Влияние почвенной засухи на фотосинтетический метаболизм углерода у различных сортов и линий средневолокнистого хлопчатника

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ____________________________________2007, том 50, №4______________________________

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

УДК:581Л32.633Л1

И.Каримова, Б.Джумаев, А.Эргашев, А.Абдуллаев ВЛИЯНИЕ ПОЧВЕННОЙ ЗАСУХИ НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕРОДА У РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ И ЛИНИЙ СРЕДНЕВОЛОКНИСТОГО ХЛОПЧАТНИКА

В аридных условиях Средней Азии сельскохозяйственные растения с продолжительной вегетацией подвергаются воздействию контрастных, нередко экстремальных экологических факторов. В этом отношении особый интерес представляет хлопчатник. Первые этапы его развития (апрель-май) осуществляются в умеренных и сравнительно оптимальных условиях, а в дальнейшем растения вегетируют при возрастающей температуре воздуха и высокой солнечной радиации. В этот период, когда межполивной период растянут, может наблюдаться почвенная засуха в корнеобитаемой зоне (до 100 см) и острый дефицит в водопотреб-лении растений [1].

Известно, что в условиях почвенной засухи у растений изменяются многие метаболические процессы [2]. При этом степень адаптации во многом определяет продуктивность растений.

Вместе с тем, для адаптации необходима существенная перестройка многих физиологических процессов, в том числе фотосинтеза.

Многочисленными исследованиями выявлены определенные закономерности изменчивости фотосинтетической ассимиляции СО2 и варьирование набора и соотношения синтезирующихся продуктов фотосинтеза в зависимости от многих эндогенных и экзогенных факторов [3-7].

Эти исследования показали, что под влиянием различных факторов качественный состав продуктов фотосинтеза не претерпевает существенных изменений. Однако заметные различия могут происходить в количественном соотношении продуктов восстановительного пентозофосфатного цикла. Значительное влияние на это разнообразие оказывают скорость и соотношение фотосинтеза и фотодыхания у С3-растений, одним из представителей которых является хлопчатник. Это, в свою очередь, определяет качественный и количественный состав ранних и конечных продуктов, скорость и направленность метаболизации поглощенного при фотосинтезе СО2, особенно в экстремальных условиях произрастания растений.

Показано, что изменения интенсивности фотосинтеза листьев хлопчатника коррелируют с изменениями активности не только РБФКО, но и ключевых ферментов восстанови-

тельной фазы цикла Кальвина-РФИ и ФРК и согласуются со скоростью образования продукта реакции карбоксилирования -3-ФГК [8].

Что касается других ранних продуктов, то обнаружено более интенсивное включение 14С в ФЭС (фосфорные эфиры сахаров) у листьев С3-растений.

Таким образом, набор и соотношение образовавшихся продуктов фотосинтеза варьируют в зависимости от физиологического состояния растений. В частности, в молодых листьях хлопчатника ФГК и ФЭС сосредотачивают в себе существенную часть ассимилированного углерода, что свидетельствует о высокой активности и функционировании в них РБФ -карбоксилазы и цикла Кальвина. Вместе с тем, радиоактивная метка включается и в аланин, глицин, серин, глицерат, малат и другие органические соединения. Интенсивное включение 14С в глицерат и серин указывает на то, что в метаболизме молодых листьев существенное место занимает функционирование гликолатного пути [5,6].

Аналогичные результаты по варьированию метаболизма углерода в онтогенезе листа хлопчатника были получены в работах [7,8]. Этими авторами также показано, что по мере развития листа хлопчатника удельная активность РБФ - карбоксилазы возрастает, а активность ФЭП - карбоксилазы уменьшается.

Пути использования продуктов фотосинтеза в онтогенезе листа связаны с эффективностью энергетических процессов, а также с активностью ферментных комплексов хлоро-пластов и цитоплазмы. Эти особенности, по-видимому, характеризуют высокую активность фотосинтеза и более быструю оборачиваемость восстановительного пентозофосфатного цикла [7].

Реализация фотосинтетической функции листа, обусловленная онтогенетическим развитием целого растения, является важным показателем его физиологического состояния. В то же время известно, что фотосинтетическая функция листа может играть существенную роль в реализации генетической программы развития и формирования фенотипа. В связи с этим исследование фотосинтетического метаболизма углерода при воздействии стрессового фактора позволяет выявить фотосинтетическое обеспечение продукционного процесса в конкретных экологических условиях.

Известно, что интенсивность фотосинтеза и характер фотосинтетического метаболизма углерода зависят как от комплекса внешних факторов, так и генотипических особенностей растений [2,6]. Для раскрытия механизмов этих процессов используют различные методы и приемы, одним из доступных подходов является воздействие на растения почвенной засухи.

Целью нашей работы было изучение интенсивности фотосинтеза и фотосинтетиче-ского метаболизма углерода у разных генотипов хлопчатника в зависимости от условий во-дообоеспечения растений.

Методика

В качестве объекта исследования использовали листья растений хлопчатника (Gossy-pium hirsutum L.) сортов Гулистон, Мехргон и линий Л-15, Л-53, выращенных на экспериментальном участке Института физиологии растений и генетики Академии наук Республики Таджикистан.

Контрольные растения постоянно находились в условиях оптимальной влажности почвы (75-80% от 1111В), опытные растения с фазы начала цветения и до раскрытия коробочек находились в условиях недостатка почвенной влаги (условно «засуха»), доходящей в полуденные часы почти до уровня завядания (50-55% от ППВ).

Фотосинтетическую фиксацию 14СО2 при коротких экспозициях проводили по ранее описанному методу [9]. Источником меченого углекислого газа служил карбонат натрия (№214СО2). Радиоактивность газовой смеси составила 40 МБК моль-1, концентрация СО2 -

14 2

0,05%. Опыты по фиксации СО2 проводили на 8-10 высечках площадью около 1 см из листьев хлопчатника, без крупных жилок.

Экспозиция в камере с 14СО2 продолжалась 60 с, после чего высечки быстро фиксировали в парах кипящего этанола. Затем пробы высушивали в термостате при температуре +67...+70°С. Высушенные пробы растирали в порошок и просчитывали радиоактивность порошка на пересчетном приборе ПСТ-10 с помощью торцового счетника Т-25-БФЛ. В дальнейшем эти пробы использовали для изучения меченых продуктов фотосинтеза путем радио-хроматографического анализа. Экстракцию растительного материала проводили этанолом убывающей концентрации (80, 60, 40, 20%), а затем водой. Водноспиртовые фракции, выпаренные в тонкой фарфоровой чашке, растворяли в 2-3 мл дистиллированной воды. Разделение продуктов водно-спиртовой фракции проводили методом двумерной тонкослойной хроматографии на порошке целлюлозы [10] в следующих системах растворителей: 1. н-бутиловый спирт-муравьиная кислота - вода (6:1:2) 3-раза, 2. н-пропиловый спирт - изопропиловый спирт-25% аммиак-вода (3:3:3:1). Затем высушенные хроматограммы экспонировали с рентгеновской пленкой РМ-1 в течение 20-25 дней в зависимости от количества нанесенной радиоактивности. Идентификацию веществ проводили с использованием метчиков.

Результаты исследований

Данные табл. 1 показывают, что интенсивность фотосинтетической ассимиляции 14СО2 при коротких экспозициях (до 1 мин) и насыщающей концентрации СО2 в замкнутой системе у различных сортов и линий средневолокнистого хлопчатника оказалась неодинаковой.

Самая высокая интенсивность фотосинтетической ассимиляции 14СО2 наблюдалась у линии Л-53, а у сортов Гулистон и Мехргон она была ниже.

В варианте «засуха» в утренние часы (до 9 ч), когда водный баланс растений находился ближе к оптимальному, фотосинтетическая ассимиляция СО2 была заметно выше, чем у контрольных растений, т.е. наблюдался «Эффект Бриллианта». В дальнейшем, после 11 ч в варианте «засуха» наблюдалось более резкое снижение интенсивности процесса вплоть до глубокой депрессии в послеполуденные часы (14-15 ч).

Таблица 1

Дневные изменения интенсивности фотосинтеза (мг СО2/дм . ч) под влиянием почвенной за-

сухи у различных сортов и линий средневолокнистого хлопчатника

Сорта, линии Контроль Засуха

8-9 ч 11-12 ч 14-15 ч 8-9 ч 11-12 ч 14-15 ч

Гулистон 32 ± 4 30 ± 3 28 ± 3 69 ± 6 35 ± 2 22 ± 1

Мехргон 44 ± 5 33 ± 5 28 ± 3 65 ± 5 34 ± 3 22 ± 2

Л-15 42 ± 6 36 ± 4 35 ± 3 75 ± 6 40 ± 4 28 ± 1

Л-53 52 ± 8 38 ± 5 34 ± 2 77 ± 4 40 ± 4 28 ± 2

При почвенной засухе в утренние часы у линий Л-15 и Л-53 фотосинтетическая ассимиляция 14СО2 оказалась значительно выше, чем у сортов Гулистон и Мехргон. Эта закономерность была одинаковой как при расчете на единицу листовой площади, так и на единицу сухого веса (табл. 2).

Из табл.2 видно, что под воздействием почвенной засухи удельная поверхностная плотность листа заметно повышается. Это указывает на то, что при почвенной засухе в листьях хлопчатника происходит сокращение размера и увеличение числа ассимилирующих клеток в расчете на единицу площади листа [11].

Таблица 2

Влияние засухи на интенсивность фотосинтеза и удельную поверхностную плотность

листьев у различных сортов и линий хлопчатника

Сорта, линии

Параметры Гулистон Мехргон Л-15 Л-53

Контроль Опыт Контроль Опыт Контроль Опыт Контроль Опыт

Мг СО2/ дм2-ч 32 ± 4 69 ± 6 45 ± 5 66 ± 5 43 ± 5 75 ± 6 52 ± 4 45 ± 5

МгСО2/г сух. в-ва-ч 34 ± 5 74 ± 6 56 ± 5 67 ± 5 47 ± 4 80 ± 6 59 ± 5 52 ± 6

УППЛ, г /дм2 0.834± 0.933± 0.805± 0.962± 0.833± 0.907± 0.822± 0.892±

0.022 0.035 0.018 0,026 0.026 0,037 0.021 0.033

Полученные результаты по изучению скорости включения 14С в ранние продукты фотосинтеза показали, что основными продуктами фотосинтеза у всех изученных сортов и линий хлопчатника являются интермедиаты восстановительного пентозофосфатного цикла (ВПФЦ). (рис., контроль). Сравнительный анализ распределения 14С среди продуктов фото-

синтеза показал, что у линии Л-15 в продуктах восстановительного пентозофосфатного цикла обнаружилось около 39% радиоактивности, гликолатного пути - 8.3%, ФЕП-карбоксилирования - 11.5%, в углеводах около 32% и в прочих соединениях примерно 10%.

У линии Л-53 в ранних продуктах ВПФЦ сосредотачивалась около 36% 14С, гликолатного пути-13.2%, ФЕП-карбоксилирования-15. 2%, углеводах-примерно 24 %, а в прочих соединениях-12%. У сорта Гулистон в отличие от линий Л-15 и Л-53 наблюдалось медленное включение 14С в интермедиаты ВПФЦ-всего 16.5 %, в то время как в продуктах ФЕП-карбоксилирования 31.6%, т.е. в 2-2.5 раза больше, чем у линий Л-15 и Л-53, в метаболитах гликолатного пути более 19% и в прочих соединениях - 24.2%. Сорт Мехргон заметно отличался от сорта Гулистон по характеру включения 14С в продукты фотосинтеза. Так, около 31% метки выявлено в продуктах ВПФЦ, 13.4% в соединениях гликолатного пути углерода, 12.5% в продуктах ФЕП-карбоксилирования, в углеводах - 20.6%, а в прочих соединениях -22.7%.

Характер включения меченого углерода в продукты фотосинтеза у изученных сортов и линий под воздействием почвенной засухи оказался различным (рис., опыт). У линии Л-15, Л-53 и сорта Гулистон наблюдалось заметное повышение радиоактивности в углеводах - до 40.6% (у Л-15), незначительное повышение радиоактивности в продуктах гликолатного пути и ФЕП-карбоксилирования (10.9% и 14.2% соответственно). Вместе с тем, обнаружено заметное снижение радиоактивности в ранних продуктах ВПФЦ.

Под воздействием почвенной засухи у линии Л-15 активизировалось включение 14С в сахарозу, глицин, серин, аланин, глицерат и малат. При этом происходило подавление включения 14С в ФЭС, ФГК и гликолат.

Вместе с тем, у линии Л-53 при водном стрессе наблюдалось существенное ускорение включения С14 только лишь в сахарозу и резкое снижение радиоактивности в ФГК и в меньшей степени в ФЭС, медленное включение 14 С в глицерат и аспартат.

В отличие от линий Л-15 и Л-53 у сорта Гулистон при водном дефиците наблюдалось значительное ускорение биосинтеза глицерата, фруктозы и глюкозы, в то время как у контрольных растений в этих соединениях меченый углерод был обнаружен в следовых количествах. В то же время под воздействием почвенной засухи у этих генотипов радиоактивность сахарозы, ФГК, аланина и гликолата заметно уменьшилась.

Несколько иная картина, чем у сорта Гулистон, наблюдалась у сорта Мехргон в условиях водного стресса. Так, наблюдалось существенное увеличение радиоактивности ФГК, сахарозы, глицина, серина, аланина и аспартата и, напротив, количество 14С в ФЭС, моносахаридах, гликолате и других триозофосфатах (кроме ФГК) было заметно меньше.

Таким образом, анализ полученных результатов по влиянию продолжительной почвенной засухи на интенсивность фотосинтеза и скорость включения 14С в продукты фотосин-

теза хлопчатника показал, что водный стресс как весьма сильный экологический фактор приводит к существенному изменению интенсивности фотосинтеза и направленности фотосин-тетического метаболизма.

В целом, почвенная засуха, изменяя габитус куста и морфологию листа (низкий рост и мелкие листья), оказывает существенное влияние на дневную динамику ассимиляции СО2 и метаболизм 14С при фотосинтезе. При этом проявляются генотипические различия в распределении поглощенного углерода и их дальнейшей метаболизации в условиях засухи.

Институт физиологии растений и генетики Поступило 24.05.2007 г.

АН Республики Таджикистан

ЛИТЕРАТУРА

1. Эргашев А. Влияние высоких экстремальных температур на физиолого-биохимические процессы и продуктивность хлопчатника. Обзорная информация. НПИЦентр: Душанбе, 1997, 44 с.

2. Тарчевский И.А. Фотосинтез и засуха. Казань.: Изд-во КазГУ, 1964, 182 с.

3. Абдурахмонова З.Н., Алиев К.А., Абдуллаев А. - Физиология растений. 1990, т.37, №4, с.675-682.

4. Насыров Ю.С. Фотосинтез и генетика хлоропластов. М.:Наука, 1975, 143 с.

5. Абдурахманова З.Н., Абдуллаев А., Джумаев Б.Б., Горенкова Л.Г. - Физиология растений. 1995, т. 42, №2, с.201-205.

6. Абдуллаев А., Абдурахмонова З.Н., Джумаев Б.Б. Фотосинтетический метаболизм углерода у хлопчатника. Душанбе: Дониш, 2001, 94 с.

7. Якубова М.М., Юлдашев Х.Ю. - Науч.докл.высшей школы. биол.науки.1984, №6, с.60-63.

8. Бабаджанова М.А. Исследование процессов регенерации и карбоксилирования акцептора СО2 в связи с фотосинтетической продуктивностью растений. Автореф.дис.док.биол.наук. - Душанбе, 1990, 40 с.

9. Эргашев А., Абдурахманова З.Н., Кичитов В.К., Насыров Ю.С. - Сб.Фотосинтез и использование солнечной радиации. Л.:Наука, 1971, с.226-231.

10. Белан Н.Ф., Абдурахманова З.Н. - ДАН ТаджССР,1969, т.12, №2, с.61-64.

11. Абдуллаев Х.А., Каримов Х.Х. Индексы фотосинтеза в селекции хлопчатника. Душанбе: Дониш, 2001, 268 с.

И.Каримова, Б.Чумаев, А.Эргашев, А.Абдуллаев

ТАЪСИРИ ТОРАШИИ НAМНOKИИ XOK БА МЕТAБOЛИЗМИ ФOТOСИНТЕТИKИИ KAРБOН ДАР БАЪЗЕ НАВЪ^И ПАХТАЙ МИЁНАНАХ

Даp шаpоити ноpасоии намнокии хок кобилияти азхyдкyнии гази СО2 даp npoT-сесси фотосинтези навъх,ои гуногуни пахтаи миёнанах-Гулистон, Ме^гон, Л-15 ва Л-53 даp давоми py3 таFЙиp меёбад.

Инчунин нишон дода шудааст, ки даp ин х,олат сypъати гаpдиши давpи баpкаpоpшавии пентозофосфатии Калвин суст гаpдида, боиси зиёд шудани сypъати х,осилшавии метаболитх,ои ФЕП-каpбоксилонй ва pоx,и гликолатй гаpдидааст.

I.S.Karimova, B.Jumaev, A.Еrgashev, A.Abdullaev THE INFLUENCE OF SOIL DROUGHT ON THE PHOTOSYNTHETIC CARBON METABOLISM IN DIFFERENT COTTON SORTS AND LINES

In this article the results about influence of a drought on assimilation of ability CO2 during photosynthesis at sorts Guliston, Mehrgon and line L-15, L-53 are submitted. Is established, that in these conditions speed of a turnover Pentose phosphate reduction of cycle ( Calvin cycle) decreases. However thus amplification inclusion 14C in products PEP- carboxylation and glucolate metabolism of carbon is observed.