WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |

Проведенные исследования отражают реакцию растений, адаптивных перестроек фотосинтетического аппарата при длительном действии повышенной [CO2] на растения в течение всего фотопериода и времени вегетации, а также, при различных уровнях интенсивности света, температуры. Вместе с тем, в контролируемых и естественных условиях произрастания растения находятся в режиме постоянного изменения [CO2], интенсивности света, температурного режима. Соответственно этому и приспособление к меняющимся условиям среды идет в динамическом режиме, обусловленнoм естественным или задаваемым периодом изменения факторов среды. Поэтому наше внимание было направлено на изучение функциональных и структурных перестроек фотосинтетического аппарата, активность отдельных физиологических процессов и на целое растение в условиях периодического изменения факторов внешней среды, прежде всего [CO2].

ГЛАВА 4. АКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ИЗМЕНЕНИИ ФАКТОРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ

Выяснение механизма действия углекислоты при периодическом ее повышении представляется важным как в плане изучения адаптационных изменений фотосинтеза растений, так и для выяснения возможностей направленной регуляции продукционного процесса в регулируемых условиях выращивания. Поэтому, нами была разработана методология и проведена серия экспериментов по изучению активности фотосинтетического аппарата и ряда метаболических процессов у растений огурца на фоне периодических (часовых) повышений [CO2] и изменений уровней других факторов среды – интенсивности света или температуры.

4.1. Активность фотосинтетического аппарата при кратковременном периодическом повышении концентрации СО2 в атмосфере

Периодическое повышение [CO2] в рабочем объеме вегетационной камеры осуществляли через 3 часа (с 11 до 14 и с 17 до 20 часов) в дневное время и в течение всего периода выращивания растений. Повышение [CO2] в камере приводило к увеличению скорости фотосинтеза в начале и в конце периодов (рис. 5).

Рис. 5. Углекислотные кривые СО2 газообмена, транспирации и устъичного сопротивления листьев огурцов. Растения выращивали при 105 Вт м-2, температуре 25/20оС день/ночь. Концентрацию СО2 в воздухе повышали до 0,1% с 11 до 14 и с 17 до 20 часов

При этом в начале периода фотосинтез был выше, чем в контроле во всем диапазоне углекислотной кривой. В конце периода с повышенной [CO2] фотосинтез был выше только при высокой [CO2]. Наблюдаемые изменения скорости поглощения СО2 могли быть связаны с

изменениями сопротивления устьиц и мезофилла и активностью световых и темновых реакций фотосинтеза. Прямые измерения подтвердили это предположение. В частности, сопротивление устьиц в утренние часы было значительно ниже, чем днем и, соответственно, проводимость устьиц была выше. Высокое сопротивление устьиц в конце первого периода с повышенной [CO2], уменьшалось уже через 30 минут при естественной [CO2] и оставалась низким течение всего периода. Изменение проводимости устьиц происходило, таким образом, быстро, уже через 30 минут после уменьшения [CO2], что свидетельствует о важной роли работы устъичного аппарата в условиях периодического изменения уровня [CO2] и является одним из определяющих звеньев скорости фотосинтеза растений. Другим звеном регуляции фотосинтетической активности могла быть скорость световых и темновых реакций фотосинтетического аппарата. Действительно, повышение [CO2] в течение 2,5 часов приводит к увеличению максимальной скорости поглощения СО2 на 33,7%, а реакции карбоксилирования на 71,2% (табл. 5). В этих условиях происходит, также, увеличение эффективности карбоксилирования, скорости использования триозофосфатов в цикле Бенсона-Кальвина и скорости электронного транспорта в хлоропластах. В начале периода с повышенной [CO2], максимальная скорость фотосинтеза и реакции карбоксилирования оставались на уровне контроля. Резко снижалась эффективность карбоксилирования и увеличивалась скорость утилизации триозофосфатов.

Таблица 5. Параметры аппроксимации углекислотных кривых СО2 газообмена листьев растений огурца при периодическом, трехчасовом, повышении [CO2]

Параметры

Период с [CO2]

0,03%

Период с [CO2]

0,1%


Время, часы

начало

14:30

конец

16:30

конец

13:30

начало

17:30

Максимальная скорость погло-щения СО2, мкмоль СО2 м-2с-1

18,7±3,31

23,7±6,46

24,96±7,22

26,87±2,34


Эффективность карбоксили-рования, мкмоль СО2 м-2с-1Пa-1

0,80± 0,07

2,08± 0,59

1,92± 0,28

0,34± 0,06


Максимальная скорость карбок-силирования, мкмоль м-2с-1

28,5± 6,6

20,8 ±1,8

48,8± 0,4

22,7±1,3


Скорость электронного транспорта при световом насыщении, мкмоль м-2с-1

54,7± 8,08

64,1±3,75

75,1±0,5

64,63±4,71


Скорость утилизации триозофосфатов, мкмоль м-2с-1

3,69

4,08

4,65

10,87


Скорость темнового выделения СО2 мкмоль СО2 м-2с-1

2,39± 0,15

1,62 ±0,71

4,89± 0,13

1,62± 0,79


Приведенные результаты анализа углекислотных кривых отражают потенциальные возможности работы отдельных звеньев фотосинтетического аппарата в начале или конце периодов с естественной или повышенной [CO2]. В условиях периодического повышения [CO2] приспособление фотосинтетического аппарата к изменяющимся условиям происходит в динамическом режиме. В этом случае, для выявления лимитирующих звеньев фотосинтетического аппарата, необходимо было оценить работу отдельных звеньев реакции карбоксилирования во всем диапазоне углекислотной кривой.

Нa рисунке 6 приведены углекислотные кривые фотосинтеза, аппроксимированные моделью Фаркьюхара, при условии, что реакция карбоксилирования лимитирована активностью РБФК/О (Wc), электронным транспортом и регенерацией РБФ (Wj), или доступностью неорганического фосфата и использованием триозофосфатов в пентозофосфатном восстановительном цикле (Wp).

Рис. 6. Скорость фотосинтеза при различных концентрациях [CO2] в межклетниках мезофилла и лимитировании процесса активностью РБФК/О (Wc) регенерацией РБФ (Wj) или доступностью неорганического фосфата (Wp). Кривые получены путем прямого измерения поглощения СО2 (символы) или аппроксимацией кривых по модели.

Анализ кривых показал, что при естественной [CO2] в атмосфере в начале светового периода (10:30), лимитирующим звеном реакции карбоксилирования являлась активность РБФК/О. Повышение [CO2] при построении углекислотных кривых приводило к увеличению концентрации СО2 в межклетниках листа, увеличению активности РБФК/О (Wc), скорости электронного транспорта и регенерации РБФ (Wj). В то же время мы наблюдали некоторое уменьшение доступности неорганического фосфата и снижение скорости использования триозофосфатов в цикле Бенсона-Кальвина. В результате, при высокой [CO2], это звено начинало лимитировать скорость фотосинтеза. Действие повышенной [CO2] на растения в течение 2,5 часов, меняло характер ответной реакции фотосинтетического аппарата в ответ на кратковременное повышение [CO2]. В конце периода с повышенной концентрацией углекислоты (13:30), активность РБФК/О уже не являлась лимитирующим фактором фотосинтеза растений и в диапазоне 20-60 Ра Сi лимитирующим звеном становилась скорость регенерации акцептора СО2 – РБФ (кривая Wj), т.е. скорость электронного транспорта в ЭТЦ хлоропластов. При удвоенной и выше концентрациях CO2 в межклетниках листьев, лимитирующими были доступность неорганического фосфата и использование триозофосфатов в пентозофосфатном восстановительном цикле. Снижение [CO2] в атмосфере до естественной (время измерения 14:30), приводило к уменьшению скорости фотосинтеза. Лимитирующими звеньями при низких, средних и высоких значениях концентрации СО2 в межклетниках листьев являлись, соответственно, активность РБФК/О, скорость электронного транспорта и регенерации РБФ, а также, доступность неорганического фосфата и использование триозофосфатов. Увеличение времени экспонирования растений при естественной концентрации углекислоты до 2,5 часов вызывало снижение активности РБФК/О и активность фермента становилась основным лимитирующим звеном скорости фото ассимиляции углекислоты. В начале второго периода с повышенной [CO2] (17:30), активность РБФК/О значительно не изменялась (кривая WC) и активность фермента продолжала оставаться лимитирующим звеном реакции карбоксилирования. Для этого периода можно отметить высокие скорости использования триозофосфатов доступности неорганического фосфора.

Таким образом, в зависимости от времени экпозиции растений при повышенной [CO2], а также, времени проведения исследований – начале, середине или конце дня, лимитирующими были разные участки работы фотосинтетического аппарата. Снижение положительного действия CO2 на растения, было обусловлено изменением активности РБФК/О, других звеньев реакции карбоксилирования и работы устьичного аппарата.

Для более полной характеристики работы фотосинтетического аппарата в широком диапазоне изменения интенсивности света и различных периодах с повышенной [CO2], а также для выяснения влияния факторов на содержание РБФК/О, нами были проведена работа по изучению активности РБФК/О на препаратах водорастворимого белкового экстракта.

4.2. Активность РБФК/О при периодическом повышении [CO2]

Исследованиями ряда авторов показано, что при длительном действии повышенной [CO2] на растения, как правило, наблюдается снижение активности РБФК/О, обусловленное уменьшением ее активности и содержания в листьях (Frydrych, 1976; Besford et al., 1990; Drake et al., 1997). При совместном действии нескольких факторов были отмечены и другие результаты (Sage et al., 1989; Jacob et al., 1995). В условиях периодического повышения [CO2] мы наблюдали сложную картину изменения активности РБФК/О. При интенсивности света 50 Вт м-2 увеличение содержания белка на грамм сырой биомассы, (3 и 12 часовые периоды с повышенной [CO2]), не сопровождалось увеличением активности РБФК/О в расчете на грамм биомассы (табл. 6). При 105 Вт м-2 имело место снижение активности и содержания белка только при длительном, 12 часовом периоде с повышенной [CO2]. Повышение [CO2] в течение 6 часов приводило к снижению активности фермента, но не сказывалось на его содержании. В условиях высокой интенсивности света (175 Вт м-2) наблюдалось значительное снижение активности РБФК/О, а также уменьшение содержания белка независимо от периода с повышенной [CO2]. При относительно небольших различиях в площади листовой поверхности и удельной плотности листьев это приводило к снижению активности РБФК/О при расчете на единицу листовой поверхности.

Таблица 6. Содержание белка и активность РБФК/О в листьях огурцов при различных уровнях интенсивности света и периодическом повышении [CO2]*

Вариант

Содержание белка

Активность РБФК/О

мг г сырой массы-1

%

мкмоль г

сырой массы-1

%

Интенсивность света –50 Вт м-2

1 часовой период

9,75

100

2,89

88,9

3 часовой период

11,25

125,4

2,94

90,5

6 часовой период

10,5

107,7

3,09

Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 8 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»