Влияние предпосевного облучения семян амаранта ( Amaranthus L. ) на фотосинтез семенного потомства

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2011, №4

УДК 581.19:635.49

Влияние предпосевного облучения семян амаранта (Amaranthus L.) на фотосинтез семенного потомства

А.Н. Журавская, И.В. Воронов, Е.Р. Поскачина

Проведены исследования действия острого гамма-облучения на фотосинтез родительского и дочернего поколений амаранта [Amaranthus L.] сорта «Чергинский». Установлено, что острое гамма-облучение семян привело к статистически достоверному снижению хлорофилла а в листьях растений родительских форм во всем диапазоне доз облучения. Для хлорофилла b и кароти-ноидов родительских растений характерно их немонотонное изменение в зависимости от повышения радиационного стресса. В листьях растений дочернего поколения содержание хлорофилла b было снижено при всех вариантах острого облучения родительских особей, т.е. большая часть этого хлорофилла вошла в состав светособирающего комплекса фотосистемы.

Ключевые слова: амарант, гамма-облучение, хлорофилл, каротиноиды, светособирающий комплекс.

Studies of acute gamma irradiation effect on photosynthesis of parent and filial generations of amaranth [Amaranthus L.] "Tcherginsky" varieties were carried out.

It is established that an acute gamma irradiation of the seeds resulted in a statistically significant decrease in chlorophyll a in leaves of parental forms in the whole range of radiation doses. For parent plants chlorophyll b and carotenoids not monotonic variation depending on increase of radiation stress is characteristic. Seeds of the filial generation give the plants in leaves of which the content of chlorophyll b was reduced in all variants of acute irradiation, that is a big part of these chlorophyll became a part of the light-harvesting complex of the photosystem.

Key words: amaranth, gamma-irradiation, chlorophyll, carotenoids, light-harvesting complex.

В последние годы во многих странах мира стали интенсивно проводиться исследования с амарантом. Своеобразие амаранта определяется в значительной степени типом его фотосинтеза. Подобно кукурузе, сорго, просо, сахарному тростнику, амарант обладает С4-путем фотосинтеза. С4-фотосинтез практически не сопровождается потерями рибулёзо-1,5-бифосфата из цикла Кальвина, поэтому более эффективен. Однако он требует не 18, а 30 АТФ на синтез 1 молекулы глюкозы. Это оправдывает себя в тропиках, где жаркий климат требует держать устьица закрытыми, что препятствует поступлению С02 в лист, а также при рудеральной жизненной стратегии [1]. Как С4-растение, амарант характеризуется большой скоростью фиксации углекислоты в расчете на единицу поверхности листа, быстро растет и развивается, обладает мощной продуктивностью при условии высокой освещенности и температуры. Амарант способен фотосинтезировать даже при температуре выше 50оС. Минимальные температуры, при которых начинает осуществляться фотосинтез у амаранта, составляют 12-15оС. Вследствие высокой термоустойчивости интенсивность

ЖУРАВСКАЯ Алла Николаевна - д.б.н., проф., в.н.с. ИБПК СО РАН, jan43@mail.ru; ВОРОНОВ Иван Васильевич - к.б.н., н.с. ИБПК СО РАН, viv_2002@ mail.ru; ПОСКАЧИНА Елена Рудольфовна - лаборант ИБПК СО РАН, poskachinalena@yandex.ru.

фотосинтеза не снижается, а расход воды значительно сокращается, что сказывается на высокой эффективности использования им воды. С4-рас-тения имеют преимущество перед С3 -растения-ми в засушливых местах обитания благодаря высокой интенсивности фотосинтеза даже при закрытых устьицах [2].

Своеобразие физиологии амаранта, как типичного растения с С4-фотосинтезом, можно объяснить его высокую засухо-, термо- и солеустойчи-вость. Известно, что фотосинтез является важнейшим фактором, влияющим на урожайность сельскохозяйственных растений.

Целью наших исследований было изучение последствий воздействия ионизирующей радиации на фотосинтез семенного потомства амаранта при выращивании в условиях Центральной Якутии.

Материал и методы

Эксперимент проводили на семенах амаранта сорта «Чергинский». В 1995 г. он был внесен в Государственный реестр селекционных достижений. Сорт кормового назначения. Высота растений составляет 140-200 см. Стебли неправильно-округлые толщиной 5-6 см, при созревании густо-антоциановой окраски. Листья удлиненно - яйцевидные, крупные, длиной 5-8 см и шириной 3-5 см, темно-зеленые с оливковым оттенком и анто-циановым пятном у основания черешка. Обли-ственность высокая. Соцветие булавовидной фор-

мы, плотное, темно-пурпурной окраски. Семена мелкие. Округло-овальные, темно-коричневые, блестящие. Амарант «Чергинский» обладает скороспелостью и высокой пластичностью, что дает возможность для его возделывания в самых разнообразных условиях, в том числе и в Якутии [3].

Семена были предоставлены д.с.-х.н., зав. лабораторией генофондов и систем размножения растений ИЦиГ СО РАН А. В. Железновым. Воздушно-сухие семена новосибирской репродукции (Р) облучали у -квантами 60Со при мощности дозы 9,4 рад/с, в диапазоне доз от 0,5 до 1000 Грей (Гр). Перспективность радиационного мутагенеза подтверждают отчеты МАГАТЭ, по данным которых этим методом получено более 3000 сортов сельскохозяйственных культур. Семена высевали в грунт, проводили все агротехнические мероприятия по выращиванию амаранта, осенью убирали урожай. Растениям создавали условия для самоопыления, накрывая соцветия изоляторами из нетканого материала «Агрил». Контролем являлись фотосинтетические характеристики необлу-ченного родительского поколения (Р-0).

Исследование процесса накопления хлорофилла у растений в течение вегетационного периода показало, что максимальное содержание хлорофилла приурочено к началу цветения. Есть даже мнение, что повышение образования хлорофилла может быть использовано как индикатор, указывающий на готовность растений к цветению. Поэтому отбор проб листьев проводили в период начала цветения растений [4]. Определение концентрации хлорофилла и каротиноидов проводили на спектрофотометре (Сагу 3Е Уайап, США) по методике [5]. Плотность ацетонового экстракта из сухих листьев амаранта измеряли при длинах волн, соответствующих максимумам поглощения хло-рофиллов а и Ь в красной области спектра и при длине волны абсорбционного максимума кароти-ноидов. Концентрацию пигментов рассчитывали по уравнениям:

С = 9,784,0 - 0,990 ,644 ,

хл.а ' 662 ' 644 '

С Ь = 21,426, - 4,650 ,662 ,

хл.Ь ' 644 ' 662 '

С хл.а+хл.Ь = 5,1340662 + 20,436 0644 ,

С_ = 4,695 ,440.5+0,268С ,

кар

где С , С , С и С - соответственно

хл.а' хл.Ь' хл.а+хл.Ь кар

концентрации хлорофиллов а, Ь, их суммы и каротиноидов, мг/г ; О - экспериментально по' сухой ткани' г

лученные величины оптической плотности при соответствующих длинах волн.

Долю хлорофиллов светособирающего комплекса (ССК) рассчитывали по формуле [6]: [(1,2 хл.Ь +хл.Ь) / £(хла + хл.Ь)-100%].

Результаты экспериментов представлены средней арифметической величиной и ее стандартной

хл.а+хл.Ь

ошибкой. Анализ и оценка достоверности результатов проводились по [7].

Результаты и обсуждение

Влияние ионизирующего излучения на живые организмы, в том числе на растения, сводится к цепочке обратимых и необратимых изменений. Пусковым механизмом являются процессы ионизации и возбуждения атомов и молекул в тканях и в воде, составляющих основу живых организмов. Диссоциация сложных молекул в результате разрыва химических связей является прямым действием радиации. Важную роль в формировании биологических эффектов играют радиа-ционно-химические изменения, обусловленные продуктами радиолиза воды. Свободные радикалы водорода и гидроксильной группы, которые обладают высокой активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов, что неизбежно приводит к нарушению биохимических процессов в организме. В результате этого нарушаются доменные процессы, прекращается или замедляется рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму. Это приводит к нарушению деятельности отдельных функций и систем организма. Химические реакции, индуцируемые свободными радикалами, развиваются с большим выходом, вовлекая в процесс сотни и тысячи молекул, не задетых излучением. В этом состоит основная специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Известно, что при интенсивном воздействии на организм физических факторов (например, острое у -облучение) многократно усиливается образование активных форм кислорода, который может привести к срыву механизмов антирадикальной защиты, развивается окислительный стресс [8].

Хлорофилл и каротиноиды - важнейшие компоненты фотосинтетического аппарата листьев. Количественное их содержание зависит от жизнедеятельности организма, его генетической природы. Известно, что изолированные хлоропласты отличаются высокой радиоустойчивостью, чем находящиеся в естественном положении в клетке. Сложные фотосинтетические системы реакций -фотосинтетическое фосфорилирование, фоторазложение воды, ассимиляция углекислоты оказались также весьма радиоустойчивыми процессами. Поэтому количественное содержание хлоро-филлов может быть использовано в качестве физиологического показателя, характеризующего постстрессовое состояние фотосинтеза растений. Известно, что пигментная система растений представлена двумя типами пигментов: зелеными -хлорофиллами а и Ь и желтыми - каротиноидами.

ВЛИЯНИЕ ПРЕДПОСЕВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ СЕМЯН АМАРАНТА НА ФОТОСИНТЕЗ СЕМЕННОГО ПОТОМСТВА

Основной функциональный пигмент - хлорофилл

a. Он служит непосредственным донором энергии для фотосинтетических реакций, остальные пигменты лишь передают поглощенную ими энергию хлорофиллу а. У большинства высших растений содержание хлорофилла а в 2-3,5 раза выше, чем содержание хлорофилла Ь [9].

В таблице показано содержание хлорофиллов а,

b, а+Ь, каротиноидов и ССК в листьях родителей и первого поколения амаранта сорта «Чергинский» в зависимости от дозы у -облучения, полученной родителями. Установлено, что у растений, выросших из облученных семян (Р), произошло снижение хлорофилла а по мере роста радиационной нагрузки (кроме варианта 700 Гр). У семенного потомства (Б1) содержание хлорофилла а значительно уменьшилось (в диапазоне от 0 до 300 Гр до 90%). С 400 Гр содержание этого хлорофилла выходит на уровень контроля или повышается на 10-40%. Для хлорофилла Ь родительских растений характерно его немонотонное изменение в зависимости от радиационной нагрузки. Следует отметить варианты 700 и 1000 Гр, где было зафиксировано увеличение этого зеленого пигмента на 60-80%. Семена этого поколения дали растения, в листьях которых содержание хлорофилла Ь было снижено во всех вариантах острого облучения относительно контроля. Это означает, что большая часть хлорофиллов принадлежит светособи-рающему комплексу фотосистем.

Известно, что хлорофилл а является основным компонентом фотосистем I или II, тогда как хлорофилл Ь преимущественно - компонентом периферической антенны обеих фотосистем. В связи с этим изменение отношения а/Ь указывает на изменение соотношения между комплексами реакционных центров фотосистем и светособирающих комплексов [10].

На рисунке показаны тренды изменения соотношений хлорофилла а к хлорофиллу Ь в зависимости от дозы, полученной семенами родителей. Видно, что по мере возрастания дозы облучения родителей у растений, выросших из этих семян (Р), нарушилось соотношение между хлорофиллами а и Ь. Если в контроле это соотношение равнялось 2,3, то в вариантах 0,5, 100, 200, 600, 700 и 1000 Гр варьировало от 1,0 до 1,8. В листьях растений вариантов 300 и 400 Гр произошло увеличение соотношения за счет уменьшения хлорофилла Ь. А у потомства облученных родителей (Б1) произошло восстановление соотношения между хлорофиллами а и Ь во всем диапазоне доз облучения, кроме вариантов 400 и 1000 Гр, где это соотношение достигало 4,3 и 7,7 соответственно.

8 1

6 -5 -

3 -2

1 -I

2,00

Содержание хлорофиллов а, Ь, а+Ь, каротиноидов и ССК в листьях родителей и первого поколения амаранта сорта «Чергинский» в зависимости от дозы у-облучения, полученной родителями

Доза -облучения, Гр Содержание, мг/гсухт ССК, %

хлорофилл а хлорофилл Ь а+Ь кароти-ноиды

Родители

О (Р) 1,8±0,1 0,8±0,1 2,6±0,1 0,4±0,1 67,7

0,5 1,5±0,1 1,2±0,1 2,7±0,1 0,7±0,1 97,8

50 1,4±0,1 0,5±0,1 1,9±0,1 0,3±0,1 14,7

100 1,1±0,1 0,9±0,1 2,0±0,1 0,5±0,1 99,0

200 1,6±0,1 1,0±0,1 2,6±0,1 0,4±0,1 84,6

300 1,4±0,1 0,4±0,1 1,8±0,1 0,5±0,1 48,9

400 1,2±0,1 0,3±0,1 1,5±0,1 0,2±0,1 44,0

500 1,9±0,1 0,8±0,1 2,7±0,1 0,4±0,1 65,2

600 1,1±0,1 0,8±0,1 1,9±0,1 0,3±0,1 92,6

700 2,3±0,1 1,3±0,1 3,6±0,1 0,3±0,1 79,4

1000 1,0±0,1 1,4±0,1 2,8±0,1 0,2±0,1 91,7

Первое поколение

О(Е1) 0,2±0,1 0,1±0,1 0,3±0,1 0,1±0,1 73,3

0,5 0,3±0,1 0,1±0,1 0,4±0,1 0,2±0,1 55,0

50 0,3±0,1 0,1±0,1 0,4±0,1 0,2±0,1 55,0

100 0,3±0,1 0,1±0,1 0,4±0,1 0,2±0,1 55,0

200 1,7±0,1 0,5±0,1 2,2±0,1 0,6±0,1 50,0

300 0,6±0,1 0,2±0,1 0,8±0,1 0,3±0,1 55,0

400 2,0±0,1 0,6±0,1 2,6±0,1 0,6±0,1 50,8

500 1,9±0,1 0,6±0,1 2,5±0,1 0,6±0,1 52,8

600 2,5±0,1 0,7±0,1 3,2±0,1 0,7±0,1 48,1

700 2,1±0,1 0,7±0,1 2,8±0,1 0,6±0,1 55,0

1000 2,3±0,1 0,3±0,1 2,6±0,1 0,4±0,1 25,4

Таким образом показано, что радиационный стресс отразился, в первую очередь, на фотосинтезе родительских растений, выросших из облученных семян. Соотношения содержания зеленых пигментов а/Ь в листьях семенного потомства не отличались от контроля, что может свидетельствовать о сохранении относительной стабильности функционирования пигментного аппарата у

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

Изменения соотношений хлорофилла а к хлорофиллу Ь в зависимости от дозы, полученной семенами родителей: 1 - Р; 2 - И. По оси абсцисс - 1п дозы у -излучения; по оси ординат - значения отношений а/Ь

2

первого поколения растений при действии стресса на родителей.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. Более 90% всего хлорофилла хлоропластов входит в состав ССК, играющих роль антенны, передающей энергию к реакционному центру фотосистем I или II. В таблице показаны вычисленные значения ССК для Р и Б1. Видно, что в листьях растений родителей, выросших из облученных семян, значение ССК изменялось нелинейно. Можно выделить максимальное значение - 99,0% (вариант 100 Гр) и минимальное -14,7% (вариант 50 Гр). У ССК уменьшено относительно контроля в среднем на 30% по всему диапазону доз облучения. Можно отметить вариант 1000 Гр, где у родителей вхождение хлорофилла в ССК было на 35% выше, тогда как у - на 63% ниже контрольного значения. Известно, что чем выше значение ССК (т.е. больше хлорофилла входит в его комплекс), тем меньше продуктивность фотосинтеза [10]. Поэтому можно предположить, что варианты с облучением Р, где ССК значительно отличается от контрольного значения (выше или ниже), находятся в состоянии дисбаланса по процессам фотосинтеза. У первого поколения, выросшего из семян облученных родителей, произошла относительная стабилизация по формированию ССК во всем диапазоне интенсивности полученного радиационного стресса родителями.

Каротиноиды - это желтые, оранжевые, красные или коричневые пигменты, сильно поглощающие в сине-фиолетовой области. Их еще называют вспомогательными пигментами, поскольку поглощенную ими световую энергию они переносят на хлорофилл и входят в ССК. Помимо своей функции как вспомогательных пигментов кароти-ноиды защищают хлорофиллы от избытка света и от окисления кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Содержание пигментов является важным и чувствительным показателем физиологического состояния растений и их фотосинтетического аппарата, направленности адаптивных реакций при воздействии стрессовых условий [1113]. В таблице показано увеличение каротинои-дов на 30 и 80% в листьях родительских форм в вариантах 100, 300 и 0,5 Гр, соответственно, относительно необлученного контроля. У растений первого поколения повышенное содержание (на 50 и 80%) пигментов наблюдалось в варианте 200 Гр (кроме 300 и 1000 Гр).

Заключение

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что острое гамма-облучение семян привело к статистически достоверному снижению хлорофилла а в листьях растений родительских форм. Начиная с варианта 400 Гр содержание этого хлорофилла в листьях дочернего поколения увеличилось на 10-40%. Для хлорофилла b и каротиноидов родительских растений характерно их немонотонное изменение в зависимости от повышения радиационного стресса. Отмечено увеличение зеленого пигмента b и каротиноидов в листьях амаранта F1 (с варианта 200 Гр). Семена этого поколения дали растения, в листьях которых содержание хлорофилла b было снижено при всех вариантах острого облучения, т.е. большая часть этого хлорофилла вошла в состав светособирающего комплекса фотосистемы.

Литература

1. Эдварде Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3- и С4- растений: механизмы и регуляция. - М. :Мир,1986. - 598 с.

2. Магомедов И.М. Физиологические основы конкурентоспособности амаранта // Успехи современного естествознания. - 2008. - № 5. - С. 57-59.

3. Железное A.B. Амарант: научные основы интродукции. -Новосибирск: Гео, 2009. - 239 с.

4. БилльК.Я. Экология фотосинтеза. - М.: Наука, 1993.

- 224 с.

5. Третьяков H.H., Карнаухова T.B., Паничкин Л.А. Практикум по физиологии растений. - М.: Агропромиз-дат, 1990. - 271 с.

6. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and Carotenoids Pigments of Photosynthetic Biomembranes // Method. Enzymol. - 1987. - V 148. - P. 350-382.

7. ЛакинГ.Ф. Биометрия. - М.: Высшая школа, 1980. -293 с.

8. Гродзинский Д.М. Радиобиология растений. - Киев, 1989. - 380 с.

9.Холл Д., РаоК. Фотосинтез. - М.: Мир, 1983. - 134 с.

10. Фотосинтез и продукционный процесс. - М.: Наука, 1988. - 420 с.

11. Blankenship R.E. Molecular Mechanisms of Photosynthesis // Blackwell Science. - 2002. - 321 p.

12. Стржалка К., Костецка-Гугала А., Латовски Д. Каротиноиды растений и стрессовое воздействие окружающей среды: роль модуляции физических свойств мембран каротиноидами // Физиология растений. - 2003.

- Т. 50. - С. 188-193.

13. Ладыгин В.Г., Ширшикова Г.Н. Современные представления о функциональной роли каротиноидов в хлоропластах эукариот // Журн. общ. биологии. - 2006. -Т. 67. - С. 163-189.