Фотосинтез, транспорт ассимилятов и продуктивность у растений картофеля, выращенных при разной освещенности

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2012, № 1

УДК 635.21/.24:57.043:581.132

ФОТОСИНТЕЗ, ТРАНСПОРТ АССИМИЛЯТОВ И ПРОДУКТИВНОСТЬ У РАСТЕНИЙ КАРТОФЕЛЯ, ВЫРАЩЕННЫХ ПРИ РАЗНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ

В.И. ЧИКОВ1, Г.А. САЛЯХОВА1, Г.Ф. САФИУЛЛИНА2, Ф.Ф. ЗАМАЛИЕВА2

Исследовали влияние разной освещенности при выращивании (25, 50 и 95 % от полной инсоляции) на ассимиляцию 14СО2 и распределение 14С-продуктов фотосинтеза по органам растения у картофеля сорта Невский. Показано, что карбоксилирующая активность в листьях (поглощение 14СО2) была повышенной только в варианте с максимальной освещенностью (95 %), тогда как в двух других (25 и 50 %) достоверных различий не обнаружили. Интенсивность экспорта меченых ассимилятов из листовой пластинки — донора 14С оказалась максимальной при средней освещенности и минимальной — при насыщающей. Распределение 14С по органам растения в условиях высокой светообеспеченности характеризовалось усилением транспорта ассимилятов в верхушку побега и относительно меньшим поступлением 14С в клубни. Эффективность функционирования фотосинтетического аппарата растения (масса образовавшихся клубней на единицу массы ботвы) в вариантах 50 и 95 % была соответственно наибольшей и наименьшей.

Ключевые слова: фотосинтез, транспорт ассимилятов, Solanum tuberosum, продуктивность фотосинтеза, интенсивность света.

Keywords: photosynthesis, assimilate transport, Solanum tuberosum, photosynthetic productivity, radiation intensity.

В регуляции продукционных процессов у растений важное место занимают донорно-акцепторные отношения (ДАО) между фотосинтезирующими и потребляющими ассимиляты органами. Считается (1), что формирование урожая (запасание продуктов фотосинтеза в хозяйственно важных органах-акцепторах) определяется интенсивностью фотосинтеза в листьях-донорах, которая, в свою очередь, обусловлена потребностями акцептирующих частей растения. Участники ДАО несут различную функциональную нагрузку (2). Донорами обычно служат листья, функция которых — образование продуктов фотосинтеза и их экспорт в потребляющие органы (хотя молодые листья акцептируют часть ассимилятов).

В большинстве публикаций, посвященных ДАО, экспериментальные данные получены в опытах с растениями, у которых искусственно нарушалось соотношение между массой донорных и акцепторных органов при сохранении, как правило, оптимальных условий собственно процесса фотосинтеза в листьях. Например, изменялась площадь листовой поверхности относительно массы акцептирующих органов или масса последних относительно листового аппарата.

В то же время в природе фотосинтетический аппарат вынужден функционировать при разной степени затенения. Исследования фотосинтеза в зависимости от освещенности обычно проводились при ее кратковременном изменении, однако в этих условиях включаются быстродействующие регуляторные механизмы (например, изменение апертуры устьиц, заполненность пулов цикла Кальвина, активности фотодыхания и др.).

Как регулируются продукционные процессы у растений при постоянно лимитируемом свете, пока не известно. Эта проблема особенно актуальна для картофеля, поскольку продукты фотосинтеза у этого растения в основном накапливаются в подземной части, где действуют два конкурирующих между собой акцептора — клубни и всасывающая зона корней.

Для выяснения того, как используются ассимиляты при их дефиците, мы провели эксперименты на оздоровленных (размноженных in vitro) растениях, выращенных при разной освещенности.

Методика. Объектом исследования служили растения картофе-

ля сорта Невский, выращиваемые по оригинальной технологии Татарского НИИ сельского хозяйства, которая разработана для получения мини-клубней растений, размноженных in vitro и высаженных в марлевый изолятор. Изолятором служил каркас теплицы (без стекол), обшитый марлей (марлевое покрытие обеспечивает нормальный воздухообмен и препятствует переносу вирусов крылатыми тлями). На поверхность почвы в изоляторе насыпали речной песок для улучшения дренажа и ограничения переноса других фитопатогенов. Пробирочные растения картофеля высаживали в защищенный грунт в первых числах июня, используя полиэтиленовые ящики размером 70^30 см, на дно которых помещали агрил (нетканый материал). В состав грунта входил торф, речной песок (в соотношении 2:1) и биогумус (из расчета 2 кг/м2). На одно растение в ящике приходилось около 1,5 кг грунта. Высаженные растения выращивались при трех вариантах освещенности — 25, 50 и 95 % от полной инсоляции. Основную часть плантации в марлевом изоляторе затенял один слой марли (вариант 50 %), в которой имелась секция, покрытая москитной сеткой из синтетического материала (вариант 95 %); отдельный участок на высоте 30-40 см от растений и с боков дополнительно покрывали вторым слоем марли (вариант 25 %; полив растений осуществляли поверх второго слоя марли). Для оценки эффективности использования энергии света в фотосинтезе в день опытов с 14СО2 с помощью актинометра М-3 (Россия) и светофильтров измеряли интенсивность фотосинтетически активной солнечной радиации (ФАР) во всех вариантах опыта. Без затенения она составила 400 Вт/м2, при 95, 50 и 25 % инсоляции — соответственно 380, 200 и 100 Вт/м2.

В фазу массового цветения измеряли интенсивность ассимиляции 14СО2. Для этого в ясный день (24 июля) в период с 1000 до 1200 на растения в каждом варианте (25, 50 и 95 % освещенности) на концевую листовую пластинку листа среднего яруса помещали фотосинтетическую камеру-прищепку, через которую в течение 2,5 мин прокачивали из газгольдера 14СО2 согласно описанию (3). Концентрация углекислоты в газгольдере составляла 0,03 об.%. Через 3 мин эту листовую пластинку срезали и фиксировали кипящим 80 % этанолом для определения интенсивности поглощения 14СО2. После введения меченого углерода в концевую листовую пластинку часть растений продолжали выращивать в течение 1 сут в естественных условиях для определения характера распределения меченых продуктов фотосинтеза по органам. Лист, через который поступал 14СО2, помечали для последующей идентификации листа и растения. На следующий день эти растения разделяли на части (листовая пластинка — донор 14С-ассимилятов, оставшаяся часть листа-донора, верхушка с ювенильными листьями, стебель с листьями выше донорного листа, стебель с листьями ниже донорного листа, корни и клубни). Все части одновременно фиксировали кипящим 80 % этанолом. Зафиксированные пробы растирали с 60 % этанолом и определяли их общую радиоактивность с помощью сцинтил-ляционного счетчика Delta-300 («Tracor Analytic», США). Опыты с 14С проводили в 5-кратной биологической и 2-кратной аналитической повторности.

Показатели продуктивности определяли 14 сентября, взвешивая массу ботвы и клубней, а также подсчитывая число клубней (для каждого варианта — в шести посадочных ящиках по 10-12 растений).

На диаграммах представлены средние значения в пересчете на одно растение (или лист) со стандартной ошибкой.

Результаты. Поскольку фотосинтез у растений картофеля при естественной концентрации СО2 насыщается при освещенности чуть более половины естественной солнечной радиации (4), условия в опыте соответствовали значительному световому ограничению фотосинтеза (25 %), оптималь-

ной (близкой к насыщению) (50 %) и выраженно избыточной (95 %) освещенности.

1200-1 Интенсивность ассимиляции 14С02,

ой íoooI i pH которая продолжалась в течение 2,5 мин,

а « 800| I I Г*-! У растений, адаптированных к различной

|-| боо освещенности, мало различалась (рис. 1). За-

¡ I 4оо метное превышение (12-18 %) этого показате-

11 200-1 ля наблюдалось только при высокой осве-

oJ——.—ИИ—т—ЛН— щенности. Поскольку в день опыта погода

была жаркой и солнечной, различие между вариантами может объясняться степенью открытия устьиц. В марлевом изоляторе движение воздуха (ветра) ограничено, что в еще большей степени проявлялось при наимень-

г полной инсоляции

Рис. 1. Ассимиляция 14С02 в листьях у растений картофеля сорта Невский в зависимости от освещенности при выращивании.

шей освещенности, поскольку над такими растениями был дополнительно натянут слой марли. Этим создавались условия повышенной влажности, и устьица максимально открывались. Напротив, при повышенной освещенности растения сильно нагревались и часть устьиц, вероятно, закрывались.

Рис. 2. Распределение 14С-продуктов через 24 ч после ассимиляции 14С02 концевой пластинкой листа среднего яруса у растений картофеля сорта Невский в зависимости от освещенности при вымащивании: а, б, в — соответственно 25, 50 и 95 % от полной инсоляции; 1 — часть побега выше 14С-донорного листа, 2 — поглощавшая 14С02 доля 14С-донорного листа, 3 — оставшаяся часть 14С-донорного листа, 4 — надземная часть побега ниже 14С-донорного листа, 5 — верхушка побега, 6 — клубни, 7 — корни, 8 — соотношение радиоактивности частей растения ниже и выше листа-донора.

Следует отметить, что при кратковременном поглощении 14С02 радиоактивность отражает только величину поступления метки в лист. Количество меченого углерода, ассимилированного в конечных продуктах фотосинтеза, будет ниже, так как значительная доля 14С (30-50 %) метаболи-зируется в фотодыхательном гликолатном цикле (5), при этом третья его часть от содержащегося в ассимилятах может выделиться из листа в виде 14С02 (6). Окончательное содержание связанного 14С обусловлено также количеством 14С02, которое сохраняется в листе в течение времени с момента удаления фотосинтетической камеры до фиксации кипящим спиртом, причем эта составляющая зависит от степени открытия устьиц.

14С-углерод, включенный в сахарозу как конечный продукт фотосинтеза, в последующие 24 ч экспортировался из листа-донора и распределялся по разным органам растения. Характер этого распределения также зависел от условий выращивания (рис. 2). Из листьев-доноров в наибольшей степени 14С-ассимиляты экспортировались у растений при средней освещенности, в наименьшей — при высокой. Экспорт продуктов фотосинтеза из листа хо-

рошо коррелировал с интенсивностью нисходящего тока ассимилятов. Соотношение радиоактивности в частях растения ниже и выше листа-донора было максимальным при средней освещенности и минимальным — при высокой (различие между вариантами — более чем в 3 раза); у растений, выращенных при низкой освещенности, показатели занимали промежуточное положение. В то же время в условиях низкой и высокой освещенности (на фоне в целом усиленного восходящего транспорта ассимилятов) поступление меченых продуктов фотосинтеза в верхушку побега и клубни значительно различалось. В верхушку в первом варианте поступало практически столько же 14С, сколько при средней освещенности, тогда как во втором — в 2-3 раза больше. В клубни при высокой освещенности транспортировалось почти в 2 раза меньше 14С-продуктов фотосинтеза, чем в двух других вариантах опыта (см. рис. 2). Столь существенное несходство в распределении 14С по органам у растений, которые были выращены при высокой или низкой освещенности, по сравнению с содержащимися в условиях средней освещенности обусловлено, по-видимому, несколькими причинами. Так, при высокой освещенности энергообеспеченность фотосинтеза и процессов транспорта достаточна, образовавшиеся продукты фотосинтеза поступают во флоэму и передаются из листа к потребляющим органам. В то же время высокая освещенность и перегрев растений способствуют усилению транспирации.

Ранее мы показали, что в растении происходит циркуляция ассимилятов (7). Из листьев они транспортируются вниз по флоэме стебля. Часть сахарозы попадает из флоэмы в апопласт и уносится восходящим потоком транспирационной воды (8). Достигая верхних листьев, сахароза повторно поступает во флоэму и реэкспортируется вниз. В апопласте она частично гидролизуется инвертазой, а продукты гидролиза (глюкоза и фруктоза) утилизируются клетками. Описанный процесс особенно активен в ювенильных листьях, не экспортирующих ассимиляты из-за неразвитости проводящей системы флоэмы, поэтому в таких листьях накапливается меченый углерод. В нашем опыте при высокой освещенности возросший транс-пирационный поток воды усиливал восходящий перенос 14С-сахарозы, поступившей в апопласт из флоэмы стебля. На это указывал рост содержания 14С-углерода не только в ювенильных листьях верхушки побега, утилизирующих сахарозу, но и в листовых пластинках листа-донора, не поглощавших 14СО2. Поскольку с помощью фотосинтетической камеры 14С поступал только в часть листа, при движении по флоэме его черешка 14С-сахароза выходила в апопласт и увлекалась обратно встречным током транспирационной воды. В результате меченые ассимиляты частично возвращались как в листовую пластинку — донор 14С, так и в другие листовые пластинки сложного листа картофеля.

Поступление меченых продуктов фотосинтеза в другие (не ассимилировавшие 14СО2) доли 14С-донорного листа было практически одинаковым как при высокой, так и при низкой освещенности. При средней освещенности накопление метки оказалось существенно ниже. Очевидно, что у растений, закрытых от солнца двумя слоями марли, транспирация была минимальной, что уменьшало перенос меченых продуктов фотосинтеза с восходящим током воды. Такой вывод подтверждается низким содержанием 14С в верхушке побега. Однако количество метки в соседних листовых пластинках 14С-донорного листа не отличалось от регистрируемого при высокой освещенности. Из этого можно заключить, что при низкой освещенности метка из 14С-донорной доли листа попадала в соседние листовые пластинки симпластически.

Недостаток энергетического обеспечения в условиях низкой освещенности замедляет транспорт по флоэме, что создает предпосылки для по-

степенного диффузионного переноса меченых ассими-лятов по симпласту из поглощавшей 14С02 листовой пластинки в соседние доли листа-донора. Меченым продуктам фотосинтеза транспортироваться таким способом до верхушки значительно труднее из-за дальности расстояния. Кроме того, при общем энергетическом дефиците в условиях низкой освещенности в корнях растений подавляется восстановление нитратов и большее их количество поступает в листья. Это способствует торможению оттока ассимилятов из листьев за счет снижения проводимости флоэмы (9). В результате больше 14С-ассимилятов задерживалось в листьях побега (как выше, так и ниже донорного листа). Показано (10), что при усилении нитратного питания в апопласте гидролиз сахарозы происходит значительно интенсивнее, чем в клетках мезофилла. 0бразующиеся гексозы уже не могут загружаться во флоэму и вынуждены возвращаться в клетки мезофилла, где утилизируются. 0тсутствие активной циркуляции ассимилятов по растению при пониженной транспирации в конечном итоге приводит к их меньшему использованию в надземной части и относительно более успешному (но медленному) симпластному транспорту продуктов фотосинтеза в клубни. При низкой проводимости флоэмы это достаточно энергоемкий процесс, и на его осуществление дополнительно расходуются продукты фотосинтеза, что и отразилось на конечных показателях продуктивности.

Рис. 4. Эффективность использования ФАР, г/Вт (а) и функционирования фотосинтетического аппарата (ФСА) в образовании клубней, г/г ботвы (б) у растений картофеля сорта Невский в зависимости от освещенности при вымащивании.

Хотя первичное поглощение 14С02 листом при разных вариантах светообеспеченности различалось незначительно, конечная продуктивность при дефиците освещенности оказалась наименьшей. Общая масса растения (рис. 3) в целом коррелировала с величиной освещенности. При этом надземная масса при высокой светообеспеченности была значительно выше, чем в двух других вариантах опыта, в которых растения, в свою очередь, мало различались по этому показателю продуктивности. В то же время масса клубней у растений, выращенных при средней и высокой освещенности, была практически одинаковой. В конечном итоге эффективность функционирования фотосинтетического аппарата (масса образовавшихся клубней в расчете на единицу массы надземной, то есть фотосинтезирующей, части растения) оказалась максимальной при средней освещенности и минимальной при высокой. Растения, выращенные при низкой освещенности, занимали по эффективности фотосинтеза промежуточное положение. Подобная закономерность отразилась и на величине Кхоз. (доля хозяйственно важной части урожая — клубней в общей биомассе растения, %) (см. рис. 3). При уменьшении Кхоз. эффективность

1,8 -| г 1,6

1 1,2

и °>8 I I .

III

25

50

95

Освещенность, % от полной инсоляции

Рис. 3. Показатели продуктивности у растений картофеля сорта Невский в зависимости от освещенности при выращивании: а, б, в — соответственно 25, 50 и 95 % от полной инсоляции; 1 и 2 — соответственно масса ботвы и масса клубней, г/растение, 3 — средняя масса одного клубня, г, 4 — число клубней, шт., 5 — Кхоз., % (доля клубней в биомассе растения).

использования ФАР в фотосинтезе (образование сухого вещества в расчете на 1 Вт поглощенной энергии света) снижалась (рис. 4), хотя урожай клубней благодаря экстенсификации продукционного процесса был достаточно высок. Существует оптимальное сочетание всех трех механизмов транспорта ассимилятов для образования хозяйственно важной части урожая. В нашем опыте масса клубней в расчете на единицу поглощенной энергии света была наибольшей при средней освещенности (см. рис. 4).

Таким образом, в условиях разной освещенности важное место в продукционном процессе у растений картофеля занимает восходящий транспорт ассимилятов с транспирационным током воды и их циркуляция по растению. Активизация восходящего транспорта приводит к усиленному использованию продуктов фотосинтеза на образование надземной массы, уменьшению Кхоз., снижению относительной эффективности фотосинтеза, однако урожай клубней при этом остается достаточно высоким.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. М о к р о н о с о в А.Т. Фотосинтетическая функция и целостность растительного организма. М., 1983.

2. Ч и к о в В.И. Роль донорно-акцепторных отношений в регуляции продукционных процессов у растений. В сб.: Фотосинтез: физиология, онтогенез, экология /Под ред. Е.С. Роньжи-ной. Калининград, 2009: 206-234.

3. М о к р о н о с о в А.Т. Фотосинтез картофеля. Т. 12. Физиология сельскохозяйственных растений. М., 1971: 99-128.

4. Ч и к о в В.И., Ч е м и к о с о в а С.А., Н е с т е р о в а Т.Н., 3 е р н о в а О.В. Особенности фотосинтеза и экспортной функции листа при усилении азотного питания растений. В сб.: Фотосинтез и продукционный процесс /Под ред. А.Т. Мокроносова. Свердловск, 1988: 145-154.

5. Ч и к о в В.И. Фотодыхание. Соросовский образовательный журнал, 1996, 11: 2-8.

6. Л а й с к А.Х. Кинетика фотосинтеза и фотодыхания Сз-растений. М., 1977.

7. Ч и к о в В.И. Эволюция представлений о связи фотосинтеза с продуктивностью растений. Физиология растений, 2008, 55(1): 140-154.

8. M i n c h i n P.E.H., M c N a u g h t o n G.S. Xylem transport of recently fixed carbon within lupin. Aust. J. Plant Physiol., 1987, 14: 325-329.

9. Б а т а ш е в а С.Н., А б д р а х и м о в Г.Г., Б а к и р о в а Г.Г., Ч и к о в В.И. Влияние нитратов, вводимых с транспирационным током воды, на транспорт ассимилятов.

Физиология растений, 2007, 56(3): 421-431.

10. C h i k o v V.I., A v v a k u m o v a N.Y., B a k i r o v a G.G. e.a. Apoplastic transport of 14C-photosynthates measured under drought and nitrogen supply. Biol. Plantarum, 2001, 44: 517-521.

Учреждение Российской академии наук Казанский Поступила в редакцию

институт биохимии и биофизики КазНЦ РАН, 5 мая 2010 года

420111 г. Казань ул. Лобачевского, 2/31, e-mail: chikov@kzn.ru;

2Татарский НИИ сельского хозяйства Россельхозакадемии,

420059 г. Казань, ул. Оренбургский тракт, 48, e-mail: tatniva@mail.ru

PHOTOSYNTHESIS, ASSIMILATES TRANSPORT AND PRODUCTIVITY IN POTATO PLANTS OF THE NEVSKII VARIETY GROWN UNDER DIFFERENT INSOLATION

V.I. Chikov1, G.A. Salyakhova1, G.F. Safiullina2, F.F. Zamalieva2

S u m m a r y

The authors investigated the effect of 25, 50 и 95 % insolation on 14CÜ2 assimilation and the distribution of photosynthetic 14C-products in potato plant’s organs. It was shown, that carboxy-lating activity in leaves (14СО2 absorption) was increased only in the conditions of 95 % insolation, but under 25 и 50 % insolation the significant differences were not revealed. The intensity of labeled assimilate export from the ^С-donor lamina was maximal during medium lighting and minimal — during saturated one. The 14С distribution in plant organs in the conditions of high-level lighting was characterized by rise of assimilates transport to crown of stem and by reduced entry of 14С to tubers. The efficiency of photosynthetic apparatus (the mass of tubers per mass unit of potato tops) in 50 and 95 % variants was the greatest and the least, respectively.