Суточные ритмы фотосинтеза и холодоустойчивость растений

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 581.132

СУТОЧНЫЕ РИТМЫ ФОТОСИНТЕЗА И ХОЛОДОУСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ П.А. Кашулин, Н.В. Калачёва

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН

Аннотация

Методами импульсной флуоресцентной спектроскопии проведен мониторинг фотосинтетической активности листопадных древесных пород и культурных кустарников на Кольском Севере в августе - октябре 2014 г. Обнаружено, что квантовый выход флуоресценции хлорофилла характеризуется суточной цикличностью и зависит от внешней среды. Salix caprea, Lonicera edulis, L. tatarica, Syringa josikaea при высокой регулярности циклов более толерантны к низкой температуре, солнечной и УФ-радиации, чем Betula pendula. Предположена связь механизмов суточной цикличности и холодоустойчивости.

Ключевые слова:

субарктический, холодоустойчивость, цикличность, листопадное растение, фотосинтез, флуоресценция хлорофилла.

Введение

Устойчивый многолетний рост концентрации диоксида углерода в биосфере делает актуальным изучение особенностей его ассимиляции в новых, быстро меняющихся экологических условиях. Потенциальная угроза крупномасштабных климатических изменений стимулирует поиск путей управления процессом фотохимической конверсии и разработку способов повышения её эффективности. Недавно обнаруженное увеличение амплитуд сезонных флуктуаций диоксида углерода в Северном полушарии, обусловленных интенсификацией продуктивности культурных растений, подсказывает возможные пути стабилизации его концентрации [1]. Это подтверждает принципиальную важность продолжительных мониторинговых наблюдений состава атмосферы и физиологического состояния живых, растительных стабилизаторов её газового состава.

В работе представлены результаты мониторинга фотосинтетической активности бореальных лесообразующих видов и некоторых культурных листопадных кустарников в Кольской Субарктике с августа по октябрь 2014 г. В указанный период осуществлялась ежедневная оптическая регистрация основных флуоресцентных параметров хлорофилла ассимиляционных органов индикаторных образцов листопадных культурных и дикорастущих древесных пород, произрастающих в лесопарковой зоне южного предгорья Хибинского горного массива. На основе измерений проведена сравнительная оценка эффективности фотосинтеза, надежности фотозащитных систем и фотосинтетического аппарата (ФСА) при акклимации объектов наблюдения к изменениям световых условий среды и осенним похолоданиям. Хлорофилл - основной хромофор ФСА, участвующий в улавливании фотонов, а также в регуляции перераспределения энергии возбуждения реакционных центров между фотохимической конверсией, формированием редокс-потенциала и протонного градиента на мембранах тилакоидов. Хотя хлорофилл выполняет эти задачи с высокой эффективностью, малая доля поглощенных фотонов высвечивается в виде красной флуоресценции. Флуоресценция зависит от метаболической активности, физиологического состояния растения

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

85

П.А. Кашулин, Н.В. Калачёва

и позволяет контролировать его светозависимую энергетику в полевых условиях, путем измерения флуоресценции интактных листовых пластинок [2], хвои [3] или коры однолетних побегов [4].

Возможности фотосинтеза бореальных растений ограничены трендами сезонных температур, зависят от уровня фотосинтетически активной радиации (ФАР) и коротковолновых компонент спектра, включая ультрафиолет [5]. В свою очередь, восприимчивость и реакции растения зависят от его наследственности, способности к адаптации и акклимации, физиологического состояния и возраста. Поэтому параллельно измеряли локальную ФАР и УФ-радиацию в непосредственной близости от листовых пластинок.

Материалы и методы исследования

В качестве объектов были использованы образцы индикаторных древесных пород разного возраста, представляющих аборигенные листопадные виды: ива Salix caprea L., осина Populus tremula L., берёза Betula pendula Roth - и окультуренные кустарники, интродуцированные на Кольский Север: жимолость съедобная Lonicera edulis Turcz. Ex Freyn., жимолость татарская L. tatarica L., сирень венгерская Syringa josikaea Jacq. fil.

Физиологическую активность ФСА листовых пластинок определяли in situ, измеряя их собственную или искусственно активированную светодиодами импульсно-модулированную флуоресценцию. Анализировали её долю, контролируемую фотосистемой II (ФС II):

Y(II) =

FL

F'_ ’

где Fv= Fm — F0 - переменная, F0 - минимальная и Fm - максимальная флуоресценция

хлорофилла в условиях активирующего освещения, то есть амплитуда максимального флуоресцентного выхода предварительно освещенного образца. Параметр Y(II) отражает долю энергии возбужденных реакционных центров, израсходованную на фотохимическую конверсию, которая близка к среднему квантовому выходу фотосинтеза и зависит от световых условий среды, поэтому используют также параметр Fv/Fm, измеряемый после темновой адаптации растения [6, 7]. Для расчета Fv и Fm использовали результаты вечерних измерений, на их основе находили NPQ - долю поглощенной световой энергии, утилизируемую в регулируемых, нефотохимических путях по формуле [8]

F — F'

NPQ _ m | m .

Измерения проводили в полевых условиях с помощью портативного флуориметра PAM-2100, «WALZ, Effetrich», Германия. В качестве источника активирующего света использовали светодиод, излучающий импульсы красного света с длиной волны 655 нм, интенсивностью около 3000 мкЕ/м2 с-1 длительностью 800 мс, подаваемый при включенном активирующем свете 250 мкЕ/м2с-1. Интенсивность измеряющего импульсного света частотой 0.6 или 20 кГц не превышала 5 мкЕ/м2с-1. Неинвазивность метода и пассивный характер сбора данных обеспечивали непрерывное получение информации о текущем состоянии ФСА одних и тех же листовых пластинок на протяжении наблюдений, вплоть до их опадения. Параллельно измеряли интенсивности ФАР и УФ-радиации, температуру с помощью полевого анализатора ТКА-ПКМ в непосредственной близости к листовой пластинке. Измерения проводили ежесуточно или с более высокой частотой сбора данных. Для измерения суточного ритма флуоресцентных характеристик использовали деревья и листья с затененной кроной, в этих же условиях проводили измерение ФАР и УФ-радиации. У открытых для солнечной экспозиции растений измерения проводили в вечерние часы.

86

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Суточные ритмы фотосинтеза и холодоустойчивость растений

Результаты и обсуждение

В результате измерений выявлена многодневная динамика изменений фотосинтетической активности разных видов в августе - октябре 2014 г. Различия между видами заключались в абсолютных значениях 7(П), в специфике убывания параметра при осенних похолоданиях, особенностях реакции растений на внешние условия и в сроках жизнеспособности листьев. На рис. 1 показаны временные ряды изменений флуоресценции листьев берёзы и ивы в августе и сентябре вплоть до опадения индикаторных листьев берёзы 14-17 сентября. У ивы на тот момент не наблюдалось признаков снижения общего тренда фотосинтетической активности, который сохранялся вплоть до второй недели октября. У березы зафиксированы более высокие значения в начале августа, но в целом она оказалась менее устойчивой, пониженная толерантность к резким снижениям температуры, флуктуациям ФАР и УФ-радиации привели к быстрому угасанию её фотосинтеза в начале сентября.

Удвоенное число дней с 4 августа по 17 сентября

Рис. 1. Динамика флуоресценции хлорофилла для 3 разных листьев берёзы (слева) и ивы (справа), с номерами 1, 2, 3 соответственно в период с 4 августа по 17 сентября 2014 г. Показаны чередующиеся полуденные и вечерние ежедневные измерения

В результате ежесуточных дневных/вечерних измерений выявлена суточная цикличность 7(II), а значит, и квантового выхода фотосинтеза и доли, поглощаемой листом световой энергии, используемой для фотохимической конверсии. Чем больше 7(П), тем выше эффективность фиксации СО2 и образования высокомолекулярных ассимилянтов в сопряженных биохимических циклах. В южных и умеренных широтах в полдень обычна полуденная депрессия фотосинтеза, зависящая от световой толерантности вида растения, в вечерние часы фотосинтез усиливается. Подобную периодичность наблюдали применительно к квантовому выходу флуоресценции ФС II субарктических видов. На рис. 2 и 3 показана многодневная динамика берёзы и ивы в августе при более высоком временном разрешении. Для листьев ивы и берёзы характерна цикличность суточного ритма фотохимической конверсии, вечерние значения 7(II), как правило, превышали полуденные. Цикличность оказалась устойчивой к температурным изменениям, но робастность её циклов менялась у разных видов и зависела от возраста дерева. Для количественной оценки робастности использовали высоту первых пиков разложения временного ряда значений Y (II) в ряд Фурье. Для молодых деревьев берёзы и ивы самые высокие пики для записи этого параметра с 4 августа по 10 сентября находились на частотах 0.5 сутки-1 и составили 41 и 42.3 тыс. циклов соответственно.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

87

П.А. Кашулин, Н.В. Калачёва

Таким образом, суточная цикличность ивы в целом оказалась более устойчивой к неблагоприятным факторам окружающей среды, чем у берёзы. Для обоих видов цикличность зависела от расположения листа в кроне. Более высокая стабильность ритма и длительность пребывания листа на дереве характерна для апикальной части ветви. По мере роста пластохрона листа возрастала хаотичность многодневной динамики Y(II), а время пребывания на дереве убывало. Это связано с изменением гормонального статуса листовых пластинок по мере удаления от апекса. Низкая толерантность к неблагоприятному воздействию листа № 3 наблюдаемой берёзы вызвала наиболее сильные флуктуирующие падения его флуоресценции, ускоренное старение и первоочередной отрыв от материнского дерева 14 сентября (рис. 1). В этот же период для всех наблюдаемых листьев ивы не обнаружены какие-либо признаки снижения общего уровня фотохимической конверсии, а воздействие среды вызвало её незначительные флуктуации.

Зафиксированные нарушения ритма были обусловлены комплексным стрессовым воздействием, включающим флуктуации ультрафиолета, которым предшествовали резкие перепады температур. Флуктуации УФ-радиации зарегистрированы нами 17-18 августа, мощность ее потока в затененных условиях древесной кроны в вечерние часы составляла 9800 мВт/м2 после внезапного и сильного похолодания в середине августа. Это вызвало сбой суточной цикличности фотосинтеза берёзы с 17 по 20 августа и одиночное изменение ритма ивы 19 числа (рис. 2, 3). Нарушения суточного ритма берёзы и ивы наблюдали также 29-31 августа и в сентябре (рис. 1-3).

Атмосферные события этих дней повлияли также на индексы флуоресценции хлорофилла старовозрастной берёзы и осины, но не снизили эффективность ФСА культурных интродуцированных кустарников. Жимолость татарская, жимолость съедобная, сирень венгерская оказались устойчивы к воздействию. Это обусловлено наследственно закрепленной адаптацией интродуцентов к более высокому уровню внешней УФ-радиации в условиях их естественного, более южного ареала.

Рис. 2. Суточная цикличность флуоресценции хлорофилла для 3 листьев растения берёзы с номерами 1, 2, 3 в период с 10 по 31 августа, 2014 г. Показаны дневные (D) и вечерние (I) ежедневные измерения

Эта закономерность подтверждена и при сравнении холодостойкости разных видов. Отличающиеся более высокой робастностью ритма ива и черёмуха сохраняли листовые

88

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Суточные ритмы фотосинтеза и холодоустойчивость растений

функционально активные листовые пластинки вплоть до второй недели октября и до 16 октября соответственно, а наблюдаемое дерево берёзы утратило всю листву 18 сентября.

810

790

770 о о

о 750 — 730

690

670

Рис. 3. Суточная цикличность флуоресценции хлорофилла для 3 листьев ивы с номерами 1, 2, 3 в период с 10 по 31 августа 2014 г. Показаны дневные (D) и вечерние (I) ежедневные измерения

Культурные формы декоративных кустарников обнаружили высокую устойчивость к УФ-радиации, интенсивные флуктуации 18, 29-30 августа и 21-23 сентября не нарушили их циркадного ритма и не снижали тренда 7(II). Хлорофилл не показывал признаков деструкции до начала октября, его флуоресценция оставалась в рамках физиологической нормы, характерной для нормальных летних условий. Значительные, но обратимые снижения тренда наблюдали после ночных заморозков 10 и 13 октября (рис. 4).

Низкие температуры при ясном небе в эти дни резко активировали нефотохимические физиолого-биохимические пути ФСА растений, отражаемые динамикой NPQ. Увеличение NPQ свидетельствует о стимуляции тепловой диссипации энергии возбуждения в антенных комплексах [8]. Что может обеспечить локальное демпфирование негативных последствий низких температур. Кратковременные экстремальные воздействия на ФСА носили обратимый характер, последующие устойчивые похолодания с 15 октября привели к монотонному росту и снижению фотохимической конверсии вплоть до её остановки. Тем не менее, суточная ритмичность 7(П) жимолости съедобной, жимолости татарской и сирени венгерской сохранялась до последней декады октября, когда сильные ночные заморозки вызвали общее резкое падение его тренда.

Биологические ритмы - системная характеристика физиологической активности живых организмов, опосредующая их связь с окружающей средой. Важная особенность физиологобиохимических механизмов, контролирующих эндогенные околосуточные ритмы самых разных эктотермных организмов, - устойчивость к температуре. Большинство биохимических процессов чувствительны к температуре, так что их скорость меняется в 2-3 раза с изменением температуры на каждые 10о, то есть Qi0 = 2-3 [9]. В то же время, для циркадных ритмов разных видов растений Q10 меняется в пределах 0.8-1.4, а для растения Arabidopsis в 20-градусном интервале - в пределах 1.0-1.1 [10].

Результаты позволяют предполагать, что циркадианный ритм фотосинтеза обеспечивает не только оптимальные фотопериодические реакции на изменение светового дня, но и повышает общую устойчивость растения к неблагоприятным факторам среды. Физиолого-биохимические

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

89

П.А. Кашулин, Н.В. Калачёва

механизмы, обеспечивающие слабую температурную зависимость суточного ритма, функционально связаны с холодоустойчивости высших растений. Робастность ритма ФАС хлоропластов способствует удлинению срока физиологической активности листовых пластинок в осеннее время, следовательно, продлению времени активной ассимиляции диоксида углерода. Устойчивость к флуктуациям УФ-радиации связана также с адаптивной способностью накапливать вторичные метаболиты. Эти соединения выполняют экранирующую функцию, проявляют антиоксидантную активность и являются биологически активными соединениями [3]. Защитные метаболиты фенольной природы химически устойчивы и выполняют важную функцию долговременного депонирования связанного углерода в окружающей среде. Для растений, например ив, обладающих набором благоприятных для окружающей среды качеств, наряду с общепринятым термином «хозяйственно ценные» оправдано использование термина «экологически ценные».

Рис. 4. Флуоресценция хлорофилла листьев жимолости съедобной

90

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

Суточные ритмы фотосинтеза и холодоустойчивость растений

Выводы

Многодневная динамика фотосинтетической активности листопадных древесных пород и культурных кустарников на Кольском Севере при завершении сезона вегетации характеризуется суточной цикличностью, степень регулярности которой связана

с устойчивостью вида к неблагоприятным влияниям среды, холодостойкостью и продолжительностью функциональной активности листьев на дереве. Ассимиляционные органы ивы Salix caprea, окультуренные кустарники жимолости съедобной Lonicera edulis, жимолости татарской L. tatarica, сирени венгерской Syringa josikaea более толерантны к низким температурам, чем у берёзы Betula pendula. Повышению холодостойкости способствуют своевременный сброс энергии возбуждения антенных комплексов ФСА путем тепловой диссипации энергии и активация регулируемого нефотохимического канала её утилизации, обнаруженная нами при осенних заморозках у холодостойких кустарников. Можно предположить, что молекулярные процессы в ФСА, контролирующие устойчивость фотосинтеза, и своевременная активация NPQ функционально связаны с физиолого-биохимическими механизмами водителя суточного ритма, активность которого имеет слабую температурную зависимость.

ЛИТЕРАТУРА

I. Direct human influence on atmospheric CO2 seasonality from increased cropland productivity / J.M. Gray et al. // Nature. 2014. Vol. 515, No 7527. Р. 398-401. 2. Funct. Ecolol. Chlorophyll fluorescence as a probe of he photosynthetic competence of leaves in the field: A review of current instrumentation / H.R. Bolhar-Nordenkampf et al. 1989. Vol. 3. P. 497-514. 3. Кашулин П.А., Калачева Н.В. Возрастные изменения функций фотосинтетического аппарата сосны европейской // Вестник Кольского научного центра РАН. 2011. № 2 (5). С. 34-40. 4. Изучение физиологического состояния древесных растений по характеристикам флуоресценции в коре однолетних побегов деревьев / П.С. Венедиктов и др. // Экология. 2000. № 5. С. 338-342. 5. Фотохимические процессы в растениях на Севере и окружающая среда / П.А. Кашулин, Н.В. Калачева, Н.А. Артемкина, С.А. Черноус // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, вып. 1. С. 137-142. 6. Genty B., Briantais J-M., Raker N.R. The relationship between the quantum yield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence // Biochim. Biophys. Acta. 1989. Vol. 990. P. 87-92. 7. New flux parameters for the determination of QA redox state and excitation fluxes / D.M. Kramer,

J. Johnson, O. Kiirats, G.E. Edwards // Photosynthesis Res. 2004. Vol. 79. P. 209-218. 8. Klughammer Ch., Schreiber U. Complementary PS II quantum yields calculated from simple parameters measured by PAM fluorometry and the saturation pulse method // PAM Application Notes. 2008. Vol. 1. P. 27-35. 9. A clock-work green circadian programs in photosynthetic organisms / C.H. Johnson et al. // Biological Rhythms and Photoperiodism in Plants. Oxford: BIOS Scientific Publishers, 1998. P. 1-34. 10. Somers D.E. The physiology and molecular bases of the plant circadian clock // Plant Physiology. 1999. Vol. 121. P. 9-19.

Сведения об авторах

Кашулин Пётр Александрович - д.б.н., главный научный сотрудник Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН; e-mail: falconet1@yandex.ru Калачёва Наталия Васильевна - младший научный сотрудник Полярно-альпийского ботанического сада-института им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН; e-mail: natty1000@yandex.ru

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 1/2015

91