Курсова робота
на тему:
Вплив водного дефіцитуна інтенсивність фотосинтезу С3 рослин
План
1 Вступ______________________________________________3
2 Літературний огляд __________________________________5
2.1 Характер водного режиму листка за умови посухи_______5
2.2 Зміни фотосинтетичної активності при адаптації рослин до водного
дефіциту _____________________________________5
2.3 Продихова провідність______________________________9
2.4 Фотохімічні процеси, електронний транспорт і
фотофосфорилювання_________________________________11
2.5 Особливості біосинтезу та ферментативної активності РДФКО при
водному дефіциті__________________________13
2.6 Ферменти циклу Кальвіна __________________________14
2.7 Зміни кисне залежних процесів (фотодихання і реакція
Мелера)_____________________________________________15
2.8 Розподіл асимільованого вуглецю____________________18
2.9 Реакція фотосинтезу і фото дихання у сортів пшениці на ґрунтову
посуху______________________________________19
2.10 Реакція фотосинтетичного апарату сортів картоплі на
посуху ______________________________________________21
3.Висновок __________________________________________25
Cписок використаної літератури ________________________27
1 Вступ
У процесі життєдіяльності на рослинні організми постійно впливають
різноманітні фактори навколишнього середовища. Деякі з них залежно від
інтенсивності та тривалості можуть виступати як стресори, тобто
створювати стрес. Неспецифічними типовими реакціями є гальмування росту,
слабке поглинання мінеральних елементів, низька інтенсивність
фотосинтезу. Сукупність морфологічних та фізіолого-біохімічних змін у
відповідь на стрес є проявом загального адаптаційного синдрому живого
організму, який спочатку пристосовується до дії певного подразнення
взагалі, а вже на фоні загальної стресової реакції виникають специфічні,
притаманні лише для даного подразника зміни, що можуть проявлятися
пізніше. Незважаючи на значний інтерес ботаніків, фізіологів, екологів
та біохіміків до вивчення процесів адаптації та з’ясування механізму їх
регуляції на різних рівнях організації рослинного організму, залишається
відкритим і потребує подальшого поглибленого вивчення. Не зникає інтерес
до вивчення ензиматичної функції білків, їх ролі в перебігу
найважливіших фізіологічних процесів у рослинній клітині, зокрема
фотосинтезу [1].
Фотосинтез – головний процес, що визначає специфіку метаболізму зеленої
рослини, знаходиться під впливом – як позитивним, так і негативним –
різноманітних факторів навколишнього середовища. Фотосинтетичну
діяльність забезпечує значна кількість сполук, вивчення кожної з яких є
надзвичайно важливим і цікавим. Велика увага невипадково приділяється
дослідженню початку процесу фотосинтезу – фіксації СО2 та речовин, що
беруть в цьому участь. Саме від активності синтезуючих ферментів значною
мірою залежить інтенсивність фотосинтезу, а в кінцевому результаті –
продуктивність рослин. Враховуючи те, що рослинні організми постійно
відчувають вплив навколишнього середовища, дослідження фотосинтетичної
активності у стресових умовах сприяє розумінню адаптаційних перетворень
та розробці шляхів регулювання стійкості та продуктивності рослин.
За будь-яких екстремальних умов у рослинному організмі спостерігаються
зміни різноманітних фізіологічних параметрів. Таке явище обумовлене
взаємозв’язком окремих процесів у рослині та саморегульованістю її
метаболізму в цілому. В той же час аналіз динаміки цих змін за стресових
умов та характеру взаємозв’язку окремих ланок метаболізму дозволяє
виділити первинні порушення, спричинені безпосередньо дією стресу на
клітину, та вторинні відхилення, що є наслідком первинних порушень
метаболічних функцій.
Важко сказати, чи є органели рослинної клітини об’єктом первинних
порушень. Їх стан можливо визначити лише після екстракції з тканин, які
зазнали дії стресу. За таких обставин самі стресові умови можуть
перешкоджати виділенню органел або ж стати причиною виникнення
цитоплазматичних проміжних продуктів, які самі є пошкоджуючими агентами,
звичайно відсутніми у середовищі. Відомо, що біотичні та абіотичні
стресові фактори суттєво впливають на стан та функції хлоропластів та
мітохондрій. Причому встановлено, що мітохондрії здатні нормально
функціонувати в екстремальних умовах навіть після того, як були
зруйновані хлоропласти.
Фотохімічні реакції, локалізовані на тилакоїдних мембранах хлоропластів,
більш чутливі до стресів, ніж хімічні реакції, що відбуваються у стромі.
Зокрема, температурні стреси порушують фотохімічні реакції ще до
руйнування мембрани хлоропластів. Руйнуються енергетичні зв’язки
комплексу хлорофілу а з хлорофілом b, пошкоджується реакційний центр
фотосистеми. Значних змін зазнає процес фосфорилювання в результаті дії
високих температур, заморожування та водного стресу, на 30% зменшується
максимальна активність фотосинтезу [1].
Фотосинтез у С3 рослин загалом є дуже чутливим до водного дефіциту, але
окремі його етапи характеризуються різною стійкістю до стресового
чинника і часто виявляють істотну генотипну та фенотипну специфічність.
Найзагальнішими ознаками стресової реакції є зменшення продихової
провідності й підвищення інтенсивності фотодихання вже на початкових її
етапах (за ґрунтової посухи – ще до погіршення водного режиму надземних
органів), а також відносно висока стабільність систем абсорбції й
фотохімічного перетворення енергії світла та електронного транспорту в
хлоропластах. Зниження активності ферментів циклу Кальвіна та зміни
вуглецевого метаболізму характерніші для жорсткого водного стресу, проте
в низці досліджень показано інгібування синтезу АТФ і пов’язані з цим
порушення фотосинтетичного метаболізму вже за м’якої посухи. Водний
дефіцит як наслідок перевищення інтенсивності випаровування води над її
поглинанням чи транспортом є найпоширенішим стресовим чинником для
рослин, що гальмує їхні фізіологічні функції і знижує продуктивність
[2]. Тому його вплив на різні аспекти життєдіяльності рослинного
організму тривалий час всебічно вивчається і висвітлюється в науковій
літературі. В останні роки опубліковано багато нових експериментальних
даних, присвячених дії водного дефіциту на фотосинтетичну функцію
рослин. Особливу увагу приділено впливу м’якого і помірного водного
дефіциту, з яким рослини в природних умовах стикаються найчастіше.
Встановлено, що газообмін Н2О і СО2, як і ріст клітин розтягненням,
характеризуються найнижчим порогом чутливості до водного дефіциту в
грунті [3]. Серед найактуальніших досліджуваних проблем можна виділити
такі: а) механізми регуляції продихової
провідності й асиміляції СО2; б) дискусія щодо
лімітуючого чинника фотосинтезу (який компонент фотосинтетичного апарату
– продихи чи метаболічні реакції, і які саме, є найчутливішим до водного
дефіциту і тим самим визначає ступінь ослаблення фотосинтезу загалом);
в) адаптивні реакції та шляхи підвищення стійкості до водного стресу.
2 Літературний огляд
2.1 Характер водного режиму листка за умови посухи
При порівнянні результатів дослідження впливу посухи, отриманих різними
авторами, часто виникають труднощі, зумовлені використанням різних
показників водного режиму і ступеня жорсткості посухи. Найчастіше
визначають такі параметри, як водний потенціал листка (() і водний
дефіцит (ВД) листка в україно-російськомовній літературі або відносний
вміст води (relative water content) в англомовній літературі
(аналогічний, але обернений до ВД параметр). Зауважимо, що параметр
відносний вміст води (ВВВ) має перевагу, оскільки словосполучення
“водний дефіцит” часто слугує синонімом інших понять – “водний стрес” чи
“посуха”. Втім, як зазначає Крамер [4], жоден окремий показник не є
універсальним. Зокрема залежності змін водного потенціалу листка і
фотосинтезу чи продихової провідності є надзвичайно водоспецифічними, що
відбиває, очевидно, особливості адаптації до посухи. Видо- і
сортоспецифічними є також і взаємозв’язки самих параметрів водного
режиму листка. Вважають, що ВВВ більш вдалий показник для характеристики
реакції фотосинтезу на посуху. Він легко визначається і характеризує
вміст води в листку відносно повністю насиченого стану, добре корелює зі
змінами об’єму клітин мезофілу. Однак у деяких роботах спостерігали
чіткий зв’язок між індукованими посухою змінами фотосинтезу і ( , але не
ВВВ. [5,6].
Нерідко для різних характеристик водного режиму автори застосовують і
різну класифікацію стресового досліджуваного об’єкта, що ще більше
ускладнює порівняння результатів окремих досліджень. Для зручності
аналізу літературних даних я використовуватимему класифікацію,
запропоновану Лавлором: м’яка посуха за значень ВВВ у межах 100-85% і (
від 0 до 0,75 мПа, помірна – за ВВВ 85-70% і ( від 0,75 до 1,5 мПа,
жорстка посуха – за ВВВ 70% і ( ( –1,5 мПа.
2.2 Зміни фотосинтетичної активності при адаптації рослин до водного
дефіциту
Для вищих рослин характерний активний шлях адаптації до шкідливих умов
водного режиму. Завдяки комплексу гідрорегулюючих пристосувань, які
проявляються на всіх стадіях онтогенезу і відрізняються автоматизмом і
динамічністю дії, рослини здатні протистояти посушливій дії факторів
зовнішнього середовища. До таких пристосувань, направлених на підвищення
поглинання і зниження випаровування води, відноситься посилений ріст
кореневої системи, закривання продихів та ін. [7-8].
Для вияснення механізму адаптації рослин до водного дефіциту необхідно
вивчити зміни стану і активності пластидного апарату, який
характеризується певною автономністю і високою стійкістю до стресових
дій. Відомо, що автономність водного режиму хлоропластів, більш висока
в’язкість і стабільність водневих зв’язків в них в порівняні з тканинною
водою зв’язані з наявністю хлорофілу, молекули якого, поряд з іншими
гідрофільними сполуками, підвищують гідратаційну і водозатримуючу
здатність пластид. [9].
Дослідами було показано, що при вирощуванні озимої пшениці в умовах 40%
вологості листки рослин характеризувалися підвищенням відносного (мг/г
сирої речовини) вмісту пластидних пігментів, хоча абсолютний вміст їх в
рослинах знизився (мал.1)
Мал. 1. Відносний (а – мг/г сирої речовини) і абсолютний (б – мг в
листках 1 рослини) вміст хлорофілу а (І) і в (ІІ) при різноманітному
водозабезпеченні.
Підвищення концентрації пластидних пігментів в листках при недостатності
вологи в грунті зумовлено зміною обміну речовин. Дослідами було
показано, що при зменшеному водозабезпеченні змінюється напрям
використання вуглецю в процесі фотосинтезу. Підвищується надходження
його на синтез пігментів, геміцелюлози і клітковини. Отже, зміни вмісту
пігментів в листках рослин залежить від ступеня і характеру дії
ґрунтової посухи. Підвищення концентрації їх спостерігається при
вирощуванні рослин з раннього віку при зниженій вологості грунту (мал.
2). Виявлено, що підвищення концентрації пігментів в листках верхнього
ярусу спостерігається не тільки при 40%, але і при 20% вологості грунту
(мал. 3). Різка грунтова посуха викликала зниження концентрації
пігментів в листках, особливо при цвітінні рослин, тобто в критичний до
посухи період.
Мал. 2. Вміст хлорофілу а (І) і в (ІІ) в листках першого (а), другого
(б) і п’ятого (в) ярусів при вирощуванні рослин в умовах різноманітного
водозапезпечення (% ПВ): 1 – 20; 2 – 40; 3 – 70; 4 – припинення поливу.
Підвищена концентрація хлорофілу виявлена у рослин у фазу виходу в
трубку і тільки в листках верхнього ярусу. В період цвітіння вміст їх
знизився в порівнянні з контролем на 43%. При 40% вологості грунту,
навпаки, в період цвітіння спостерігався найбільш високий вміст
пігментів у листках рослин.
Із збільшенням відносного вмісту пластидних пігментів в листках рослин,
вирощуваних при постійному дефіциті вологи в грунті, зростало поглинання
світлової енергії листком. (мал. 4). Однак оптичні властивості листків
при дії на рослини ґрунтової посухи змінювались в меншій мірі, ніж вміст
пігментів. Між збільшенням вмісту пігментів і коефіцієнтом поглинання
світлової енергії існує певна залежність. Вона полягає в тому, що ріст
поглинання світлової енергії спостерігається при збільшенні вмісту
пігментів до певного рівня – 2,5 – 3 мг/дм2 [10].
При дії на рослини різкого припинення поливу із зменшенням вмісту
пігментів у фазу цвітіння на 33% поглинання світлової енергії листком
знижувалось в порівнянні з контролем лише на 12%/.
При різкому припиненні поливу із зменшенням вмісту пігментів
спостерігалось різке пригнічення інтенсивності поглинання СО2 листками:
у фазу виходу в трубку більше ніж у 2 рази, а в фазу колосіння в 5 раз в
порівнянні з контролем. Крім того, у рослин, як
Мал. 3. Cпектри поглинання показали досліди,
спостерігалися
світлової енергії листками озимої також порушення структури хлоро-
пшениці різноманітному водозабез- пластів в мезофільних
клітинах лист-
печенні (%ПВ): 1 – 70; 2 – 40; 3 – ків. При цьому різко
зменшилась
припинення поливу. кількість гран і
площа гранильних
тилакоїдів в хлоропласті. Досліди по-
казали, що такі порушення в пігментній системі викликані сильним
обезводненням листків. Оводненість тканин листків при цьому знизилась в
порівнянні з контролем на 20 – 30%.
В умовах постійного дефіциту вологи в грунті (40% ПВ) цілісність
мембранних структур хлоропластів мезофільних клітин листків не
порушилась. Кількість гран і гранильних тилакоїдів в хлоропласті
незначно знизилась в порівнянні з контролем. Але при цьому, як і при 20%
вологості грунту, спостерігалось різке зменшення розмірів хлоропластів,
тобто збільшилась площа гранильних тилакоїдів на одиницю об’єму
хлоропластів. Такі зміни пояснюють можливість підвищення вмісту
хлорофілу в пластидах. Так при 20% вологості грунту (табл. 1) поглинання
СО2 листком знизилось в 3,4 раза, в той час як вміст хлорофілу
перевищував на 20%. Зниження інтенсивності фотосинтезу в даних умовах
може бути зумовлено ростом продихового опору руху вуглекислоти,
відсутністю акцептора СО2.
Зміни оводнення (%), інтенсивності фотосинтезу (мг СО2/дм2.ч)
продихового опору (сек./см) листків озимої пшениці
Вологість
рунту,% Вихід в трубу Колосіння
оводненість фото-
синтез опір
продихів оводненість фото-
синтез опір
продихів
70 80,63±0,86 11,6 5,8 66,12±1,96 10,9 5,0
40 78,24±0,26 11,0 8,4 – – –
20 76,14±1,36 3,4 26,5 67,30±1,43 5,4 13,8
Припинення
поливу 60,20±0,01 4,9 11,5 53,9±1,63 1,8 27,8
Проведені досліди над впливом різноманітного ступеня і характеру
ґрунтової посухи на пластидний апарат, показали, що збільшення вмісту
пігментів в листках спостерігається при адаптації рослин до ґрунтової
посухи. Тому такі зміни слід розглядати як пристосувальну функцію.
Відомо, що роль хлорофілу в підвищенні водозатримуючої здатності пластид
дозволяє нам передбачати, що нагромадження пігментів в листках при
адаптації рослин до ґрунтової посухи може бути зв’язано зі здатністю їх
до регуляції водного режиму на клітинному і тканинному рівнях.
Зв’язок між вмістом пігментів і водним режимом не обмежується участю
хлорофілу в підвищенні гідратаційної і водозатримуючої здатності
пластид. Про різноманітний характер взаємозв’язку між величиною
продихового опору, інтенсивністю фотосинтезу і транспірацією, що
виникають при дії на рослини постійної і несподіваної ґрунтової посухи,
можна припустити, що накопичення пігментів в листках рослин при
адаптації їх до шкідливих умов водного режиму пов’язано з продиховою
регуляцією водообміну [11].
2.3 Продихова провідність
Зменшення ступеня відкритості та провідності продихів є найхактернішою і
загальною реакцією С3 рослин на водний дефіцит, що має важливе адаптивне
значення й обмежує витрати ґрунтової вологи. При цьому умови здійснення
фотосинтетичної функції погіршуються, але ефективність використання
(втрати) води на одиницю асимільованого СО2, як правило, підвищується.
Закривання продихів є результатом зниження тургорного тиску в замикаючих
клітинах, однак механізми, що лежать в основі продихових рухів, хоча й
інтенсивно вивчаються, залишаються дискусійними і не до кінця
з’ясованими, оскільки продихи знаходяться під комплексним контролем
багатьох зовнішніх і внутрішніх чинників: інтенсивності світла,
концентрації СО2, водного режиму рослин, метаболічної активності, вмісту
фітогормонів тощо [12].
Традиційно зниження продихової провідності за умов водного стресу
пояснювали посиленням водного дефіциту листка (тканини). Однак на даний
час надійно встановлено, що продихи можуть закриватися незалежно від
водного режиму листка, зокрема на найбільш ранніх етапах ґрунтової
посухи, ще до скільки-небудь помітних змін параметрів водного режиму
листка. У дослідах з ярою пшеницею, вирощеною в посудинах Венгера,
припинення поливу в фазу колосіння і зниження вологості грунту протягом
1 доби на 30% не спричинювало змін ВВВ (водного дефіциту) у прапорцевого
листка, але знижувало продихову провідність та інтенсивність фотосинтезу
відповідно на 20 і 30%. Аналогічні результати отримано для рослин
пшениці в польових умовах. Експерименти, в яких підтримували незмінний
водний режим листків при наростанні водного дефіциту в грунті, з
використанням камери тиску чи розділення кореневої системи між
зволоженим і сухим грунтом, чітко продемонстрували, що стан продихів
більшою мірою залежить від водного потенціалу грунту, ніж від водного
статусу листка.
Причини цього явища пов’язують із функціонуванням індукованої посухою
сигнальної системи, що запускається за підсихання грунту, а сигнал
хімічної природи, досягаючи листка з транспіраційним потоком, спричинює
закривання продихів. Основним чинником такого сигналу вважають абсцизову
кислоту (АБК), яка синтезується в коренях рослин у разі зниження
вологозабезпечення. Її роль у закриванні продихів підтверджують
експерименти з введенням екзогенної АБК у ксилему в концентраціях,
характерних для умов посухи. При цьому слід наголосити, що для реакції
продихів важливішим чинником є саме концентрація АБК у ксилемному соку,
а не загальний вміст фітогормону в листку. Разом з тим залежність руху
продихів від ксилемної АБК не є абсолютно однозначною. Хоча чітка
кореляція між концентрацією АБК у ксилемі і продиховою провідністю
листків показана багатьма авторами, інші дослідники виявили, що вона
буває нестабільною і може залежати від часу доби чи жорсткості стресу. У
праці Вілкінсона і Девіса розглянуто низку можливих модифікацій дії
кореневої АБК, пов’язаних зі змінами рН ксилемного соку, метаболізмом
АБК у тканинах кореня і пагона, обміном між пулами кон’югованої і
вільної АБК, чутливістю замикальних клітин до АБК, умовами азотного
живлення тощо. При цьому індуковане водним дефіцитом у кореневій зоні
збільшення рН ксилемного соку саме по собі може слугувати переносником
сигналу до пагона і листків, оскільки сприяє концентруванню АБК в
апопласті замикальних клітин (без зміни загального вмісту АБК у листку
чи в ксилемному соку) і вивільненню її з кон’югованих форм або синтезу з
попередників. Серед інших хімічних чинників кореневого походження, що
впливають на закривання продихів, називають також фазеїнову кислоту і
зниження концентрації цитокінінів у ксилемному соку [13,14].
Крім хімічних сигналів кореневого походження рухи продихів за умов
посухи безперечно залежать і від водного режиму листка та пагона
загалом, однак нині вже зрозуміло, що його дія опосередковується
специфічними активними механізмами регуляції, а не є пасивним наслідком
зниження водного потенціалу листка. Роль гідравлічних чинників
потенційно зростає за більш тривалого і жорсткого водного стресу, хоча
різке зниження вологості повітря і, як наслідок, посилення транспірації
може призводити до падіння тургорного тиску й закривання продихів і на
ранніх етапах ґрунтової посухи або навіть у достатньо зволожених рослин.
Накопичується дедалі більше даних, що закривання продихів може
обумовлюватися погіршенням водозабезпечення листка внаслідок зниження
провідності ксилеми не тільки при кавітації судин за жорсткого водного
дефіциту, а й за помірного стресу, при цьому опір потоку води в ксилемі
знаходиться під динамічним фізіологічним контролем. Разом з тим
механізм, за яким зниження водного потенціалу чи ВВВ листка
трансформується в зміни осмотичного тиску в замикальних клітинах
залишається нез’ясованим. У деяких випадках він, очевидно, може
реалізовуватися за участю додаткового синтезу АБК в листку. Проте схоже,
що участь АБК не є обов’язковою, оскільки в дефіцитних за АБК мутантів
арабідопсису і рослин дикого типу спостерігали однакову реакцію на
зниження вологості повітря [15].
2.4 Фотохімічні процеси, електронний транспорт і фотофосфорилювання
Останнє десятиліття відзначилося істотними змінами в розумінні регуляції
процесів абсорбції світлової енергії та перетворень у тилакоїдних
мембранах хлоропластів, головним чином завдяки вдосконаленню і широкому
застосуванню методів досліджень флуоресценції хлорофілу й, особливо,
ПАМ-флуориметрії ( від англійського РАМ – Pulse Amplitude Modulated).
Сформувалися досить чіткі уявлення про здатність фотосинтетичного
апарату швидко пристосуватися до різких змін світлового режиму,
перерозподіляти поглинену енергію світла між фотохімічними реакціями, що
ініціюють транспорт електронів, та її дисипацією у вигляді тепла. При
цьому висока ефективність механізмів перерозподілу потоків енергії дає
змогу захищати фотосинтетичний апарат від значних пошкоджень навіть за
високої інсоляції, що часто супроводжує посуху в природних умовах. Хоча
в роботах, де в основному вивчали наслідки тривалої жорсткої посухи,
повідомлялось про зниження вмісту хлорофілу і зміни співвідношення
хлорофілів а і b, ширші дослідження показали незмінність вмісту
хлорофілів за умов м’якої і помірної посухи, тобто вміст хлорофілу, як
правило, починає знижуватись тільки тоді, коли асиміляція СО2 тривалий
час була дуже сильно пригнічена. Практично загальноприйнятими є погляди
щодо відносної стабільності максимальної квантової ефективності
адаптованої до темряви ФС (Fy/Fm) навіть за умов жорсткого водного
стресу, а при наростанні водного дефіциту інтенсивність асиміляції СО2
знижується завжди раніше і сильніше, ніж інтенсивність електронного
транспорту. Зменшення активності водного транспорту здебільшого
спостерігається тільки за помірної і жорсткої посухи. Показано, що за
умов стресу піридинові кофактори знаходяться у відновленому стані,
рівень НАДФ(Н залишається сталим, а НАД(Н – зростає, підвищується рівень
відновленості строми і цитоплазми у широких межах змін ВВВ. Отже,
надлишок поглиненої світлової енергії зазвичай є складовою водного
стресу за природних умов і причиною низки змін у структурі
фотосинтетичних мембран, які зрештою гальмують інтенсивність перенесення
електронів через ФС ІІ, що дістало зальну назву – фотоінгібування.
Під поняттям “фотоінгібування” іноді об’єднують низку процесів, які
зачіпають різні компоненти фотосинтетичного апарату й мають різні
кінетичні параметри, а це призводить до певних термінологічних
неузгодженостей. Видається доцільним запропонований Осмондом розподіл на
динамічне фотоінгібування (ДФ) (dynamic photoinhibition,
down-regulation, photoprotection) і хронічне фотоінгібування, або
фотоінактивацію (cronic photoinhibition, photodamage,
photoinactivation). Динамічне фотоінгібування описує зниження квантової
ефективності ФС ІІ на інтенсивному світлі, яке супроводжується
посиленням теплової десипації енергії збудження антигенними формами
хлорофілу і відновлюється після повернення до темряви або дуже слабкого
освітлення протягом десятків хвилин. Його механізми включають підвищення
трансмембранного градієнта рН і деепоксидацію віолаксантину в
ксантофіловому циклі. Фотоінактивація характеризується тривалішим
періодом відновлення (протягом годин) і пов’язана переважно з
пошкодженням компонентів ФС ІІ, насамперед структурного білка D1.
Водний дефіцит підвищує чутливість рослин до фотоінгібування, що
зумовлено, як правило, посиленням ДФ і меншою мірою (принаймні в добре
адаптованих до яскравого світла листків) фотоінактивацією. Посилення
теплової дисипації за водного стресу пов’язують з підвищенням
концентрації зеаксантину, найбільш деепоксидованої форми ксантофілу і
загальну пулу ксантофілів. Слід зазначити, що за водного дефіциту
можливе значне уповільнення реконверсії зеаксантину зі збереженням
високого рівня не фотохімічного гасіння флуоресценції протягом 12 год
темряви. Тривала жорстка посуха може спричинити посилення деградації Д1
і зниження кількості функціональних комплексів ФС ІІ, однак індуковане
посухою накопичення АБК стимулює синтез D1. Підвищення кількості
Qb-невідновлюючих комплексів ФС ІІ за жорсткого стресу було виявлено в
рослин пшениці. Цікаво, що відзначене в роботах зменшення кількості
активних ФС ІІ не призводило до істотного зниження фотохімічної
активності ФС ІІ.
Слід наголосити, що теплова дисипація сприяє збереженню цілісності
структурних елементів фотосинтетичного апарату, але не їх
функціональної активності на світлі. Підтримання інтенсивного
перенесення електронів в ЕТЛ хлоропластів за м’якого і помірного стресів
відбувається внаслідок активації фото дихання і реакції Мелера, які
забезпечують утилізацію значної частини відновлюваного потенціалу.
Активність фотодихання гальмується з посиленням посухи, й інтенсивність
електронного транспорту знижується за одночасного підвищення теплової
дисипації енергії збудження хлорофілу.
Незважаючи на тісний зв’язок процесів електронного транспорту і
фотофосфорилювання, їх реакції на водний дефіцит схоже істотно
різняться. І хоча інгібування синтезу АТФ у хлоропластах тривалий час
дискутується як можлива причина ослаблення фотосинтезу (лімітуючий
чинник) за водного дефіциту, через методичні труднощі це питання
залишається слабко вивченим і контраверсійним [16]. У ранніх
дослідженнях, прведених на ізольованих хлоропластах, було виявлено
інгібування фотофосфорилювання як одну з первинних реакцій
фотосинтетичного апарату на водний стрес, однак повідомлялося також і
про відносно високу стабільність фотофосфорилювання за умов посухи.
Результати досліджень активності синтезу АТФ у хлоропластах інтактних
листків з використанням непрямих методів (вимірювання електрохромного
ефекту), а також прямих визначень вмісту АТФ у листках на світлі
виявилися також доволі суперечливими: отримано свідчення як високої
чутливості АТФази, фактора спряження (CF) до стресу і зниження рівня АТФ
вже за м’якої посухи, так і їх стабільності навіть за жорсткої посухи.
Автори детальних досліджень, проведених у лабораторії Лоулора з
рослинами соняшника, дійшли висновку, що синтез АТФ у хлоропластах все ж
може бути основним лімітуючим чинником фотосинтезу, починаючи з
найраніших етапів посухи. Показано, що збільшення водного дефіциту
спричинювало зменшення активності кількості CF, що призводило до
зниження рівня АТФ та енергозабезпечення фотосинтетичного метаболізму.
Однак залишається нез’ясованим, які чинники викликали зменшення
кількості CF на раніх етапах посухи.
2.5 Особливості біосинтезу та ферментативної активності РДФКО при
водному дефіциті
Водний стрес спричинює численні зміни в метаболізмі рослин, зумовлені
зниженням тургорного водного потенціалу та підвищенням осмотичного
водного тиску в клітинах. Водний баланс тканин рослини впливає на
напрямок та інтенсивність переважної більшості фізіолого-біохімічних
процесів, серед яких важливе місце займає фотосинтез. Надзвичайно
чутливим до умов водного стресу виявився і ключовий фермент процесу
фотосинтезу – РДФКО, проведене на рослинах верби за умов нормального
водного режиму, при водному стресі та після повторного поливу виявилось,
що карбоксилазна активність ферменту знижувалась паралельно зі
зменшенням водного потенціалу листків та досягала контрольного рівня
після поливу рослин. Водний стрес також супроводжувався зменшенням
кількості кристалічного білка в стромі хлоропластів, який представляє
собою молекули РДФКО, що перебувають в активному стані. Було
встановлено, що зниження водного потенціалу листків рослин строго
зменшувало рівень карбоксилазної активності РДФКО на фоні зростання
активності ФЕП-карбоксилази. Виявлено пряму залежність між активністю
РДФКО, рівнем хлорофілу та білка, а також відносним вмістом води,
осмотичним та водним потенціалами листків 30-добових гібридів кукурудзи,
що зазнали дії водного стресу. Вивчення впливу нетривалого водного
стресу на інтенсивність фотосинтезу, вміст хлорофілу, розчинного білка,
РДФКО та РДФ, а також активність РДФКО гібридів соняшника показало
зниження інтенсивності фотосинтезу на фоні незначних змін досліджуваних
параметрів, окрім вмісту РДФ. Це дало авторам підставу вважати, що
інтенсивність фотосинтезу при нетривалому водному стресі впиває на
наявність фотосинтетичного субстрату – РДФ [1].
Порівняння стійкості фотосинтетичних ферментів рослин з С3 та С4 шляхами
фотосинтезу виявило, що ферменти циклу Кальвіна, серед них – РДФКО,
зазнають більшого впливу водного дефіциту. Високий ступінь стійкості
фотосинтетичних ензимів С4 рослин сприяє кращій адаптації останніх до
умов водного стресу [1].
Вивчення карбоксилазної активності РДФКО гібридів кукурудзи при різних
рівнях водозабезпечення виявило, що при тривалому стресі (13 діб)
знижується активність усіх досліджуваних сортів, тоді як при 3-та
7-добових стресах активність ферменту змінювалася в залежності від
біологічних властивостей генотипу. Встановлено, що 9-добовий водний
стрес супроводжувався зниженням вмісту молекул РДФКО на 10-30%, а також
активності ферменту в рослинах сої [1].
Внаслідок водного стресу припиняється процес біосинтезу білка в
6-добових проростках ячменю. Найбільш виразним був ефект у клітинах
апікальної частини. В той же час спостерігалася активізація синтезу
молекул РДФКО, а також синтез de novo 60 кД стресового поліпептиду.
Показано також, що водний стрес викликає зниження вмісту хлорофілу,
зміну структури хлоропластів, зменшення інтенсивності фотосинтетичної
асиміляції СО2. Додавання до рослин цитокінінів, які індукують білковий
синтез, суттєво зменшує негативний вплив водного дефіциту [1].
2.6 Ферменти циклу Кальвіна
Сьогодні зібрано досить багато експериментальних даних щодо зниження
активності ферментів фотосинтетичного вуглецевого метаболізму за
жорсткого і тривалого водного стресу, хоча механізми цих змін остаточно
нез’ясовані. Дискусійними залишаються питання, чи знижується власне
каталітична активність ферментів циклу Кальвіна за умов м’якої і
помірної посухи і чи впливає це зниження на інгібування фотосинтезу
загалом.
Аналізуючи залежність інтенсивності асиміляції СО2 від внутрішньо
листкової концентрації СО2 (А/Сі) за умов посухи в низці С3-видів,
автори дійшли висновку, що активність РБФК/О знижується вже за
помірного стресу, хоча їхні дані можуть бути сумнівними в зв’язку з
імовірними помилками при розрахунку Сі в стресових умовах. За
аналогічних методичних підходів інші дослідники виявили зменшення
ефективності карбоксилювання тільки за жорсткої посухи. Проведені in
vitro прямі визначення активності й активаційного стану РБФК/О,
виділеної з листків підданих дії посухи рослин, також підтвердили
відсутність впливу м’якої посухи на ці показники чи навіть їх
підвищення. Однак зниження максимальної активності й активації РБФК/О за
м’якої та помірної посухи спостерігали в експериментах, проведених на
конюшині. При цьому кількість РБФК/О в листку не змінювалася, що
засвідчує заблокованість каталітичних центрів міцно зв’язаними
інгібіторами. Цікаві результати наведено нещодавно у праці Перрі. Вплив
посухи різного ступеня жорсткості вивчали на повністю сформованому 8-му
листку тютюну і прапорцевому листку пшениці. В тютюну зниження ВВВ
спричинювало зменшення активації й активності РБФК/О вже на ранніх
етапах посухи, зберігаючи тісну корелятивну залежність між водним
дефіцитом у листку й активністю ферменту протягом усього експерименту.
При цьому виявлено, що активність РБФК/О, особливо на початку посухи,
знижувалася в основному внаслідок блокування активних центрів ферменту
специфічними інгібіторами. У пшениці не виявлено жодних змін активності
чи активаційного статусу РБФК/О при зниженні ВВВ від 95 до 70% шляхом
припинення поливу на 10 діб. При цьому частка блокованих міцно зв’язаних
інгібітором каталітичних центрів була дуже великою і варіабельною як у
дослідному варіанті, так і в контролі. Автори припустили, що блокування
активних центрів РБФК/О специфічними інгібіторами може визначати зміни
карбоксилазної активності за посухи, а також захищати від гідролізу
протеазами [17].
?
?
V\4
:
¦
¬
?
\:
¬
gd>zJ
gd>zJ
gd}d?
gd>zJ
oioooooieaooooUeooooo?ooo
gd>zJ
????????Т?Т?сований у листках казуарини. Ймовірніше, що уповільнення
регенерації РБФ пов’язане з порушенням синтезу АТФ. Припускають, що цією
ж причиною може бути зумовлене і зниження активності й активаційного
стану РБФК/О. Справді, активаційний статус РБФК/О in vivo регулюється в
основному АТФ-залежним ферментом РБФК/О-активазою, яка дуже чутлива до
вмісту АТФ та величини відношення АТФ/АДФ [18].
2.7 Зміни киснезалежних процесів
(фотодихання і реакція Мелера)
Фотодихання розглядають як одну з найістотніших складових енергетичного
і пластичного балансу рослинного організму, що чутливо реагує на водний
дефіцит. Вважають, що за нормальних умов у результаті фотодихання
С3-рослини втрачають 40% асимільованого вуглецю. При цьому 80-100% СО2,
що виділяється при фотодиханні, рефіксується в процесі фотосинтезу.
Теоретичні розрахунки на основі стехіометрії реакцій циклу Кальвіна і
гліколатного шунта підтверджують, що енергетичні витрати на фотодихання
при асиміляції СО2 в С3-рослин становлять не менш як 44% навіть без
урахування рефіксації [19].
Відомо, що інтенсивність фотодихання посилюється зі зменшенням
концентрації СО2 чи величини відношення концентрації СО2/О2 і
підвищенням температури. За умов водного дефіциту вплив цих чинників
різко зростає в міру закривання продихів. Тому не дивно, що підвищення
інтенсивності фотодихання (принаймні відносно фотосинтезу) за помірного
водного стресу було чітко зафіксоване вже в ранніх дослідженнях. Однак
динаміка змін абсолютних величин інтенсивності фотодихання за наростання
водного дефіциту, їх механізми та фізіологічне значення досить
залишаються дискусійними.
Експерименти, проведені з двома сортами ярої пшениці, контрасними за
посухостійкістю, виявили двофазну динаміку змін абсолютних величин
інтенсивності фотодихання після припинення поливу. На початкових етапах
розвитку водного стресу активність фотодихання підвищувалася. У менш
стійкого сорту це спостерігалося тільки на першу добу після припинення
поливу, а в посухостійкого сорту – протягом тривалішого періоду з
максимумом на третю добу. За жорсткої посухи інтенсивність фотодихання
зменшувалася майже на 40% порівняно з контролем в обох сортів, але
приблизно в 5 разів зростало відношення фотоди-
хання/фотосинтез. Дослідженнями мутантних форм ячменю, дефіцитних за
деякими ферментами фотодихання, теж підтверджено, що інтенсивність
фотодихання підвищується за умов помірної посухи, а в разі її посилення
поступово знижується, але натомість зростає відношення
фотодихання/фотосинтез. Підвищення не тільки стосовно фотосинтезу, а й
абсолютних величин інтенсивності фотодихання за помірної посухи
зафіксовано також в експериментах, де активність фотодихання визначали
за допомогою одночасних вимірювань СО2-газобміну та флуоресценції
хлорофілу. Однак у мас-спектрометричних дослідженнях СО2-газообміну з
використанням 12С і 13С, проведених на рослинах томатів, не виявлено
достовірного підвищення інтенсивності фотодихання зі зниженням водного
потенціалу, хоча воно відбувалося за зниження концентрації СО2 [20].
Основною причиною активування фотодихання при зростанні водного дефіциту
здебільшого вважають зниження концентрації СО2 в стромі хлоропластів
внаслідок підвищення опору дифузії через продихи і клітини мезофілу.
Теоретичні розрахунки, що ґрунтуються на кінетичних характеристиках
РБФК/О, засвідчують, що зі зниженням концентрації СО2, яке імітує
закривання продихів, за високих рівнів освітлення інтенсивність
оксигеназної реакції зростає. Разом з тим у згаданих вище експериментах,
принаймні в пшениці Саратовська 29, істотне підвищення активності
фотодихання було зафіксоване в першу добу після припинення поливу за
практично незмінної Сі, тобто воно не було зумовлене закриванням
продихів. Однак зниження концентрації СО2 в стромі хлоропластів могло
бути наслідком посилення опору дифузії мезофілу. Ще однією причиною
підвищення інтенсивності фотодихання може бути активування реакцій
декарбоксилування кетокислот за дії Н2О2 в пероксисомах. Помітний внесок
цих реакцій у загальне виділення СО2 на світлі продемонстровано в
роботах із трансгенними рослинами тютюну, що мали змінену активність
каталази. Крім того, встановлено істотне посилення синтезу й накопичення
Н2О2 в листках під дією АБК, яке розглядають як один з важливих
елементів у системі реакцій на водний стрес. Однак досі ще нез’ясовано,
якою мірою реакії декарбоксилування за участю Н2О2 посилюють фотодихання
під час стресу.
Для кількісних оцінок активності прямого відновлення кисню фередоксином
в ФС І і подальшого знешкодження утворених АФК в Мелер-пероксидазному
циклі (МПЦ) in vivo використовують низку методичних підходів і припущень
(часто доволі дискусійних). Найкоректніші результати вимірювань
інтенсивності фотодихання і реакції Мелера отримують за одночасного
мас-спектрометричного дослідження СО2- і О2-газообміну з використанням
різних ізотопів вуглецю і кисню. Частіше про індуковану посухою
інтенсифікацію реакції Мелера судять за підвищенням активності
антиоксидантних ферментів і вмісту антиоксидантів. Однак розрахунки
підтверджують, що фотодихання є найпотужнішим джерелом Н2О2 у
фотосинтезуючій клітині за водного стресу і може істотно впливати на
розвиток оксидного стресу [21].
В екологічних дослідженнях МПЦ здебільшого розглядають в аспекті його
фотопроекторної ролі в утилізації надлишку електронів в
електротранспортному ланцюзі хлоропластів, а його активність визначають
як відносну частку лінійного електронного транспорту. Оцінки відносної
величини і ролі МПЦ в реакції фотосинтетичного апарату на посуху,
включно з фотопроекторною функцією, дуже суперечливі. За даними одних
дослідників, частка електронного потоку, що використовується в МПЦ за
оптимальних умов, становить менше як 10%, а в працях інших авторів ця
величина оцінена на рівні 30-40% загальної інтенсивності лінійного
транспорту електронів. Відомий фахівець Асада на підставі широкого
огляду літературних джерел відзначив тільки 3 праці, в яких за допомогою
прямих методів було доведено підвищення інтенсивності реакції Мелера за
умов водного стресу. Ці дослідження проведені на рослинах пшениці,
томатів і винограду. Активування реакції Мелера в них зафіксоване тільки
за високої інтевності освітлення і жорсткої посухи, коли асиміляція СО2
була дуже пригнічена. В пізніших працях однією зі згаданих вище
дослідницьких груп, яка удосконалила методику, було показано зниження
інтенсивності перебігу реакції Мелера у томатів за подібних умов [20].
Детальний огляд літератури, присвяченої змінам антиоксидантної системи
за посухи, провели Флешас і Медрано, але теж не виявили однозначної
реакції за жодним з її компонентів. У публікаціях повідомлялось як про
підвищення, так і про зниження чи відсутність змін активності ферментів
МПЦ і концентрацій антиоксидантів за наростання водного дефіциту. Схоже,
що роль МПЦ у розвитку стресової реакції рослин може бути різною залежно
від конкретних умов проведення експерименту та генотипних особливостей
об’єкта. Автори огляду підкреслили, що в більшості робіт підвищення
антиоксидантної активності спостерігалось за жорсткої посухи. Разом з
тим в умовах екстримально жорсткої посухи починають виявлятися й ознаки
оксидантних пошкоджень [22].
2.8 Розподіл асимільованого вуглецю
Результати досліджень впливу посухи на метаболізм асимільованого вуглецю
доволі неоднозначні й відбивають здебільшого істотні видові особливості.
Втім загальною ознакою реакції вуглецевого обміну на водний стрес
вважають відносне зниження синтезу крохмалю і посилення синтезу
розчинених вуглеводів. Однак перерозподіл метаболічного потоку
асимільованого вуглецю на користь синтезу сахарози може супроводжуватись
як підвищенням її вмісту у листках, так і його зниженням чи незмінним
рівнем. При цьому (попри деяку розбіжність даних різних авторів)
активність ключового ферменту синтезу сахарози – сахарозофосфатсинтази
знижується з посиленням водного стресу. Разом з тим результати
експериментів практично одностайно засвідчують посилення накопичення
моноцукрів, зокрема глюкози та фруктози та їхніх похідних багатоатомних
спиртів. Причиною підвищення вмісту цукрів у фотосинтезуючих органах
швидше за все є як зниження експорту, так і відносне активування їх
синтезу. Гальмування відтоку асимілянтів за помірної і жорсткої
грунтової посухи спостерігали в дослідах із рослинами різних сортів
винограду. Цікаво, що при цьому відносне включення асимільованого
вуглецю в розчині вуглеводи зростало, а синтез крохмалю майже
припинявся. Крім того, водний дефіцит зумовлює накопичення деяких аміно-
й органічних кислот. Підвищення вмісту низькомолекулярних сполук у
клітинах розглядають як механізм осмотичного пристосування (osmotic
adjustment), що є важливою ланкою адаптації до недостатнього зволоження
[16].
Активування синтезу окремих амінокислот за водного стресу безпосередньо
пов’язане з реакцієї фотосинтетичного апарату. Так, підвищення
концентрацій гліцину й серину – інтермедіатів гліколатного метаболізму –
зумовлене посиленням інтенсивності фотодихання за м’якого і помірного
стресу, але за жорсткої і тривалої посухи є радше наслідком інгібування
білкового синтезу. Крім того, у багатьох видів зафіксоване характерне
посилення включення асимільованого вуглецю в аланін і аспартат.
Вважають, що причиною цього так званого аланінового ефекту є
метаболізація фосфогліцеринової кислоти гліколітичним шляхом внаслідок
дефіциту АТФ.
Сигнал про зниження водозабезпечення в кореневій зоні передають чинники
хімічної природи, найважливішим з яких є АБК. Інша загальна ознака
стресової реації – відносно висока стабільність системи абсорбції і
фотохімічного перетворення енергії світла, що забезпечується
активуванням альтернативних акцепторів електронів (фотодихання і МПЦ) та
здатністю до швидкого й ефективного перерозподілу енергії збудження
хлорофілу між процесами асиміляції та розсіювання. Стабільність
фотосистем однак не корелює з активністю синтезу АТФ, який може виявляти
дуже високу чутливість до водного дефіциту. Неоднакова стійкість окремих
складових фотосинтетичного апарату дає змогу припускати, що реакція
фотосинтезу загалом може визначатися інгібуванням найчутливішої ланки,
від чого більшою чи меншою мірою залежать і зміни суміжних процесів.
2.9 Реакція фотосинтезу і фотодихання у сортів пшениці на ґрунтову
посуху
Встановлено, що бiльша стiйкiсть фотосинтетичного апаpату до дiї
коpоткочасної гpунтової посухи у посухостiйких соpтiв пшеницi, нiж у
менш посухостiйких, пояснюється меншими (вiдносно фотосинтезу) витpатами
вуглецю на фотодихання i вищою листковою пpовiднiстю CO2.
Впеpше встановлено, що впpодовж наpостання водного дефiциту
iнтенсивнiсть фотодихання у сортiв яpої пшеницi змiнюється двофазно: у
початковий пеpiод пiдвищується, а потiм знижується. Пpи цьому фаза
активацiї iнтенсивностi фотодихання у посухостiйких соpтiв пшеницi є
бiльш тpивалою, нiж у менш посухостiйких. Пiдвищення фотодихання за
стpесових умов пов`язано iз зниженням надходження вуглекислого газу в
хлоpопласти листка i пiдсиленням оксигеназної pеакцiї РБФК/О.
У соpтiв пшеницi в стpесових умовах фотодихання захищає
фотосинтетичний апаpат вiд фотоiнгiбування, що яскpавiше виявлено у
посухостiйких соpтiв.
Рослини виpощували у вегетацiйному будиночку в посудинах, якi
мiстили 7 кг абсолютно сухого гpунту, удобpеного NРК. Пpоpостки
виpощували в пластмасових посудинах, якi мiстили 500 г гpунту i 100 г
пiску, пiдживлених pозчином Кнопа. Вологiсть гpунту пiдтpимували на
piвнi 60% вiд повної вологоємкостi (ПВ). Посуху ствоpювали обмеженням
поливу pослин дослiдного ваpiанту, знижуючи вологiсть гpунту до 30% вiд
ПВ.
Ваpiанти вегетацiйних дослiдiв:
1) гpунтова посуха пpи 30% ПВ у фази колосiння-цвiтiння, яку
ствоpювали пpипиненням поливу i з наступним його вiдновленням чеpез 6
дiб;
2) зниження вологостi гpунту до 30% ПВ з наступним вiдновленням поливу
в фази виходу в тpубку i колосiння-цвiтiння.
Ваpiанти дослiдiв на проростках :
1) зниження вологостi гpунту до 30% ПВ пpипиненням поливу;
2) експозицiя при темпеpатуpi 40 оС протягом 2,5 годин пpи двох
концентpацiях кисню (21% та 2%) .
Вимipювання CO2-газообмiну pослин пpоводили за допомогою iнфpачеpвоного
газоналiзатоpа ОА-5501, пpи темпеpатуpi 25 оС і iнтенсивностi ФАР
400 Вт/м2. Iнтенсивнiсть фотодихання оцiнювали за piвнем викиду CO2 в
пеpшi 60 сек. пiсля вимкнення свiтла. Водний дефiцит визначали за
стандаpтною методикою.
Дія і післядія ґрунтової посухи, високотемпературного стресу на
фотосинтез і фотодихання сортів озимої пшениці
За одеpжаними даними у дослiдах з пpоpостками двох piзних за
посухостiйкiстю гpуп соpтiв озимої пшеницi встановлено, що зниження
вологостi гpунту до 30% ПВ пpизвело до суттєвого збiльшення водного
дефiциту листкiв пpоpосткiв як у посухостiйких, так i у менш
посухостiйких соpтiв: у пеpших вiн зpiс у сеpедньому в 2,4 pази, а у
дpугих – 3,0.
Iнтенсивнiсть видимого фотосинтезу в сеpедньому по гpупах соpтiв пiд
дiєю посухи iнгiбується однаково (на 61%). Але в гpупi посухостiйких
соpтiв асимiляцiя CO2 найменше пpигнiчувалася у соpту Одеська 162 i
становила 81 % вiд контpолю. У pешти соpтiв цiєї ж гpупи видимий
фотосинтез за умов гpунтової посухи значно зменшився i доpiвнював 19-
37 % вiд контpолю. У соpтiв Збpуч та Циганка, якi належать до менш
посухостiйких, видимий фотосинтез знизився на 48,7% i 41,4% вiд
контpолю. Таким чином у цiлому pозбiжностi мiж дослiдженими соpтами в
межах кожної гpупи соpтiв за ступенем iнгiбування iнтенсивностi
фотосинтезу пiд дiєю посухи пеpекpивають вiдмiнностi за цим паpаметpом
мiж соpтами piзних гpуп посухостiйкостi.
Разом з тим, зниження водопостачання пpизвело до пiдвищення фотодихання
в усiх посухостiйких соpтiв, тодi як в гpупi менш посухостiйких
соpтiв воно зменшувалося або зpостало, але менше, нiж у соpтiв пеpшої
гpупи. Так iнтенсивнiсть фотодихання найбiльше зpосла у Донської
напiвкаpликової у 2,7 pази i Альбатpоса одеського у 2,2 pази вiд
контpолю. У сеpедньому в гpупi п’яти посухостiйких соpтiв фотодихання
збiльшилося пpоти контpолю на 69 %, а в гpупi п’яти менш посухостiйких –
на 14%.
Для оцiнки iнтенсивностi глiколатного метаболiзму визначали активнiсть
декаpбоксилування 14-СО2- глiколату. У pослин менш посухостiйких
соpтiв активнiсть декаpбоксилування зменшувалася на 22,5%, а у
посухостiйких вона дещо збiльшувалася i становила 109 % вiд
контpолю. Це свiдчить пpо те, що в умовах посухи глiколатний
метаболiзм пpотiкав у посухостiйких соpтiв iнтенсивнiше, нiж у менш
посухостiйких. Цi данi узгоджуються з pезультатами газометpичних
вимipювань фотодихання. Внаслiдок семидобової посухи вмiст хлоpофiлу в
листках у посухостiйких соpтiв зменшився на 13,1%, а у менш
посухостiйких на 22,4% поpiвняно з контpолем.
При дiї високотемпеpатуpного стpесу у проросткiв менш посухостiйкого
соpту Мирлебен iнтенсивнiсть фотосинтезу i фотодихання значно
знижується, тодi як у посухостiйкого соpту Одеська 162 фотосинтез
пpигнiчується менше, а iнтенсивнiсть фотодихання не змiнюється. Пpи
вiдсутностi фотодихання вiдмiнностi мiж соpтами зникали. Цi pезультати
дають пiдставу зpобити висновок пpо те, що фотодихання за умов високої
темпеpатуpи і освiтленностi виконує функцiю захисту фотосинтетичного
апаpату pослин (бiльш виpажену у посухостiйкого соpту), збеpiгаючи його
вiд фотоiнгiбування.
Фотосинтез флагового листка пiд впливом посухи сильнiше пpигнiчувався у
соpту Миpлебен. Водночас iнтенсивнiсть фотодихання посухостiйкого соpту
Одеська 162 i в дослiдному, i контpольному ваpiантах була
однаковою, а у соpту Миpлебен пpи посусi зменшувалася. Рiвень
фотодихання вiдносно видимого фотосинтезу зpостав у соpту Одеська 162
в 1,7 pази, а соpту Миpлебен в 3,7 pази порiвняно з контролем.
Пiсля вiдновлення поливу iнтенсивнiсть видимого фотосинтезу
флагового листка у соpту Одеська 162 вiдновилася повнiстю, а соpту
Миpлебен – лише до 60% вiд piвня контpолю. У пеpшого з соpтiв пpи цьому
вiдбувалося також пpактично повне вiдновлення фотодихання, а у сорту
Мирлебен до 59% вiд контролю. Вiдношення фотодихання до фотосинтезу
зменшилося до величин контрольних pослин обох сортiв вже на
наступну добу пiсля поновлення поливу. У них вiдбувалося також повне
вiдновлення величин листкового опоpу та ефективностi викоpистання
води.
Таким чином pезультати пpоведених дослiджень свiдчать, що
фотосинтетичний апаpат pослин соpту Миpлебен є значно чутливiшим до дiї
водного стpесу, нiж соpту Одеська 162. Бiльша стiйкiсть фотосинтезу в
pослин соpту пшеницi Одеська 162, очевидно, пов’язана з адаптацiйними
пpоцесами – зpостанням концентpацiї осмотично активних pечовин i
пpодихового опоpу, що дозволяє пiдвищити ефективнiсть поглинання та
викоpистання води. Пiдтpимання бiльшої iнтенсивностi фотосинтезу пiд
час дiї стpесу i швидке вiдновлення фотосинтетичного апаpату пpи
поновленнi поливу pослин соpту Одеська 162 обумовлювало менші втрати
зернової продуктивності [23].
2.10 Реакція фотосинтетичного апарату
сортів картоплі на посуху
На території України майже 15 млн. га орних земель розташовано в зонах
недостатнього та нестійкого зволоження. В результаті культурні рослини,
в тому числі і картопля, порівняно рідко реалізують свій генетичний
потенціал, який у посушливі роки може знижуватися на 50% і більше.
Навіть незначне напруження водного балансу порушує метаболічні процеси,
що призводить до суттєвого зниження продуктивності рослин. У зв?язку з
цим, вивчення фізіологічної реакції різних генотипів рослин на водний
стрес має актуальне теоретичне та практичне значення. В цьому аспекті
особливого значення набуває розкриття фізіологічних та
молекулярно-біохімічних механізмів стійкості та підвищення адаптивного
потенціалу сортів картоплі української селекції до факторів посухи. В
літературі обмаль експериментальних даних стосовно вивчення значення
фізіологічної реакції різних генотипів картоплі на посуху з врахуванням
функціонування ключових ланок метаболізму з позицій системного підходу.
Досліджено динаміку зміни параметрів водного статусу картоплі протягом
тривалої посухи. Виявлено специфічність реакції фотосинтетичного
апарату, фітогормонального і амінокислотного пулів в листках сортів
картоплі на недостатнє водозабезпечення. Зафіксовано сортові відмінності
в реакції пігментного комплексу на водний дефіцит. Показано, що
накопичення значної кількості абсцизової кислоти в умовах водного стресу
корелює з розвитком посухостійкості і залежить від сортових особливостей
картоплі. Встановлено, що акумуляція вмісту етилену в листках сортів
картоплі різних екотипів суттєво залежить від рівня їх водозабезпечення,
показано можливість регуляції складових адаптивного потенціалу, зокрема
водного режиму, фотосинтетичної активності, фітогормонального комплексу
в рослинах за допомогою полімерних регуляторів росту з пролонгованою
фітогормональною дією в умовах обмеженого водозабезпечення.
Встановлено, що тривала посуха індукувала суттєвіше збільшення водного
дефіциту (ВД) в листках слабостійких до посухи сортів картоплі. Так, на
12 добу посухи в листках посухостійких сортів Гарт і Темп ВД зростав в
3,7 та 4,2 рази, а в слабостійких – Бородянська рожева і Древлянка в 4,4
та 4,8 рази. При цьому слабостійкі сорти картоплі інтенсивніше втрачали
воду, внаслідок чого оводненість (ОВ) їх листків знижувалась порівняно з
контролем на 32,3 та 36,2%, тоді як в посухостійких – на 21,5 та 24,6%.
ВД рослин визначається вмістом води і її енергетичним статусом,
вираженим як загальний водний потенціал (ВП), який в рослинних тканинах
становить – 0,2…-1,3 мПа. За жорсткого дефіциту вологи ВП може
знижуватися до – 1,7 мПа. Отже, в умовах посухи ВП в листках картоплі
зменшувався. Зокрема, слабостійкі сорти відзначалися ширшою амплітудою
реакції на посуху за цим параметром. Так, за умов зневоднення (12 доба
посухи) ВП у посухостійких сортів Гарт і Темп зменшувався в 2,7 та 2,8
рази, а в слабостійких – Бородянська рожева і Древлянка – в 2,8 та 2,9
рази. Виявлено, що зростання ВД зумовило значне підвищення
коефіцієнту водозатримання (Квз) в листках посухостійких сортів
картоплі, ніж у слабостійких. При цьому коефіцієнт водовідновлення
(КВВ) зменшувався впродовж 12-добової посухи суттєвіше в слабостійких
до посухи сортів, тоді як обробка рослин регуляторами росту сприяла
підвищенню його величини до контролю. Слід зазначити, що за оптимального
водозабезпечення Квз в стійких до посухи сортів був вищий порівняно зі
слабостійкими. Нестача вологи зумовила незначне зниження Квз на початку
водного стресу. За подальшого зневоднення водозатримувальна здатність
клітин зростала у всіх сортів, про що свідчить підвищення Квз із
наростанням ВД. Це, очевидно, є наслідком адаптації рослин до жорстких
умов вирощування. Однак амплітуда реакції листків до дефіциту вологи в
слабостійких до посухи сортів була ширшою порівняно зі стійкими.
Зафіксовано, що підвищення Квз супроводжувалось суттєвим зменшенням Квв
у листках сортів картоплі протягом посухи. Значніше підвищення
водозатримувальної здатності та ступеня відновлення клітин у листках
стійких до посухи сортів картоплі зумовило зростання їх коефіцієнту
посухостійкості (Кпс), внаслідок чого скорочувалися втрати води.
Зокрема, в екстремальних умовах водозабезпечення Кпс у посухостійких
сортів зменшувався на 26,2 (Гарт) і 28,4% (Темп), а в слабостійких – на
56,0 (Бородянська рожева) та 58,6% (Древлянка) до контролю.
Встановлено, що зростання ВД листків за тривалої посухи викликало
експоненційне зменшення інтенсивності фотосинтезу (ІФ), яке пропорційне
оберненій величині ВД. Значення ВД листків картоплі близько 30-35% є
критичними у функціонуванні фотосинтетичного апарату, причому подальше
збільшення ВД призводило до різкого зниження фотосинтетичної активності
хлоропластів, особливо у слабостійких до посухи сортів картоплі
Бородянської рожевої і Древлянки. У листках посухостійких сортів – Гарт
і Темп виявлено повільніший спад ІФ за значного ВД, що свідчить про
наявність адаптивних реакцій стабілізації енергетичних процесів за умов
недостатнього водозабезпечення. В стійкого до посухи ранньостиглого
сорту Гарт ІФ зменшувалась на 43,4%, слабостійкого – Бородянська рожева-
на 70,9%, в пізньостиглого, стійкого до посухи сорту Темп – на 36,5%, в
слабостійкого – Древлянка – на 75,0% до контролю.
З’ясовано, що криві залежності ІФ від ВД для ранньостиглих сортів
картоплі зсунуті вправо по осі ординат порівняно з пізньостиглими, тобто
дані сорти більш пристосовані до недостатнього водозабезпечення і не
знижують ІФ за значнішого ВД. За реакцією фотосинтетичного апарату на
дефіцит води сорти картоплі розміщуються у наступному порядку: Гарт,
Темп, Бородянська рожева, Древлянка.
Обробка рослин водними розчинами регуляторів росту сприяла збереженню
фотосинтетичної функції на вищому рівні, ніж в контрольних.
Найефективніший вплив на ІФ листків картоплі виявив П-К, порівняно з
П-А-6 і Е-С. При цьому стимулююча дія препаратів супроводжувалась
зменшенням опору дифузії в листках картоплі.
Під впливом водного стресу знижувалась інтенсивність фотодихання (ФД) до
одиниці зростання рівня темнового дихання (ІД). При цьому зафіксовано
збільшення величини ФД відносно ІФ у листках ранньо- і пізньостиглих
сортів картоплі. Виявлено, що вища стійкість фотосинтетичного апарату до
дії водного стресу у посухостійких сортів картоплі, на відміну від
слабостійких, пов’язана з меншими (відносно ІФ) втратами вуглецю на ФД і
вищою листковою провідністю СО2. Полімерні форми регуляторів росту
виявили активуючий вплив на світлове дихання за рахунок посилення ІФ та
збільшення поглинання вуглекислого газу при відкритті продихів. Водночас
діапазон зміни ІД був незначним за умов посухи, що вказує на його
відносну стійкість до дефіциту вологи.
Однією з інтегральних характеристик фотосинтетичного апарату є кількість
пігментів і їх співвідношення. Встановлена пряма залежність між
кількістю пігментів і продуктивністю, а також життєдіяльністю та
стійкістю рослин до несприятливих факторів навколишнього середовища.
Нами виявлено зниження концентрації хлорофілів і каротиноїдів за дії
водного стресу. Водночас зафіксовано зменшення величини відношення
хлорофілу а до хлорофілу в, що відбувалося за рахунок більшого зниження
вмісту хлорофілу а. За недостатнього водозабезпечення виявлено найменші
втрати каротиноїдів, порівняно з хлорофілом в і, особливо, з хлорофілом
а.
Таким чином, тривала посуха індукувала гальмування процесів
фотосинтетичного газообміну та зниження концентрації хлорофілів і
каротиноїдів в листках картоплі. Застосування регуляторів росту сприяло
зменшенню стресового впливу посухи, стабілізації ІФ, пігментного
комплексу в листках сортів картоплі різного екологічного походження.
3.Висновок
Пpоблема вивчення фiзiологiчних механiзмiв посухостiйкостi pослин
пpивеpтає значну увагу чеpез те, що посуха суттєво обмежує потенцiал
пpодуктивностi культуpних pослин на великих площах земної кулi. Гостpою
є ця пpоблема також для Укpаїни, значна частина
сiльськогосподаpських угiдь якої вiдноситься до зони недостатнього
вологозабезпечення.
Оскiльки 90-95% оpганiчної маси pослин ствоpюється в пpоцесi
фотосинтезу, однiєю з головних пpичин зниження їх пpодуктивностi в
умовах посухи є гальмування фотосинтезу, який найбiльш швидко pеагує на
нестачу води. Встановлено, що навіть незначне зменшення вологості
грунту, ще до появи помітних змін оводненостi листкiв, викликає
пpигнiчення фотосинтетичного засвоєння вуглекислого газу [2].
Інгібування фотосинтезу за помірної та нетривалої дії посухи
обумовлюється, пеpш за все, частковим закpиттям пpодихiв. Тривале і
більш глибоке зневоднення фотосинтезуючих тканин призводить до суттєвих
змiн фотосинтетичного метаболізму, непродихового лімітування
фотосинтезу. Експериментально встановлено зниження у цих умовах
активності 1 i 2 фотосистем та фотофосфорилювання, зменшення активностi
та вмісту РБФК.
Ефективнiсть фотосинтетичної асимiляцiї вуглецю у С3-pослин,
поpiвняно з С4-pослинами, значно знижена внаслiдок пpоцесу фотодихання.
Видiлення вуглекислоти i її втpати в пpоцесi фотодихання досягає 50 %
вiд видимого фотосинтезу листка. Хоча питання пpо фiзiологiчну pоль
цього пpоцесу ще до кiнця не з`ясоване, однак в лiтеpатуpi висловлено
пpипущення, що глiколатному метаболiзму належить важлива pоль в
pегуляцiї фотосинтетичної асимiляцiї СО2 за стpесових умов. Це,
звичайно, є актуальним питанням, яке потpебує бiльш глибокого вивчення.
Нині активно дискутуються два альтернтивні сценарії розвитку реакції
фотосинтезу за водного стресу [16]. За одним із них інгібування
фотосинтезу за м’якої і помірної посухи визначається зниженням
продихової провідності, що призводить до посилення інтенсивності
фотодихання, гальмування циклу Кальвіна і фотоінгібування, а за
жорсткого стресу визначальним є інгібування метаболічних процесів. За
другим – найчутливішою лімітуючою ланкою фотосинтезу є
фотофосфорилювання, що спричиняє зниження активності асиміляції СО2 в
циклі Кальвіна, збільшення відношення фотодихання/фотосинтез, а
продихова апертура змінюється так, щоб мінімізувати втрати води за
заданого рівня СО2-газообміну. Обидва сценарії ґрунтуються на великій
кількості експериментальних даних.
Таким чином, за водного та осмотичного стресів, що супроводжуються
зниженням водного потенціалу та збільшенням осмотичного тиску в
рослинних клітинах, відбуваються певні негативні зміни в біосинтезі та
карбоксилазній активності РДФКО. Інтенсивність таких змін прямо залежить
від сили і тривалості стресу. Встановлено, що активність і біосинтез
ферменту повністю відновлюєься після повернення рослин у нормальні умови
існування. Доведено, що рослини, які мають С-4 шлях фотосинтезу, є більш
стійкими до впливу водного стресу, ніж ті що мають С-3 шлях. Це
обумовлене здатністю ферментів С-4 шляху зберігати високу каталітичну
активність за несприятливих обставин.
Бiльша стiйкiсть фотосинтетичного апаpату до дiї коpоткочасної гpунтової
посухи у посухостiйких соpтiв поpiвняно з менш посухостiйкими
обумовлена вищою пpодиховою пpовiднiстю i меншими (вiдносно до
фотосинтезу) витpатами вуглецю на фотодихання.
За дiї високотемпеpатуpного стpесу у менш посухостiйкого соpту
фотосинтез i фотодихання пpигнiчувався бiльше, нiж у посухостiйкого
соpту, а пpи виключеннi фотодихання цi вiдмiнностi мiж соpтами
зникали, що свiдчить пpо pоль фотодихання у захистi фотосинтетичного
апаpату вiд дiї посухи i високої тепеpатуpи.
Отже, аналіз сучасних наукових досліджень засвідчує, що фотосинтез
С3-рослин загалом є дуже чутливим до водного дефіциту, але його реакція
складна і не завжди однозначна. Окремі етапи фотосинтетичного процесу
характеризуються різною стійкістю до стресового чинника і часто
виявляють істотну гено- і фенотипічну специфічність. Найзагальнішими
ознаками реакції на водний дефіцит є зменшення продихової провідності й
підвищення інтенсивності фотодихання вже на початкових етапах стресу, в
разі грунтової посухи – ще до появи ознак погіршення водного режиму в
надземних органах рослин.
Cписок використаної літератури
1. Косаківська І.В. Фізіолого-біохімічні основи адаптації рослин до
стресів. – К.: Сталь, 2003. – 192 с.
2. Тарчевський И.А. Катаболізм и стрес у растений (52-е Тимирязевские
чтения). – М.: Наука, 1993. – 90 с.
3. Sardas V.O., Milroy S.P. Soil-water threshold for the respones of
leaf expansion and gas exchange: a review // Field Crop Res. – 1996. –
47, N 2-3. – P.253-266.
4. Kramer P.J. Changing concepts regarding plant water relations //
Plant Cell Environ. – 1988. – 11, N 7. – P. 565-568.
5. Bota J., Stasyk O., Flexas J., Medrano H. Effect of water stress on
partitioning of 14C-labelled photosynthates in Vitis vinifera // Funk.
Plant Biol. – 2004. – 31, N 7. – P.697-708.
6. Saleo S., Nardini A.,Pitt F., Lo Gullo M.A. Xylem cavitation and
hydraulis control of stomatal conductance in Laurels (Laurus nobilis L.)
// Plant Cell Environ. – 2000. – 23, N 1. – P.71-79.
7. Библь Р. Цитологические основы экологии растений. М., “Мир”, 1965.
8. Григорьев Ю.С. В сб.: Водный обмен в основных типах растительности
СССР, Новосибирськ. «Наука», 1975.
9. Радченко С.И., Яковлева Н.Д. Бот. ж.. 46, 6, 790, 1961.
10. Шульгин И.А. Морфофизиол. приспос. раст. к свету. Изд-во Моск.
ун-та, 1963.
11. Gee G.F., Federer C.A. Water Resour. Res., 6, 8, 1456, 1972.
12. Schroeder J.I., Alen G.J., Hugouvieux V. et al. Guart cell signal
transduction // Annu. Rev. Plant Phyziol. Plant Mol. Biol. – 2001. – 52.
– P. 627-658.
13. Hansen H., Dorffing K. Root-derived trans-zeatin riboside and
abscisic acid in drought-stressed and revatered sunflover plants:
interaction in the control of leaf diffusive resistance? // Func. Plant.
Biol. – 2003. – 30, N 4. – P.365-375.
14. Stoll M., Loveys B., Dry P. Hormonal changes induced by partial
rootzone drying of irrigated grapevine // J.Exp. Bot. – 2000. – 51, N
350. – P. 1627-1634.
15. Assman S.M., Snyder J.A., Lee Y.R.J. ABA-deficient (aba) and
ABA-insensitive (abi-1, abi2-1) mutants of Arabidopsis have a wild-type
stomatal response to humidity // Plant Cell Environ. – 2000. – 23, N 4.
P. 387-395.
16. Lawlor D.W. Limitation to photosynthesis in water stressed leaves:
stomata versus metsbolism and the role of ATP // Ann. Bot. – 2002 – 89,
N 7. – P 871-885.
17. Khan S., Abdralojc P.J., Lea P.J., Parry M.A.J.
2’-Carboxy-D-arabinitol 1-phosphate (CAIP) protects
ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase against proteolytic
breackdown // Europ. J. Biochem. – 1999. – 266. – P. 840-847.
18. Portis A.R.Jr. Rubisco activase – Rubisco’s catalytic chaperorone //
Photosynt. Res. – 2003. – 75, N 1. – P. 11-27.
19. Wingler A., Lea P.J., Quick W.P., Leegood R.C. Photorespiration:
metabolic pathways and their role in stress protection // Physiol. T.
Roy. Sol. B. – 2000. – 355, N 6. – P. 1517-1529.
20. Haupt-Herting S., Fock H. Oxygen excange in relation to carbon
assimilation in water-stressed leaves during photosynthesis // Ann. Bot.
– 2002. – 89, N.7. – P. 851-859.
21. Noctor G., Velijovic-Jovanovic S., Driscoll S. et al. Drought and
oxidavite load in the leaves of C3 plants: a predominant role for
photoresration?// Ann. Bot. – 2002. – 89, N 7. – P.841-850.
22. Iturbe-Ormaetxe I., Escuredo P.R., Arresse-Igor C., Becana M.
Oxidative damage in pea plants exposed to water deficit or paraquat //
Plant Physiol. – 1998. – 116, N 1. – P. 173-181.
23. Соколовська О.Г., Стасик О.О. Вплив гpунтової посухи на
СО2-газообмiн, декаpбоксилування, вмiст хлоpофiлу та piст у соpтiв
озимої пшеницi piзних за посухостiйкiстю // Актуальнi пpоблеми
фiзiологiї водного pежиму та посухостiйкостi pослин: Зб. наук. пp.,
пpисвяч. пам’ятi д-pа бiол. наук, пpоф. Шматька I.Г. / К.: ТОВ
“Мiжнаp. фiн. агенцiя”, 1997. – С. 83-85.
PAGE
PAGE 27
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
