через 3-6 часов в течение фотопериода и двухнедельного времени выращивания растений приводило к снижению суммы хлорофиллов а и b и увеличению отношения хлорофилла а/b при низкой (50 Вт м^-2) интенсивности света. При 105 Вт м^-2 содержание хлорофиллов в листьях опытных растений на уровне контроля.

Для исследования влияния СО₂ на кинетику замедленной флуоресценции использовали листья, взятые в различное время дня и в конце периодов с повышенной [CO₂] в атмосфере. В этом случае кинетические кривые флуоресценции отражали влияние длительного периодического повышения [CO₂] на растения, а также кратковременного, 1, 3 или 6 часового действия СО₂ на фотосинтетический аппарат. Для растений, выращенных при низкой интенсивности света наблюдалось быстрое тушение флуоресценции в контроле по сравнению с 1 и 6 часовыми периодами с повышенной [CO₂]. Повышение интенсивности света до 105 Вт м^-2 приводило к более медленному тушению флуоресценции. Выход флуоресценции был выше у растений при одночасовом повышении [CO₂], не различался значительно при трехчасовом периоде и был ниже в случае шестичасового воздействия углекислоты на растения. При интенсивности света 175 Вт м^-2 выход флуоресценции в контроле в первые период определения (30-40 сек.) был несколько ниже, чем у растений, выращиваемых при одночасовом периоде повышения [CO₂], после чего картина менялась на противоположную. Увеличение времени экспозиции до 3 часов приводило к уменьшению различий в кривых флуоресценции в контроле и опыте. При шести часовом воздействии углекислоты на растения выход флуоресценции был ниже, чем в контроле.

Следовательно, независимо от уровня интенсивности света для растений характерен более высокий выход флуоресценции в конце первого часа, отсутствие различий через три часа и снижение выхода флуоресценции через 6 часов действия [CO₂] на растения по сравнению с контролем. Замедление тушения флуоресценции свидетельствует о более медленном установлении стационарной скорости фотосинтеза и связано с меньшей скоростью образования продуктов световой стадии фотосинтеза, необходимых для активации реакций углеродного метаболизма.

4.5. Продукционные характеристики растений огурца при периодическом повышении [CO₂]

Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют, о положительном действии углекислого газа в условиях длительного действия фактора на растения (Ниловская, 1973; Гуляев, 1986; Kimball, 1989; Drake et al., 1997). Относительно влияния периодического повышения [CO₂] на продукционный процесс растений вопрос оставался открытым. Наблюдаемые в наших исследованиях изменения активности световых и темновых процессов фотосинтеза в условиях периодического кратковременного повышения уровня [CO₂], в конечном итоге, должны были проявиться в накоплении сухой биомассы растениями. На рис. 9 приведены данные, характеризующие накопление сухого вещества и площадь листовой поверхности растениями при периодическом повышении [CO₂] и различных уровнях интенсивности света. Растения при низкой интенсивности света - 50 Вт м^-2, повышенной [CO₂] и 3-х часовом периоде накапливали на 48,5% больше сухого вещества по сравнению с контролем.

Рис. 9 Накопление сухого вещества и площадь листовой поверхности растений огурца при периодическом, повышении [CO₂] и различных уровнях интенсивности света. (1- контроль; 2 - 1 час; 3 - 3 часа; 4 - 6 часов при повышенной [CO₂] )

Увеличение площади листовой поверхности в этих условиях составляло 29,8%. При повышении интенсивности света до 105 Вт м^-2 и 175 Вт м^-2 наибольшее накопление биомассы наблюдали при 1 и 6 часовых периодах. Положительный эффект [CO₂] снижался до 40,0% и 26,3%, соответственно. Площадь листовой поверхности у растений данных вариантов увеличивалась на 6,0 и 28,7, по сравнению с контролем.

Таким образом, увеличение накопления сухого вещества растениями при низкой интенсивности света и периодическом повышении [CO₂] во многом обусловлено увеличением площади листьевПри интенсивности света 105 Вт м^-2 повышение [CO₂] не приводило к увеличению площади листовой поверхности растений и положительный эффект углекислоты связан с активацией работы фотосинтетического аппарата. Изменение длительности периода с повышенной [CO₂] от 1 до 6 часов при интенсивности света - 175 Вт м^-2 приводило к относительному увеличению площади листьев по сравнению с контролем, однако высокая продуктивность растений в этих условиях была обусловлена, прежде всего, активностью фотосинтетического аппарата.

4.5. Влияние периодического изменения интенсивности света, температуры на активность фотосинтетического аппарата и накопление биомассы растениями

Исследователями достаточно давно рассматривается возможность кратковременного снижения интенсивности света во время полуденной депрессии фотосинтеза (Ниловская, 1973) или снижения температуры на несколько часов в суточном цикле до закаливающих значений (Challa, 1976, Дроздов, Курец, 1999; Сысоева и др., 2001; Марковская Сысоева, 2004) без уменьшения биологической продуктивности растений. При таком подходе вне поля зрения оставались вопросы, связанные с изучением влияния на растения периодического, часового изменения факторов среды в пределах фоновых зон. Для выявления общих временных закономерностей реакции растений на изменение условий выращивания дальнейшие наши исследования были направлены на изучение активности фотосинтетического аппарата и продуктивность растений при периодическом изменении интенсивности света в пределах линейного участка световой кривой фотосинтеза или температуры воздуха в пределах фоновой зоны.

Длительность периода освещения растений оказывала существенное влияние на характер световых кривых фотовосстановления ДХФИФ. Увеличение периода экспозиции от одного до шести часов приводило к повышению активности работы световой стадии фотосинтеза, что выражалось в относительном увеличении скорости восстановления ДХФИФ. В конце шести часовых периодов имело место увеличение скорости восстановления ДХФИФ на плато световой кривой независимо от уровней интенсивности света. Периодическое изменение интенсивности света приводило, также, к увеличению отношения АТФ/НАДФ по сравнению с постоянными световыми режимами, что во многом определяет скорость метаболических процессов в клетке и накопление биомассы растением (Тарчевский, 1982). В наших опытах накопление сухой биомассы растениями при периодическом изменении уровней интенсивности света было больше, чем при низкой интенсивности света, но меньше, чем при высокой интенсивности света. Изменение времени периода от 1 до 6 часов приводило к увеличению положительного эффекта - накопления сухого вещества растениями до 30% .

Таким образом, в условиях периодического изменения уровней интенсивности света, приспособление фотосинтетического аппарата к световым условиям, на уровне первичных процессов запасания энергии, происходило за 3-6 часов, что проявлялось, в конечном итоге, в увеличении накопления растениями сухой биомассы. Полученные результаты свидетельствуют, также, о возможности использования периодического воздействия света на растения с целью повышения их продуктивности при постоянных энергозатратах.

В одной из серий опытов нами были проведено изучение влияния переменных температурных режимов в дневное время на рост растений огурца. Полученные результаты сопоставимы с данными опыта по изменению уровней интенсивности света и приведены в диссертации. Периодическое изменение температуры воздуха в фоновой зоне (20 или 25^оС) в дневное время приводило к повышению продуктивности растений при увеличении времени экспозиции от 1 до 6 часов. Таким образом, полученные результаты свидетельствует об общих временных параметрах ответной реакции растений на изменение факторов среды в пределах фоновой зоны.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СТРЕСС-ФАКТОРОВ НА АКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ПОВЫШЕННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОТЫ

Исследованиям действия и последействия различных стрессовых факторов на фотосинтетический аппарат растений уделяется большое внимание (Тарчевский, 1982; Pearcy, Bjorkman, 1983; Гуляев 1989; Ершова 1996; Drake et al., 1997; Пухальская, Осипова, 1999). Вместе с тем, только в отдельных работах (Bladier et al., 1994; Matsuda, Colman, 1995), обращается внимание на временные, в течение нескольких часов, характеристики развития отдельных процессов во времени. В еще меньшей степени уделяется внимание влиянию повышенной [CO₂] на работу фотосинтетического аппарата в последействии стресс факторов на растения (Пухальская, Осипова, 1999). В задачу данной части работы входило исследование временных особенностей реакции фотосинтетического аппарата растений на действие стрессоров различной природы, в ответ на обработку листьев физиологически активным препаратом, а также, влияние СО₂ на эти процессы.

5.1. Влияние сернистого газа

Повышение устойчивости растений к SO₂ связывается с увеличением устьичного сопротивления и затруднением проникновения газа внутрь клетки, изменением скорости дыхания, фотосинтеза и других процессов (Black, 1982; Барахтенова, Николаевский, 1988). В этой связи особенно интересны данные ряда исследователей (Furukawa et al., 1979; Carlson, 1983) о снижении отрицательного действия сернистого газа на растения при повышенном содержании СО₂ в атмосфере. В специальных опытах нами получены кривые зависимости фотосинтеза от уровня концентрации СО₂ и SO₂ в атмосфере, из которых сделано заключение, что длительное действие сернистого газа вызывает значительное и устойчивое подавление активности фотосинтетическoгo аппаратa. При естественной концентрации углекислоты в атмосфере отмечен трехфазный характер изменения фотосинтеза: фаза слабого угнетения (90% от контроля), фаза активации (125-140% от контроля) и, наконец, фаза устойчивого подавления (20-40% от контроля). Увеличение концентрации сернистого газа в воздухе на фоне естественной [CO₂] вызывало уменьшение продолжительности фазы активации, а также более глубокое повреждение фотосинтетического аппарата. Повышение [CO₂] приводило к сглаживанию первой фазы, большей активации фотосинтеза во второй фазе и меньшему снижению скорости процесса в третьей фазе. При этом в течение 4-6 часов наблюдался выход фотосинтеза на плато. В главе сделан вывод, что в условиях повышающейся [CO₂] в атмосфере, отрицательное действие сернистого газа на растения будет снижаться вследствие одновременного увеличения активности фотосинтетического аппарата.

5.2. Влияние УФ-радиации

В исследованиях по изучению длительного совместного действия УФ радиации и повышенной [CO₂] на растения показано, что повышенный уровень УФ-В заметно ослабляет СО₂-индуцированное увеличение урожая зерна у пшеницы и риса, общей биомассы у риса, не оказывая при этом влияния на данные характеристики у бобовых (Teramura et al., 1990). Авторы (Ziska and Teramura, 1992) предполагают, что для риса и пшеницы лимитирующим фотосинтез фактором является способность к регенерации РБФ и видимая эффективность карбоксилирования. Эти данные свидетельствуют о сложном характере воздействия УФ-В и СО₂ на фотосинтез и продуктивность растений.

В наших опытах облучение проростков пшеницы ультрафиолетом УФ-В приводило к стимуляции фотосинтеза при 2 и 10-минутных экспозициях. Повышение [CO₂] способствовало уменьшению отрицательного действия УФ радиации на фотосинтез растений. Действие ультрафиолета проявлялось в увеличении скорости восстановления ДХФИФ в первые полтора часа, снижении активности до контрольных значений через 2-3 часа и последующем увеличении скорости реакции через 4 часа после начала измерений. Существенные изменения имели место также на уровне метаболических процессов. Облучение проростков УФ радиацией приводило к увеличению накопления углеводов в первые 1-2 часа после обработки. В последующие два-три часа происходило снижение их содержания, а через 5-6 часов - снова повышение по сравнению с контролем. Подобный эффект может быть связан с защитным действием низкомолекуляpных фоpм моно и дисахаpов, накапливающихся пpи стpессовых воздействиях различной природы (Колупаев, Тpунова, 1992). Подобные временные зависимости для других физиологических процессов получены в работах по изучению действия разных стрессоров на растения (Дроздов и др., 1984; Bladier et al., 1994), в том числе при действии на них химических регуляторов роста (Климов и др., 1979).

Дальнейшие наши исследования были направлены на изучение реакции фотосинтетического аппарата и целого растения в ответ на обработку листьев раствором метанола - соединения, образующегося в растениях в естественных условиях и выполняющего, по-видимому, роль медиатора.

5.3. Влияние метанола

В задачу входило изучить СО₂ газообмен, транспирацию, устьичное сопротивление и эффективности использования воды листьями разных ярусов сахарной свеклы в последействии обработки растений раствором метанола на фоне нарастающего дефицита воды в почве с определением временных интервалов его действия и экологических условий, при которых это происходит. Обработку листьев метанолом проводили в 10 часов утра, после чего исследовали газообмен листьев в течение 6 часов и 1,5-2-х недель. Обработка листьев раствором метанола приводила более чем к двукратному уменьшению проводимости устьиц, по сравнению с контролем, через два-три часа (рис. 8).

Рис. 8. Динамика изменения фотосинтеза, транспирации, устьичного сопротивления, листьев разных ярусов сахарной свеклы после обработки их раствором метанола. Растения выращивали 46 суток при интенсивности света 1200 мкмоль м^-2с^-1 температуре 30^оС. Измерения проводили при: 1 - 1200 мкмоль м^-2с^-1; 2 - 220 мкмоль м^-2с^-1

В последующем проводимость устьиц у растений в опыте увеличивалась и становилась больше чем в контроле через 4-6 часов. Изменение устьичной проводимости приводило к увеличению скорости фотосинтеза и транспирации и снижению отрицательного действия засухи на растения. Дальнейшее положительное влияние обработки на фотосинтез, транспирацию в условиях нарастающего водного стресса проявлялось на протяжении 2 недель эксперимента. Повышение концентрации СО₂ в атмосфере приводило к значительному увеличению активности фотосинтетического аппарата. Так, скорость фотосинтеза в опыте составляла 73,1 ± 3,4 мкмоль СО₂ на м²с¹, а в контроле 64,4 ± 2,2 мкмоль СО₂ на м²с¹. Значения потенциальной активности РБФК/О были еще выше и составляли 82,5 ± 5 мкмоль СО₂ м^-2с^-1 и 74 ± 5,4 в опыте и контроле, соответственно. Растения в опыте показывали также более высокие скорости электронного транспорта, скорости регенерации РБФ и утилизации триозофосфатов. Полученные данные свидетельствуют, что ответная реакция растений на действие метанола развивается в течении нескольких часов, с превышением уровня контроля через 4-6 часов и его влияние сохраняется в растениях в течение 2 недель на фоне нарастающего водного стресса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование реакции растений на периодическое повышение [CO₂] позволило дать общую картину адаптационных перестроек фотосинтетического аппарата, активности ряда метаболических процессов в системе целого растения, с учетом длительного и кратковременного воздействия углекислоты.

Ответная реакция растений на длительное, в течение дня и начального периода онтогенеза, повышение [CO₂] зависит от уровня интенсивности света и температурного режима. Действие [CO₂] на растения проявляется в изменении характера зависимости накопления сухой биомассы от уровня интенсивности света. Нелинейный характер зависимости на фоне естественной [CO₂] и температурах 20 или 25^оС меняется на линейный при повышенной [CO₂]. Наблюдаемые изменения связаны с изменением соотношения процессов синтеза и использования ассимилятов, более высоким температурным оптимумом фотосинтеза при повышенной [CO₂], а также, перетоком фотоассимилятов в корневую систему и стебель. Повышение [CO₂] в атмосфере при низкой интенсивности света (50 Вт м^-2) не приводит к увеличению накопления углеводов в листьях по сравнению с контролем при одной и той же температуре, но с повышением температуры происходит увеличение содержания дисахаров. Такой характер взаимодействия [CO₂] и температуры на растение, обуславливает повышение сопряженности метаболизма с транспортом ассимилятов и их использованием в процессах роста. Высокая интенсивность света (175 Вт м^-2) на фоне длительного действия повышенной [CO₂] на растения способствует увеличению содержания крахмала и сахаров в листьях, что может быть причиной снижения скорости фотосинтеза.

Важным звеном регуляции активности фотосинтетического аппарата в условиях повышенной концентрации углекислоты является реакция карбоксилирования РБФ. Показано, что потенциально высокая ее скорость не всегда реализуется в системе хлоропласт-клетка, вследствие ограничения фотоассимиляции СО₂ содержанием растворимого белка, снижением скорости электронного транспорта и регенерации РБФ, уменьшением скорости утилизации триозофосфатов и снижением эффективности карбоксилирования.

Реакция фотосинтетического аппарата на кратковременное повышение [CO₂] зависит от длительности периода действия углекислоты на растения, времени суток - утренние, дневные или вечерние часы, а также, уровня интенсивности света. На примере 3-часового периода показано, что повышение скорости фотосинтез при повышенной [CO₂] в середине дня сопровождается уменьшением содержания крахмала в листьях растений. В этот период, при потенциально высокой активности РБФК/О, лимитирующим звеном ассимиляции СО₂ является использование триозофосфатов в цикле Бенсона-Кальвина. Снижение [CO₂] приводит к увеличению проводимости устьиц, однако скорость фотосинтеза растений в этих условиях снижается, вследствие уменьшения активности РБФК/О и скорости регенерации РБФ. Увеличение накопления крахмала в листьях и, одновременно, растворимых углеводов в этот период может приводить к повышению содержания триозофосфатов в цитозоле клеток и замедлению скорости возвращения неорганического фосфора в хлоропласты до уровня лимитирующего фотосинтетическую активность. В этот период отмечено некоторое уменьшение использования триозофосфатов по сравнению с предшествующим периодом при повышенной [CO₂]. В ответ на периодическое повышение [CO₂] у растений вырабатываются приспособительные реакции, связанные с изменением активности работы световой и темновой стадии фотосинтеза. В частности, изменение активности реакции карбоксилирования, при кратковременном повышении [CO₂], связано с активностью самого фермента, скоростью реакции регенерации РБФ и использованием неорганического фосфата. Последовательное включение и длительность сохранения преобладающей роли каждого из этих процессов различаются в зависимости от предшествующего периода с естественной или повышенной концентрациями углекислоты, а также, времени суток. С другой стороны, приспособление растений на изменяющиеся условия происходит за счет изменения проводимости устьиц, скорости синтеза и оттока фотоассимилятов. Согласование работы всех систем регуляции обеспечивает эффективное использование растениями повышенной [CO₂], что в конечном итоге, выражается в более высокой продуктивности растений.

В работе показаны временные закономерности реакции растений на действие периодического изменении факторов среды в пределах нормы реакции. Установлено, что периодическое изменение света или температуры на фоне естественной [CO₂] приводит к повышению активности фотосинтетического аппарата, увеличению накопления сухого вещества растениями при увеличении периода действующего фактора от 1 до 6 часов.

На примере влияния сернистого газа, УФ-облучения, и обработки листьев раствором метанола на работу фотосинтетического аппарата растений в диссертации показало, что ответная реакция развивается в течении нескольких часов, с превышением уровня контроля или выходом на плато через 5-6 часов. Общность временных параметров ответной реакции растений на действие света, температуры воздуха или стрессовых воздействий свидетельствует о наличии общих механизмов на уровне клетки и целого растения обеспечивающих поддержание физиологических процессов на высоком уровне.

Общие выводы

1. В широком диапазоне изменения факторов внешней среды, в норме и при стрессе, проведено сравнительное изучение адаптационных перестроек фотосинтетического аппарата в ответ на длительное и кратковременное повышение [CO₂]. В контролируемых условиях, на примере Cucumis sativus L. исследованы основные закономерности газообмена и продуктивности растений при повышенной [CO₂] и различных уровнях интенсивности света, температуры.

2. Ответная реакция растений на длительное в течение дня и периода выращивания повышение [CO₂] проявляется в увеличении накопления сухого вещества растением, распределения его в стебли и корни, увеличении площади листовой поверхности и скорости фотосинтеза при относительном уменьшении дыхательных затрат. В диапазоне фоновых температур и увеличивающейся интенсивности света нелинейный характер накопления биомассы растением при естественной [CO₂] меняется на линейный при повышении [CO₂]. Наблюдаемые изменения связаны с более высоким температурным оптимумом фотосинтеза при повышенной [CO₂] и изменением соотношения процессов синтеза и использования ассимилятов в системе донорно-акцепторных отношений целого растения.

3. Снижение положительного эффекта СО₂ при длительном его воздействии на растения, обусловлено адаптационными перестройками фотосинтетического аппарата, проявляющимися в уменьшении содержания пигментов, более высоком накоплении крахмала и растворимых углеводов в листьях при высокой интенсивности света, изменении скорости световых реакций фотосинтеза, а также снижения скорости реакции карбоксилирования в результате уменьшения удельной активности РБФК/О и содержания ее белка.

4. Кратковременное, в течение нескольких часов, периодическое повышение СО₂ приводит к повышению скорости фотосинтеза, однако эффективность [СО₂] определяется совместным действием углекислоты и светового режима и составляет 3 часа для 50 Вт м^-2, 1 час для 105 Вт м^-2и 6 часов для 175 Вт м^-2. Согласование работы систем регуляции обеспечивает эффективное использование повышенной [CO₂], что, в конечном итоге, выражается в более высокой продуктивности растений.

5. На примере 3-часового периодического повышения [CO₂] выявлена взаимосвязь между изменениями скорости фотосинтеза, направленностью изменений устьичного и мезофильного сопротивлений, а также работы световой и темновой стадий фотосинтеза. В зависимости от времени исследования - начала, середины или конца фотопериода, а также периода с естественной или повышенной [CO₂] лимитирующими были - активность РБФК/О, скорость регенерации акцептора - РБФ, использования триозофосфатов в цикле Кальвина. Уменьшение содержания крахмала и преимущественное накопление растворимых углеводов в периоды с повышенной концентрацией СО₂ свидетельствует о прямом ингибировании скорости фотосинтеза содержанием растворимых углеводов и важной роли накопления и распределения углеводов по органам растений в плане регуляции активности фотосинтетического аппарата.

6. Положительный эффект периодического изменения интенсивности света в пределах линейного участка световой кривой фотосинтеза и температуры в пределах фоновых зон на активность фотосинтетического аппарата и продуктивность растений развивается в течение нескольких часов, с выходом на плато через 4-6 часов. Результаты свидетельствует о возможности использования данного приема для повышения продуктивности растений при постоянных энергозатратах.

7. Ответная реакция фотохимических и биохимических реакций растений на действие стрессовых факторов - сернистого газа, ультрафиолетового облучения и/или обработке листьев раствором метанола, носит характер трехфазной реакции с выходом на плато или превышением уровня контроля через 4-6 часов. Общность временных параметров ответной реакции растений на периодическое изменение интенсивности света, температуры воздуха, а также при стрессовых воздействиях свидетельствует, что для реализации генетической программы роста и развития растение включает общие механизмы адаптации на уровне клетки и организма в целом.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Чермных Л.Н., Чугунова Н.Г., Кособрюхов А.А., Карпилова И.Ф., Чермных Р.М. Взаимосвязь ростовых процессов и фотосинтеза в онтогенезе листа огурцов при действии пониженной ночной температуры // Физиология растений. - 1980. - Т. 27. № 5. - С. 1101-1109.

Кособрюхов А.А., Чермных Л.Н. Температурные зависимости газообмена растений огурца при различной освещенности и концентрации СО₂ // Тез. докл. 9 симпоз: "Биологические проблемы Севера". Сыктывкар, - 1981. Ч.1. - С. 224.

Чермных Л.Н., Чугунова Н.Г., Кособрюхов А.А. Активность фотосинтетического аппарата огурцов при адаптации к световым и температурным условиям // Тез. докл. симп. "Исследование биогенеза, структуры и функции фотосинтетического аппарата в связи с преобразованием солнечной энергии". Пущино: ОНТИ, - 1981. - С. 55.

Чермных Л.Н., Чугунова Н.Г., Кособрюхов А.А., Карпилова И.Ф. Газообмен и ростовые процессы у тепличных огурцов при адаптации к световым условиям // Сельскохозяйственная биология. - 1983. - № 6. - С. 62-66.

Kosobrukhov A.A., Sklyarova N.E. Photosynthetic and respiratory gas exchange correlation of cucumber plants adapted to different light and temperature conditions // Abstracts of the III International youth symposium on plants metabolism regulation. Sept 24-29. - Varna-Bulgaria. - 1983. - P. 36.

Чермных Л.Н., Кособрюхов А.А., Чугунова Н.Г. Методический подход к оптимизации фотосинтетической продуктивности растений в контролируемых условиях// "Физиолого-генетические проблемы интенсификации селекционного процесса". Саратов, 4-6 июля 1983г. Саратов. - 1984. Ч. 2. - С. 120-121.

Кособрюхов А.А., Чермных Л.Н., Назарова Г.Н. Активность фотосинтетического аппарата растений огурца в условиях переменной освещенности // "Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности растений". Львов, 3-5 апреля 1984 г. - Львов, 1984. - С. 95-96.

Чермных Л.Н., Кособрюхов А.А., Белов В.Н., Небрат Н.М. Авторское свидетельство N1197598 "Способ определения оптимальной температуры воздуха при выращивании растений в культивационных сооружениях // Бюллетень изобретений. - 1985. - № 46.

Кособрюхов А.А., Чермных Л.Н. Взаимосвязь температурных оптимумов фотосинтеза и продуктивности тепличного огурца // Тез. докл. Всес. Шк. "Математические модели в биогеоценологии". Петрозаводск, 14-19 окт. - Петрозаводск, 1985. - С. 125-126.

Кособрюхов А.А., Чермных Л.Н. Температурный оптимум и интенсивность фотосинтеза при адаптации растений к свету // Сельскохозяйственная биология. - 1986. - № 5. - С. 76-79.

Чермных Л.Н., Кособрюхов А.А. Температурный оптимум выращивания тепличных огурцов при различных уровнях интенсивности света и концентрации СО₂ // Сельскохозяйственная биология. - 1986. -№ 7. - С. 86-90.

Кособрюхов А.А., Пачепская Л.Б., Чермных Л.Н. Анализ влияния облученности растений огурца на газообмен при оптимальных температурах // Комплексное изучение продуктивности агроценозов. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1987. - С. 212-217.

Чермных Л.Н., Кособрюхов А.А. Способ определения оптимальной температуры при выращивании растений в культивационных сооружениях. Пущино: ОНТИ, 1987. - С. 1-2.

Chermnykh L.N., Kosobrukhov A.A. Effect of environmental factors on optimum temperature and photosynthetic intensity of plants adapted to various conditions // Biotronics. - 1987. - V. 16. - Р. 1-13.

Kosobrukhov A.A., Bagnavets E.A., Semenova N.A., Chermnykh L.N., Photosynthesis and absorption of mineral nutrients by tomato plants under various root zone temperature and light conditions. // Biotronics. - 1988. -V. 17. - P. 21-28.

Kosobrukhov A.A. Photosynthetic activity and growth of cucumber plants under different regimes of carbon dioxide enrichment // Proceedings of 12 International Biometeorological congress held at Vienna, Austria. Biometeorology. Part 1. August 26-September 3. 1990. - Р. 32.

Kosobrukhov A., Tsonev Ts., Velichkov D., Stanev V. Effect of various temperatures in the root zone and light intensities on photosynthesis and transpiration of tomato plants // Biotronics. - 1990. - V.19. - P. 1-6.

Tsonev Ts., Kosobrukhov A. Effect of periodic changes of CO₂ concentration in air on gas exchange and productivity of cucumber plants // V Intern. youth symp. on plant metabolism regulation, 8-13 October. Varna, Bulgaria. Sofia. Ins. Plant Phys. 1990. - Р. 71.

Кособрюхов А.А., Чермных Л.Н. Регуляция составляющих продукционного процесса растений огурца факторами внешней среды // Продукционный процесс, его моделирование и полевой контроль. - Саратов. 1990. - С. 95-99.

Ангелов М., Цонев Ц., Величков Д., Станев В., Музафаров Е., Кособрюхов А. Фотосинтетична дейност на фасулеви растениа третиране с триаконтанол // Физиология на растенията. - 1990. - Т. 8. Ч. 1. - Р. 302-306.

Кособрюхов А.А. CO₂ газообмен и рост растений огурца и томата при периодическом изменении концентрации CO₂ в воздухе и разных уровнях интенсивности света. // "Фотосинтез и фотобиология", 16-23 июня 1991г. -Пущино: ОНТИ. - 1991. - С. 48-49.

Егоров В.П., Ананьев Г.М., Кособрюхов А.А. Определение физиологического состояния фотосинтезирующих систем. Методы исследования. // Экспериментальная экология. - М.: Наука. - 1991. - С. 9-18.

Кособрюхов А.А. Использование фитотрона при изучении воздействия экологических факторов на растения // Там же, М.: Наука. - 1991. - С. 24-28.

Кособрюхов А.А. Донорно-акцепторные отношения в растениях томата и огурца при разных периодах подачи CO₂ и уровнях освещенности // Тез. докл. Второго съезда Всесоюзного общества физиологов растений, ч.2, 24-29 сент. - Минск. Москва. - 1992. - С. 107.

Кособрюхов А.А. Фотосинтез и продукционный процесс растений огурца и томата при периодическом изменении концентрации CO₂ в воздухе и разных уровнях освещенности // Тез. докл. Второго съезда Всесоюзного общества физиологов растений, ч.2, 24-29 сент. Минск. Москва. - 1992. - С.107.

Кособрюхов А.А., Агафонов А.В., Губанов С.И. Особенности функционирования электронтранспортной цепи хлоропластов в условиях периодического изменения уровня освещенности // Тез. докл. Третьего съезда Всесоюзного общества физиологов растений, 24-29 июня 1993г. - Санкт-Петербург. - 1993. - № 6. - С. 628.

Кособрюхов А.А., Карпилова И.Ф. Регуляция активности РБФК в листьях огурца повышенной концентрацией CO₂ на фоне различных уровней интенсивности света // Там же. № 6. - С. 628.

Kosobrukhov A.A. The effect of global changes of CO₂ and the climate on the individual plants and ecosystems // Abstracts of XII Intern. Symp. on Environmental Biogeochemistry, Rio De Janeiro. Brazil. - Rio De Janeiro. - 1995. - Р. 105.

Кособрюхов А.А., Мутовина М., Иванов А.А. Последействие монохроматического ультрафиолетового облучения на фотосинтетический аппарат пшеницы и риса // Тез. докл. 1 Всерос. конф. фотобиологов 28-30 мая 1996. Пущино. - Пущино: ОНТИ. - 1996. - С. 8.

Кособрюхов А.А. Экологические и физиологические аспекты влияния глобальных изменений концентрации СО₂ и климата на растения и растительные сообщества // Сельскохозяйственная биология. - 1996. - Т. 5. -С. 39-47.

Кособрюхов А.А., Мудрик В.А. Влияние SO₂ на фотосинтез хвои сосны при естественной и повышенной концентрациях углекислого газа // Известия РАН. - 1997. - № 5. - С. 629-633.

Назарова Г.Н, Шарапова Н.А., Кособрюхов А.А. Влияние ультрафиолетовой радиации на фотосинтетический аппарат проростков гороха с усатым типом листа при различных уровнях интенсивности света // Матер. междунар. науч. конф.: "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их практи-ческого использования"-Пущино:Мин. Науки РФ.-1988.-Т.3.-С.186-188.

Кособрюхов А.А. Влияние повышенной [CO₂] на фотосинтетический аппарат и ростовые процессы при различных уровнях интенсивности света и температуры //Тез. докл. 5 Всесоюз. съезда физиологов растений. М.: ИФР, 1999. - С. 63.

Кособрюхов А.А., Креславский В.Д., Храмов Р.Н., Браткова Л.Р., Щелоков Р.Н. Модифицирующее действие низкоэнергетического люминесцентного света 625 нм на рост и фотосинтез растений // ДАН РАН. - 2000. - Т. 372. № 6. - С. 827-829.

Kosobryukhov A.A., Kreslavski V.D., Khramov R.N., Bratkova L.R., Shchelokov R.N. Influence of additional low intensity luminescent radiation on growth and photosynthesis of plants // Biotronics. - 2000. - № 29. - Р. 23-31.

Кособрюхов А.А. Влияние периодического повышения концентрации СО₂ в воздухе на содержание углеводов в листьях растений огурца // Продукционный процесс с/х культур. Орел ГАУ. 2001. Ч. 1. - С. 87-92.

Кособрюхов А.А. Сравнительная оценка характеристик СО₂ газообмена листьев огурца при повышенной [CO2] в атмосфере // Матер. Междунар. науч. конф.: “Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования” М.: Росс. Унив. Дружбы Народов, 2001. - Т. 2. - С. 495-498.

Кособрюхов А.А. Влияние периодического повышения [CO₂] в атмосфере на СО₂ газообмен и содержание углеводов в листьях огурцов // Вестник Башкирского университета. Специальный выпуск материалов годичного собрания ВОФР. 2001. - №2 (1). - С. 47- 49.

Креславский В.Д., Иванов А.А., Храмов Р.Н., Кособрюхов А.А. Низкоэнергетический красный свет повышает устойчивость фотосинтетического аппарата проростков пшеницы к УФ-В //Там же. -С.50-52.

Кособрюхов А.А. Временные характеристики изменения активности фотосинтетического аппарата при действии различных факторов внешней среды // Материалы межд. научн. конф.: «Биологические ресурсы и устойчивое развитие». Пущино, 29 окт.- 2 нояб. 2001г. Изд. НИА-Природа, 2001.- С. 116-117.

Кособрюхов А.А., Балахнина Т.И., Иванов А.А., Креславский В.Д. Динамика газообмена, активности ФС-2 и перекисное окисление липидов при повышении интенсивности света // Матер. Междунар. науч. конф.: “Новые и нетрадиционные растений и перспективы их использования” М.: Изд. Росс. Унив. Дружбы народов. 2003. - Т. 3. - С. 89-91.

Кособрюхов А.А. Рост и фотосинтез растений при повышенной концентрации СО₂ и различных уровнях интенсивности света и температуры // Тез. докл. на 5-ом съезде общества физиологов растений. Пенза. 15-21 сент., 2003. - С. 405-406.

Креславский В.Д., Иванов А.А., Кособрюхов А.А. Низкоэнергетический свет в области длин волн 620-660 нм уменьшает УФ-В-индуцированное повреждение фотосистемы 2 в листьях шпината // Биофизика.-2004.-Т.49.В.5.-С. 840-844.

Кособрюхов А.А., Биль К.Я., Nishio J.N. Действие метанола на СО₂ газообмен листьев сахарной свеклы в условиях нарастающего водного стресса // Прикладная биохимия и микробиология. - 2004. - Т. 40. № 6. - С. 668-674.

Кособрюхов А. А. Фотосинтетические и продукционные характеристики растений при периодическом изменении параметров внешней среды концентрации СО₂, интенсивности света, температуры. Тез. докл. междунар. научн. конф. «Проблемы физиологии растений Севера», Петрозаводск, 15-18 июня 2004. С. 99.

Балахнина N.И., Кособрюхов А.А., Иванов А.А., Креславский В.Д. 2005. Влияние кадмия на СО₂ газообмен, переменную флуоресценцию хлорофилла и уровень антиоксидантных ферментов в листьях Pisum sativum // Физиология растений. - 2005. - Т. 52. № 1. - С. 21-26.

Кособрюхов А.А. Влияние повышенной концентрации СО₂ на рост и фотосинтез растений при различных уровнях интенсивности света и температуры. В кн.: Роль физиолого-биохимических исследований в селекции овощных культур. Матер. Всерос. научн.-практ. конф., посвященной 75-летию со дня создания отдела физиологии и биохимии растений ВНИИССОК. 28 февраля 2007г. М.: РУДН. 2007. - С. 121-129.

Размещено на Allbest.ru