Сезонные изменения термоиндуцированных переходов нулевого уровня флуоресценции хлорофилла у интродуцированных и местных видов растений рода Picea на среднем урале

УДК 581.1

сезонные изменения термоиндуцированных переходов нулевого уровня флуоресценции хлорофилла у интродуцированных и местных видов растений

рода picea на среднем урале.

А. Ю. Овсянников, С.А. Шавнин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический сад Уральского отделения Российской академии наук. 620144, Россия, г. Екатеринбург, ул. 8 Марта, д. 202а; e-mail: litoral@inbox.ru

В работе представлены результаты изучения изменений термоиндуцированных переходов нулевого уровня флуоресценции хлорофилла у интродуцированных на среднем Урале ели колючей и канадской (Picea pungens Engl. "Glauca", P. canadensis Britt. соотв.), и аборигенного вида - ели сибирской (P. obovata Ledeb.), в связи с процессами перехода растений в состояние зимнего покоя. При анализе полученных термограмм отмечено, что у интродуцированных видов выход из покоя начинаются на 1-2 месяца раньше (в марте - апреле), а процесс ухода в покой начинается на месяц позже (в ноябре) относительно местного вида. На основе изучения уровня флуоресценции на различных участках температурной кривой в зимний период, сделано предположение о более значительной степени деструкции внутренних мембранных компонентов хлоропластов у интродуцентов по сравнению с аборигенным видом.

Ключевые слова: Picea pungens Engl., Picea obovata Ledeb., Picea canadensis Britt., флуоресценция хлорофилла, зимний покой

This research paper introduces results of study of changes in thermally-induced transitions of basic level chlorophyll fluorescence of the introduced at Central Urals species - Colorado and White spruce (Picea pungens Engl. "Glauca", P. canadensis Britt.), as well as the indigenous species - Siberian spruce (P. obovata Ledeb.) in connection with the processes of going into and coming out of dormancy. In the process of analyzing of obtained thermograms it was recorded that the dormancy breaking of introduced species start 1-2 months earlier (mart - april), and the processes of coming out of dormancy start one month later as against indigenous species (november). In a similar way, on basis of studying of the fluorescence level at the different stages of a temperature curve during the winter the assumption was made that considerable destruction of all chloroplast inner membrane constituents of introduced species and that partial preservation of chloroplast stromal structure of indigenous species occurs.

Keywords: Picea pungens Engl., Picea obovata Ledeb., Picea canadensis Britt., chlorophyll fluorescence, winter dormancy

ВВЕДЕНИЕ

Годичная периодичность процессов жизнедеятельности растений является наследственно закреплённой особенностью древесных растений. Однако в условиях интродукции наследственные морфофи-зиологические ритмы могут как совпадать, так и не совпадать с особенностями сезонной периодичности климатических факторов на новой территории произрастания, что неизбежно отразится на степени проявления адаптационного потенциала и жизнеспособности растения в целом. Одним из факторов, регулирующих периодичность физиологического состояния растений, является температурный режим окружающей среды. Под его воздействием оптимизируется термоадаптация растения, основанная на изменении метаболизма и процессов фотосинтеза (Петровская-Баранова, 1983). В основе изменения фотосинтетических реакций лежит определённая организация мембраны тилакоидов в хлоропласте (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991; Шавнин, Фомин, 1993). В частности, эффективность первичных реакций фотосинтеза зависит не только от количества форм хлорофилла (Хл) и хлорофилл-белковых комплексов, но и от функционального состояния и организации надмолекулярных комплексов (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991).

Цель настоящей работы - изучение сезонной периодичности первичных процессов фотосинтеза растений путём сравнительного исследования особенностей сезонной динамики состояния фотосинтетического аппарата (ФСА) у интродуцированных и аборигенных видов деревьев рода Picea в условиях города Екатеринбурга на Среднем Урале, с помощью регистрации термоиндуцированных переходов нулевого уровня флуоресценции Хл (F0).

объекты и методы исследования

Объектами нашего исследования явились интро-дуценты: Picea pungens Engl "Glauca" (ель колючая - Е.кол.), P. canadensis Britt. (ель канадская - Е.кан.) и аборигенный вид P. obovata Ledeb. (ель сибирская -Е.сиб.). Возраст исследованных деревьев 30-40 лет. Насаждения расположены в глубине лесопарковой зоны на территории Ботанического сада УрО РАН в г. Екатеринбурге. Для исследования было отобрано по 10 деревьев каждого вида. Образцы хвои 2-го года собирали с юго-восточной стороны кроны, на высоте 1,5-2 метров, путём срезания двухлетних побегов. После сбора охвоёные побеги адаптировали на свету, при комнатной температуре (18-220С) в течение одного

часа. Измерения F0 Хл хвои проводили в диапазоне от 25 до 700С (скорость нагрева 40С/мин), на флуориме-тре "Фотон-5м" производства Красноярского госуниверситет. Измерения проводили в период с 2000 - 2003 г, с периодичностью 1-2 раза в месяц. Эксперименты проводили в 5-ти биологических повторностях. При построении сезонных зависимостей приведенных ниже расчётных параметров термограмм эмпирические кривые сглаживали методом скользящей средней.

В структуре термограмм уровня F0 выделяют три основных участка (рисунок 1) (Шавнин, Фомин, 1993). Участок 1 - относительно стабильный низкий выход флуоресценции в широком интервале температур 0-400С. Уровень флуоресценции на этом участке отражает активность работы реакционного центра фотосистемы II (ФС II), связанной с переносом энергии возбуждения от антенного хлорофилла к реакционному центру. Дальнейшее повышение температуры приводит к резкому увеличению уровня F0 и появлению первого пика, с максимумом при 45 - 550С (участок 2). В период активной вегетации растений на этом участке выход флуоресценции наиболее выражен и достигает своих максимальных значений. При понижении температуры среды в осеннее - зимний период и переходе растений в состояние покоя происходит изменение уровня F0. Низкотемпературный экстремум на участке 2 подавляется и появляется высокотемпературный пик в области 56 - 700С (участок 3) (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991; Шавнин, 1994).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ сезонных изменений температурных зависимостей уровня F0 позволяет выделить следующие особенности у исследуемых видов растений (рисунок 1). В зимний период у Е.сиб., при неполном подавлении (5-15% от максимального летнего значения) низкотемпературного экстремума, наблюдается значительное повышение свечения на третьем участке. В изменениях температурных зависимостей уровня F0, у Е.кан. и Е.кол. также прослеживалось неполное подавление в зоне низкотемпературного пика, но, в отличие от Е.сиб., высокотемпературный участок уровня F0 был значительно менее выражен (рисунок 1).

Уч. 1

Уч. 2 Уч. 3

л

. ' \

1 А \ ' * \ I

\ 1 \1

\

/ /С^ в

/ "

9

60

Т, С о

Рисунок 1 - Характерные сезонные изменения температурных зависимостей F0 хвои у Е.кол., Е.кан. и Е.сиб. Измерения выполнены: А - 20.07.01 г, Б -23.11.01 г., В - 15.01.02 г.

Для описания сезонной динамики термограмм уровня F0 были использованы следующие показатели: относительная величина низкотемпературного максимума (Д1), которую рассчитывали по формуле: Я1=ФЛнт-(ФЛ25/ФЛнт), где ФЛнт - интенсивность флуоресценции при низкотемпературном максимуме; ФЛ25 - интенсивность флуоресценции при 25 0С; соотношение низко- и высокотемпературного максимумов (Я2), которое определяли по формуле Я2 = ФЛнт/ ФЛвт, где ФЛвт - интенсивность флуоресценции при высоко температурном максимуме (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991).

Начало увеличения отношения Я1 (рисунок 2), характеризующего эффективность захвата возбуждения в реакционном центре ФС II, отмечено у Е.кол. в марте. Максимальные значения были достигнуты в апреле и сохранялись вплоть до июня. У Е.кан. и Е.сиб. увеличение параметра Я1 началось в апреле, однако уже в мае Е.кан. быстро достигла уровня максимальных летних значений, а у Е.сиб. увеличение Я1 было более плавным, с достижением пиковых значений только в июне. В период с июля по сентябрь у всех исследованных видов отмечено небольшое снижение величины Я1 с выходом на плато, что возможно, связано с адаптацией фотосинтетического аппарата к высоким летним среднесуточным температурам. В октябре - у Е.кол. и Е.кан. вновь происходит увеличение Я1 до уровня весенних значений. В отличие от ин-тродуцентов у Е.сиб. осеннего увеличения значений параметра Я1 не наблюдалось. В октябре у Е.сиб. и в ноябре у Е.кол. и Е.кан. происходит резкое уменьшение значений Я1 с достижением предельно низкого уровня в ноябре и декабре соответственно.

ч 45,0 и

У 40,0 I

о 35,0 ^ 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0

0,0

— А-   Е.сиб. --о--Е.кан.

I

II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Время месяцы

Рисунок 2 - Сезонные изменения параметра R1

Глубину покоя оценивали по параметру Я2 (рисунок 3). Чем больше этот показатель, тем выше активность фотосинтетического аппарата растения и меньше глубина покоя (Пахарькова, 1999). Предельно низкие значения Я2, присущие состоянию зимнего покоя, у Е.сиб. отмечены в период с конца октября по март, а у Е.кол. и Е.кан. - с декабря по февраль. Нужно отметить, что значения Я2 в зимний период достоверно ниже у Е.сиб. чем у Е.кол. и Е.кан. По-видимому, это свидетельствует о большей глубине покоя Е. сиб., чем у интродуцированных видов.

Е.кол

0

Весной наблюдалось увеличение R2, продолжавшееся у Е.кол. с февраля до марта, у Е.кан. с марта до апреля и у Е.сиб. с марта по май. В течение апреля-июня у Е.кол. и мая у Е.кан. и Е.сиб. отмечено замедление подъёма, с выходом на плато. В мае у Е.сиб. и июне у Е.кол. и Е.кан. значения R2 вновь увеличивались, но уже за счет уменьшения амплитуды уровня F0 в области высокотемпературного пика и сохранения максимального выхода флуоресценции на участке низкотемпературного экстремума. Сохранение максимальных значений R2 продолжалось у Е.сиб. до сентября-октября, а у Е.кол. и Е.кан. - до ноября, затем наблюдось постепенное снижение R2, завершающееся выходом на уровень минимальных значений.

Время, месяцы

Рисунок 3 - Сезонные изменения параметра Я2.

Нужно отметить, что у хвойных растений, произрастающих в условиях аэротехногенного загрязнения, процессы выхода из состояния покоя происходят раньше, а уход в зимний покой начинается позже и его глубина меньше, чем у деревьев из чистых районов (Григорьев, Пахарькова, Сорокина, 2002; Па-харькова, Калякина, Шубин и др., 2010). Таким образом, временные рамки процессов перехода покой - активность - покой у растений в условиях интродукции могут зависеть не только от фотопериода и температуры окружающей среды, но и вероятно, от уровня городского загрязнения воздушной среды в месте произрастания. Однако следует учесть, что эти выводы подразумевают анализ, выполненный на экспериментальных данных собранных с одновидовых групп объектов. В нашей работе сравниваются близкородственные виды, имеющие существенные различия естественных ареалов произрастания, в которых под влиянием специфических климато-эдафических факторов могли сформироваться различные физиологические механизмы, определяющие адаптационный потенциал растений.

Появление низкотемпературного пика, связывают с разрывом связи между Хл-белковым комплексом (ХБК) ФС II и открытым реакционным центром (РЦ) ФС II, а снижение уровня F0 - с функциональными и структурными нарушениями светособирающего Хл-белкового комплекса (ССК II) ФС II (Гаевский, Сорокина, Гольд, 1985; Гаевский, Сорокина, Гольд [и др.), 1991). Регистрируемый при дальнейшем нагреве высокотемпературный пик может объясняться увеличением выхода флуоресценции молекул Хл

а, входящего в состав более термостабильного ХБК фотосистемы I (ФС I), как следствие нарушений в реакционном центре ФС I. Определённый вклад в появление высокотемпературного пика может дать и ХБК ФС II при условии его локализации в тилакоидах стромы и дефиците ССК (Гаевский, Сорокина, Гольд, 1985; Гаевский, Ладыгин, Гольд, 1988).

Известно, что до 80 % ХБК ФС II и ССК II локализованы в участках плотных контактов тилакоидах гран, а ХБК ФС I расположен преимущественно в межгранных участках тилакоидов стромы (Ладыгин, 1998). Учитывая эту неравномерность распределения Хл-белковых комплексов ФС I и ФС II в мембранах тилакоидов, по отношению низко- и высокотемпературного максимумов, можно оценить структуру организации мембран хлоропластов на уровне соотношения гранальных и межгранных участков (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991). Учитывая эти условия, характер термограмм, регистрируемых в зимний период у всех видов елей, может соответствовать агра-нальному типу организации хлоропластов, практически полностью лишенных структурных единиц ФС II. Это соответствует литературным данным об ультраструктурной организации хлоропластов у Е.сиб. и Е.кол.в зимний период, в которых указывается на сохранение тилакоидной системы и её организации в виде парных и стромальных тилакоидов (Ладано-ва, 1989; Ходасевич, 1982). Однако нужно учесть, что цитологические исследования Е.кол. в зимний период (Ходасевич, 1982) проводились в значительно более мягких климатических условиях Белоруссии и их репрезентативность в сравнительном аспекте со средним Уралом представляется сомнительной.

Отмеченное нами подавление, в декабре-январе, у Е.кол. и Е.кан., высокотемпературного пика относительно ноябрьских значений, может свидетельствовать о деструкции, помимо ФС II, также и ФС I, что вероятно, обуславливается снижением степени её устойчивости в зимний период. У Е.сиб наблюдается более высокий, по сравнению с интродуци-рованными видами, уровень флуоресценции Хл на участке высокотемпературного пика, что, может объясняться более устойчивым функциональным состоянием ФС I в зимний период.

Причин появления весеннего плато на графике может быть несколько: замедление весенней реорганизации ультраструктуры хлоропластов, в связи с перераспределением пула фотосинтетических метаболитов в пользу новообразовавшейся хвои (Робакидзе, 2000); сильное выцветание молекул пигментов в период высокой солнечной активности при недостатке фотопротекторов; появление молодых хлоропластов с несформированной, гранальной структурой мембран, что может приводить к снижению термостабильности пластид (Гаевский, Сорокина, Гольд и др., 1991).

Нужно отметить, что значение R2 в пределах описанного выше плато равно единице, что соответствует равной степени выраженности высоко- и низко-температурного пиков. Однако изменения в амплитуде низко- и высокотемпературных пиков, ко-

торые определяют достижение такого соотношения, у исследованных видов в этот период отличались. У Е.кол. зафиксировано быстрое увеличение низкотемпературного пика, с достижением уровня летних значений, в течение месяца (рисунок 1). Одновременно происходит быстрое снижение свечения в области высокотемпературного пика, и выходом на равно высотные значения с низкотемпературным пиком в марте. Вероятно, что на начальных этапах выхода из покоя формирование содержащих ФС II граналь-ных участков, происходит в большей степени за счет уменьшения стромальных участков содержащих ФС I мембран тилакоидов. Механизм этого процесса может заключаться в перераспределении либо в слипании стромальных участков мембран хлоропласта (Öquist, 1983). У Е.сиб. весеннее нарастание уровня флуоресценции в области низкотемпературного пика происходит медленно и плавно в течение нескольких месяцев (рис 1), при этом амплитуда высокотемпературного пика в этот период не изменялась. По-видимому, у Е.сиб. формирование гранальной структуры может происходит в большей степени за счет использования внутренних ресурсов, направленных на синтез новых мембранных компонентов хлоропласта, содержащих ФС II.

В целом сезонные изменения уровня F0 видоспе-цифичны и позволяют выделить два типа адаптации ФСА в сезонной динамике физиологических состояний у исследованных видов: продолжительный срок активности первичных процессов фотосинтеза с ранним и быстрым периодом выходом из покоя и поздний уход в покой в течение месяца у Е.кол. и Е.кан., и соответственно, более поздний, относительно ин-тродуцированных видов, и продолжительный выход из состояния зимнего покоя с ранним уходом в покой у аборигенного вида Е.сиб.. Вероятно, этот тип является наиболее адаптивным режимом в нестабильных весенних погодных условиях среднего Урала. Полученные данные позволяют предположить, что проявление изученных физиологических особенностей является наследственно закрепленным и сохраняется у растений в условиях интродукции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИй СПИСОК

Гаевский, Н.А. Изучение природы термоиндуциро-ванных изменений флуоресценции хлорофилла с использованием мутантов Chlamydomonas reinhardii / Н.А. Гаевский, Г.А. Сорокина, В.М. Гольд //Физиология растений. - 1985. - том 32. - № 4. - С. 674-681. Гаевский, Н.А. Новые данные о природе высокотемпературного подъёма флуоресценции хлорофилла / Н.А. Гаевский, В.Г. Ладыгин, В.М. Гольд // Физиология растений. - 1988. - том 36. - № 2. - С. 274-277.

Гаевский, Н.А. Сезонные изменения фотосинтетического аппарата древесных и кустарниковых растений / Н.А. Гаевский, Г.А. Сорокина,

B.М. Гольд [и др.) // Физиология растений. -1991. - том 38. - № 4. - С. 685-692.

Григорьев, Ю.С. Мониторинг состояния древесных растений в условиях загрязнения воздушной среды методом регистрации флуоресценции хлорофилла / Ю.С. Григорьев, Н.В. Пахарькова, Г.А. Сорокина // Тез. докл. международной научной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем». - М. - 2002. - С. 55-56.

Ладанова, Н.В. Возрастные и сезонные изменения структуры мезофила Picea obovata: автореф. дисс....канд. биол. наук / Н.В. Ладанова. - Воронеж. - 1989. - 20 с.

Ладыгин, В.Г. Структурно-функциональная организация фотосистем в хлоропластах Chlamydomonas reinhardii / В.Г. Ладыгин // Физиология растений. - 1998. - том 45. - № 2. - С. 741-762.

Пахарькова, Н.В. Замедленная флуоресценция хлорофилла хвойных в условиях техногенного загрязнения атмосферы: автореф дисс....канд. биол. наук: 19.06.99. / Н.В. Пахарькова. - Красноярск, 1999. - 22 с.

Пахарькова, Н.В. Различия в акклимационных стратегиях сосны обыкновенной и ели сибирской на загрязнение воздушной среды / Н.В. Пахарькова, О.П. Калякина, А.А. Шубин [и др.) // Хвойные бореальной зоны. - 2010. - XXVI. - № 3-4. -

C. 232-237.

Петровская - Баранова, Т.П. Физиология адаптации и интродукция растений / Т.П. Петровская - Баранова. - М.: Наука, 1983. - 4 с.

Робакидзе, Е.А. Качественный и количественный состав углеводов в формирующейся хвое ели сибирской / Е.А. Робакидзе, А.И. Патов // Физиология растений. - 2000. - том 47. - № 2. -С. 248-254.

Ходасевич, Э.В. Фотосинтетический аппарат хвойных / Э.В. Ходасевич. - Минск.: Наука и Техника, 1982. - 181 с.

Шавнин, С.А. Сезонные изменения флуоресценции хлорофилла хвои сосны обыкновенной / С.А. Шавнин, А.С. Фомин // Физиология растений. - 1993. - том 40. - №2. - С. 209-213.

Шавнин, С.А. Морфофизиологическая диагностика состояния древостоев хвойных в экологическом мониторинге: Дисс....докт. биол. наук / С.А. Шавнин - Ин-т экологии растений и животных УрО РАН. Екатеринбург - 1994. - 313 с.

Öquist, G. Effect of low temperature on photosynthesis / G. Öquist // Plant Cell and Environment. - 1983. -V.6. - № 4. - P. 281.