Теоретические подходы к оптимизации процесса развития рассады картофеля при разном уровне минерального питания и интенсивности света

и интенсивности света

Выяснение оптимальных световых режимов и их правильное сочетание с остальным комплексом внешних факторов, в частности минерального питания, является наиболее ответственной и трудной стороной при изучении потенциальной реализации продукционного потенциала растений.

Световые воздействия, в широком значении этого понятия, при условии нелимитированных других факторов, определяющих их нормальный рост, являются мощным фактором повышения продуктивности и ускорения развития растений. Искусственное освещение надо рассматривать не только как полный заменитель солнечного света, но одновременно и как фактор, определяющий то или иное физиологическое состояние растений.

Выращивание растений в искусственных условиях, и в первую очередь на электрическом освещении, сыграло исключительную, можно сказать без преувеличения, революционную роль как в изучении растительных организмов, так и в их использовании в различных хозяйственных целях.

Зеленые растения, являясь автотрофами, расходуют в качестве источника энергии углеводы и другие органические соединения, которые синтезируются в листьях благодаря использованию атмосферной двуокиси углерода, воды и лучистой энергии солнца, поглощаемой хлоропластами.

Образующиеся в процессе фотосинтеза сахара впоследствии перераспределяются в растении по двум путям: 1) выводятся из дальнейших метаболических превращений, депонируясь в виде крахмальных зерен в хлоропластах и лейкопластах; 2) перемещаются в растении в другие органы. Выведение синтезируемых в процессе ассимиляции СО, органических молекул в цитоплазму, как и обмен метаболитами и ионами между внутренним объемом хлоропласта и остальной частью клетки, осуществляется благодаря мембранным структурам хлоропласта.

Особенности физиологии «световых» и «теневых» хлоропластов характеризуются следующим образом [201]:

Тип хлоропласта, сформированный на солнечном свету’ Малое количество тилакоидов

Теневой тип хлоропласта

Большое количество тилакоидов на среде

Широкие пакеты гран

Малые межтилакоидные пространства

Отсутствие крахмала

Мало пластоглобул, высокое содержание хлорофилла в расчете на хлоропласт

Узкие пакеты гран

Большие межтилакоидные пространства

Большие крахмальные гранулы

Много пластоглобул, низкое содержание хлорофилла в расчете на хлоропласт

Зеленые пигменты очень лабильные структуры, и за 2-5 дней может произойти перестройка аппарата хлоропластов при их переносе со света одной интенсивности на другую, демонстрируя онтогенетическую адаптацию фотосинтетического аппарата на свету высокой и низкой интенсивности.

Основная масса ассимилируемого хлоропластами СО, используется в фотосинтезе на образование триозофосфатов и фосфорилированных сахаров, олиго- и полисахаридов. Уровень содержания сахаров и крахмала в хлоропластах постоянно колеблется за счет одновременного их синтеза и распада. Содержание углеводов в хлоропластах при усиленном отложении в них крахмала составляет 70-80% от усвоенной СО, [201]. Хлоропласты при фотосинтезе, потребляя СО,, высвобождают кислород, причем его потребление больше, чем выделение СО, при дыхании (митохондриальное и фотодыхание). Определение чистого поглощения СО, листьями (или нетто-фотосинтеза) осуществляют по формуле

Ф =Ф-Д , н гхв7

где Фн - нстто-фотосинтсз; Ф - фотосинтез; Дс - дыхание на свету [201].

Двуокись углевода, поступая в систему межклетников через устьица, переходит в клеточных стенках из газообразного состояния в жидкую фазу, причем процесс растворения сильно лимитирует процесс поглощения. Решающими препятствиями для свободного поступления СО, в лист явля ются устьичное сопротивление диффузии, которое при закрытых устьицах возрастает до бесконечности (в частности, при 20 Вт/м2 ~ 0,03 кал/мин см2), а также скорость переработки СО, путем карбоксилирования. При фотосинтезе наибольшее парциальное давление СО, находится снаружи от прилегающего к листу воздушного слоя, толщина которого зависит как от величины и расположения листьев, их опушенности, так и от интенсивности движения воздуха. Чем толще пограничный слой, тем скорость проникновения СО, в лист выше скорости его поступления в пограничный слой извне, что обедняет воздушную оболочку углекислым газом. Объем газообмена через устьица зависит от суммы площадей устьичных щелей в расчете на соответствующую листовую поверхность. Так, у большинства злаковых и травянистых растений густота расположения устьиц составляет 50-200 единиц при числе пор на 1 мм2 листовой поверхности, составляющей 30-300 единиц, причем относительная их площадь занимает 0,5-1,5% от поверхности листа [514]. На степень открывания устьиц влияют обеспечение растений водой, содержание углекислоты в пространственном объеме, температура воздуха, интенсивность светового потока, токсические выделения листовых паразитов (например, фитотоксин гриба Helminthosporium maydis), фунгициды, ингибирующие транспирацию.

По мнению С. С. Медведева [222], содержание углекислого газа в атмосфере более точно определять не концентрацией, а парциальным давлением газа, которое вычисляется умножением молярного содержания газа на общее атмосферное давление.

Существенным фактором, влияющим на интенсивность фотосинтеза, дыхания и продуктивность растений, является содержание СО, в воздушном объеме, прилегающем на уровне посева.

При изучении ритмики фотосинтеза посевов различных культур в контролируемых условиях выращивания установлен колебательный характер фотосинтеза с двумя максимумами, который либо по мере старения растений, либо при ухудшении условий выращивания, изменения режима азотного питания и снижения фотосинтеза затухает [247, 536]. Экспериментально установлено, что для активирования фотосинтеза посева в фитотронах необходимо поддерживать углекислотный режим в интервале 0,15-1% СО,. Насыщение кривой фотосинтеза растений наблюдается при 1-2,5% СО, в зависимости от видовых особенностей растений и условий их выращивания. При увеличении облученности (50-300 Вт/м2) возрастают не только насыщающие концентрации СО, от 0,10-0,15 до 0,20-0,25%, но и активизируется фотосинтез: при 50 Вт/м2 вдвое, при 150 Вт/м2 - в 3 раза. В ночное время концентрация СО, повышается вследствие дыхания растений и вновь снижается до 0,01% в дневное время суток, поглощаясь растениями. Такое снижение СО, без дополнительного его поступления извне уменьшает фотосинтез и накопление сухого вещества. Особенно ярко этот характер метаболизма проявляется при уменьшении влажности и недостатке азотного питания.

Дефицит влаги приводит к закрытию устьиц и, несмотря на достаточное содержание СО, в воздушном объеме закрытого грунта, поступление углекислого газа в лист прекращается [488].

По мнению Н. Н. Булгаковой и Н. Т. Ниловской [47] стимулирующий эффект СО, в посевах опытных растений определяется структурными особенностями посевов, развитием ассимиляционной поверхности и радиационными режимами внутри посевов. В темновой период увеличение содержания СО, на 0,05% снижает интенсивность дыхания посевов на 12-34%. Дальнейшее повышение концентрации углекислого газа ингибирует интенсивность дыхания на 52-74% и снижает урожай. Повышения нетто-фотосинтеза (на 58,2%) можно достигнуть путем снижения концентрации кислорода до 15% при постоянной концентрации СО, и одновременном снижении интенсивности темнового дыхания. Небольшое повышение концентрации О, в газовой среде снижает поглощение углекислоты посевами в сутки за счет ослабления интенсивности видимого фотосинтеза и стимулирования темнового дыхания растений. Однако с повышением интенсивности светового потока растения в меньшей мере чувствительны к повышенному содержанию кислорода [47].

С повышением температуры поглощение и восстановление двуокиси углерода ускоряются. При большой жаре наблюдается инактивация ферментов, нарушается согласованность биохимических реакций, повышается темновое дыхание, что приводит к прекращению фотосинтеза. В результате повышенного дыхания высвобождаются большие количества СО,, парализуется газообмен. Это состояние растения сохраняется и в последующий период [123, 303].

На интенсивность углеродного обмена влияют и минеральные вещества почвенного субстрата, которые входят в состав ферментов и пигментов либо участвуют в процессе фотосинтеза в качестве активаторов, либо являются непосредственными проводниками ионов из корней в листья и обратно. Минеральное питание сказывается на газообмене, влияя на реакции устьиц, продолжительность жизни, размеры листовых пластинок и адаптацию к засухе [450].

В главе 5 были показаны оптимальные соотношения минеральных макроэлементов (катионов и анионов) для оптимизации морфообразователыюго процесса, т. е. развитие максимального количества междоузлий, необходимых для увеличения вегетативного коэффициента размножения при микроклонировании растений картофеля.

Как показали компьютерные расчеты, соотношения доли катионов ХК: XCaiXMg = 0,3279:0,4367:0,2354 представляются оптимальными для создания условий к образованию максимального количества междоузлий. Пример результатов программного компьютерного расчета оптимального соотношения катионов для получения максимального количества междоузлий на главном побеге (шт.) при концентрации катионов 20 мг-экв/л (варианты 1.2-8.2, табл. 5.5) представлен на рис. 8.8.

Yn»x=Exp ( Log (p(4))*p(l) "Log (XoptK) ? p (2 ) "Log (XoptCa)*p(3) »«Log (XoptMg )) f(l)« 0.140 p(Z)- 0.186 p(3)= 0.100 p(4) = 27.35

XMg** XoptK = p(l)/(p(l)*p(2)*p(3))

XoptCa = p(2)/(p(l)*p(2)*p(3))

XoptMg = p(3)/(p(l )«p(Z)«p(3))

XoptK ? XoptCa ? XoptMg - 1

Ymax =

XoptK =

XoptCa =

XoptMg «

  • 17.344
  • 0.3279
  • 0.4367
  • 0.Z354

Рис. 8.8. Расчет оптимального соотношения катионов для получения максимального количества междоузлий на главном побеге (шт.) У = 17,34 ± 1,06 при концентрации катионов 20 мг-экв/л (варианты 1.2-8.2, табл. 5.3). Количество междоузлий, измеренное в растворе Лебедевой [206] (9К) и MS [565] (варианты 9(К) и 10(К), табл. 5.8), равно 14,0 и 13,0 шт. соответственно

[XK]•CXCa]•[XMg]=20(30) mg cq/L X( i) = IX(i )l/((XK]*(XCa)*[>T1g])

XoptCa=0.4367

XoptK=9.3279

Расчет оптимального анионного соотношения с помощью компьютерного моделирования позволил выявить меньшую зависимость числа междоузлий от соотношения анионов. Многие экспериментальные точки показывали идентичные количества междоузлий на главном побеге (шт.) при различных соотношениях (глава 5, табл. 5.6).

На рис. 8.9 представлен расчет оптимального соотношения анионов для получения максимального количества междоузлий при концентрации анионов 20 мг-экв/л (глава 5, варианты 1.2-8.2, табл. 5.6).

Таким образом, для максимального развития числа метамеров, а значит, и максимального количества междоузлий оптимальное соотношение анионов при общем их содержании 20 мг-экв/л в составе корнеобитаемой среды составило: XNO3:XH,PO4:XSO4 = 0,37:0,33:0,30.

Особенности светового режима при выращивании рассады картофеля из оздоровленных пробирочных растений заключаются в том, чтобы вызвать максимальный рост осевых органов и направить использование ассимилятов на образование вегетативных - увеличение числа междоузлий и листьев.

Важным аспектом изучения фотосинтеза является биосинтез вторичных веществ, как правило, возникающих из органических кислот и аминокислот, подвергающихся флоемиому транспорту. Ксилемный транспорт из почвы ионов на далекие расстояния (К, Са, Mg) позволяет регулировать целый ряд физиолого-биохимических процессов в растении, включая прежде всеANION Y >= В5.0 V. Умах

Ymax ExpCLogCp(4)) *р( 1 )“I.og(XoptN03) *p(2)«log(XoptH2P04) >p(3)«Log(XoptS04)) pCU= 0.162 р(2) = 0.146 p(3J= 0.131 p<4>= 27.40

XoptH2P04 = p(2)z(p(l)*p(2)*p(3))

Umax = 16.Э4Э

XoptN03 = 0.3701

XbptH2P04 = 0.3322

XoptStM = 0.2378

XN03-

XH2P04-

Рис. 8.9. Расчет оптимального соотношения анионов для получения максимального количества междоузлий на главном побеге (шт.) при концентрации анионов 20 мг-экв/л (варианты 1,2-8,2, табл. 2). Уих = 16,95 ± 1,21 при концентрации анионов 20 мг-экв/л (варианты 1,2-8,2, табл. 5.6). Количество междоузлий, измеренное в растворе Лебедевой [206] (9К) и MS [565] (варианты 9(A) и 10(A), табл. 5.6), равно 14,25 и 13,5 шт. соответственно

XoptHZPtM =0.3322

XoptS04 = p(3)z(p(l)»p(2)»p(3))

XoptN03

[ХЛОЗ1 * (XM2P041 HXS04 ]-20(30)mg-eqzL X(i) = IXi)Jz(IXN03J»IXHZP04J»1X304 J)

XoptN03=0.3701

го фотосинтез; гомеостаз хлоропластов (Mg2+, Са2+, К+); растяжение клеток (Н+); транспорт продуктов фотосинтеза и гормонов через тонопласт и плаз-малемму (Са2+, Н+); устьичные движения (К+, Н+); транспорт метаболитов по флоеме.

Правильного функционирования этих систем можно достичь при оптимальных интенсивностях света, когда поток ассимилятов, образующийся в результате работы фотосинтетического аппарата, уравновешивается скоростями донорно-акцепторных взаимодействий, поскольку высокие интенсивности света вызывают резкое торможение роста осевых органов, включая специфические ингибиторные механизмы, проявление которых на слабых интенсивностях не наблюдается. В результате проведенных нами экспериментов было показано, что интенсивный рост вегетативных органов происходит при интенсивности света в диапазоне 15-30 Вт/м2, который является оптимальным для развития рассады картофеля, хотя и не достигает насыщающей интенсивности ФАР - максимальной интенсивности света, при которой происходит выход фотосинтеза на плато светового насыщения [68, 97, 303, 314]. При низкой интенсивности света число хлоропластов в клетке невелико, но они имеют большее количество молекул хлорофилла. При высокой интенсивности освещения формируется лист, содержащий больше хлоропластов на единицу площади листа, но их объем уменьшается, так же как и содержание хлорофилла [455].

300

Важной характеристикой фотохимического процесса, происходящего в хлоропластах растений, является спектр действия фотосинтеза, который основывается на избирательной способности молекул поглощать световую энергию определенных длин волн.

Свет с длиной волны, лежащей в красной области спектра, более эффективен, чем свет коротковолновой (синей) области, даже несмотря на то что относительная величина поглощения хлорофилла в коротковолновой области спектра выражена более значительно. Этот факт важен как для последующего анализа продуктивности процесса фотосинтеза, так и для более отчетливого понимания возможной области использования спектров действия при выращивании растений в условиях искусственного света.

Под действием облучения различными длинами волн от искусственных источников света биологические процессы протекают с различной результативностью. Особое значение мощность светового потока и длина волны имеют для вегетации растений картофеля при искусственном освещении на более поздних стадиях онтогенеза, когда необходима активация аттрагирующей способности и образования столонов и клубней.

Влияние различных источников света на интенсивность фотосинтетических реакций и накопление биомассы регенерантами и вегетирующими растениями изучено нами в условиях 4 последовательных вегетаций на биотехническом комплексе ВТК, устройство которого описано в [274], установленном в закрытом помещении при поддержании температурных условий (днем 23-25 °C, ночью 18-20 °C). Фотопериод - 16 ч в начале вегетации обязателен для всех источников света. Влажность воздуха - 40-50%, субстрата - 60-80%.

Для оптимизации режимов освещения регенерантов сортов картофеля из мировой селекции был изучен ряд параметров, характеризующих световой режим: спектральный состав искусственных источников облучения, интенсивность светового потока, активность фотосинтеза и фотопериод.

Выбор наиболее экономичных и адекватных активному фотосинтезу растений источников освещения требовал изучения динамики роста и развития рассады, образование мини-клубней при проведении полной вегетации растений в условиях закрытых помещений при искусственном освещении лампами. Были проведены эксперименты с наиболее часто используемыми источниками света с различным спектральным составом в промышленных масштабах:

ДнаЗ-400 - натриевые лампы высокого давления с зеркальными отражателями и ДиаТ-400 без отражателей, излучающие в желто-оранжевой области спектра (560-610 нм) с максимумом излучения 594-600 нм. Имеют высокий к. п. д. по ФАР - 28-30%;

ДРЛФ-400 - традиционно используют в зимних теплицах, дуговые ртутно-люминесцентные фитолампы с линейчатым спектром и большими интервалами между линиями. Максимум излучения приходится на зеленую (550 нм) и синюю (436 им) области спектра. В спектре данных ламп полностью отсутствует компонента красного излучения. Лампы имеют низкий к. п. д. по ФАР — всего 12%;

люминесцентные лампы ЛБ-80 дугового разряда. Имеют широкий спектр действия с максимумами в синей, зеленой и красной областях спектра. Используются для массового выращивания растений в контролируемых условиях фитотрона;

совместное облучение ДРЛФ-400 и ДнаЗ-400 с двумя интенсивностями;

совместное действие люминесцентных ламп ЛБ-80 либо с ДРЛФ-400, либо с ДнаЗ-400 с переменными интенсивностями.

В нашей работе не использовались светодиодные лампы, в настоящее время применяемые в некоторых случаях для уличного освещения и для досветки растений наряду с применением основных искусственных источников света. Неширокое распространение светодиодных ламп связано с их высокой ценой для массового использования в сооружениях защищенного грунта и с невысокой мощностью светового потока. При применении только светодиодов в защищенном грунте не удается получить клубни картофеля, требующие как интенсивная пропашная культура больших энергетических затрат на ее выращивание. В современных теплицах многих стран Европы (Бельгия, Польша, Голландия) светодиоды не нашли широкого применения и используются в научных целях для выяснения механизмов их действия на фотосинтетический процесс с применением дополнительных световых режимов [389].

Характеристика источника света непосредственно связана с ее воздействием на активность фотосинтетического процесса. Уровень биосинтеза основного пигмента фотосинтеза в растении - молекул Хл и его оценка представляют собой важную характеристику фотосинтетического процесса.

В 1970-е годы А. А. Шлыком и его школой была обоснована гипотеза о существовании в растениях полиферментных комплексов, катализирующих все стадии процесса образования Хл, начиная от аминолевулиновой кислоты (АЛК) и завершая биосинтезом молекул Хл [411]. Несмотря на то что авторам не удалось выделить такие комплексы, как физические единицы, в современной литературе имеются сведения об объединении ряда ферментов в функционально активные комплексы. Продемонстрировано присутствие комплекса из водорастворимых белков, осуществляющих биосинтез АЛК: глутамил-тРНК синтетаза - глутамил-тРНК редуктаза и глутамил-1-семиальдегид аминотрансфераза. Хотя к настоящему времени еще не до конца изучены структурная организация ферментной системы биосинтеза Хл, а также остаются непонятными молекулярные механизмы, обеспечивающие образование необходимого количества фотосинтетических комплексов без накопления избыточного количества Хл, основные реакции хлорофиллопоэза хорошо изучены. В частности, установлено, что синтез фотосинтетических пигментов включает последовательность реакций, преобразующих восемь молекул глутаминовой кислоты в циклическую молекулу тетрапиролла. Выделено и охарактеризовано большинство ферментов, катализирующих эти реакции; обнаружен ряд структурных и регуляторных 302

белков, участвующих в биосинтезе тетрапироллов; установлены гены, кодирующие ферменты цепи биосинтеза Хл и Хл-связывающие белки, и получена значительная информация о характере их экспрессии [96].

Согласно современным представлениям, роль хлорофилла в процессе фотосинтеза заключается в том, что он делает фотохимическую систему чувствительной к малым квантам красного света. В процессе зеленения этиолированных проростков ячменя В. П. Доманским (2004) установлено существование 2 стадий в процессе образования хлорофилла [471]. Хлорофилл как сенсибилизатор фотопроцесса участвует в двух первичных этапах фотосинтеза. Первый этап - физический, заключающийся в фотовозбуждении молекулы и переносе энергии возбуждения от одной молекулы к другой по направлению к реакционному центру, где и происходит разделение зарядов в окислительно-восстановительной реакции.

Второй первичный этап при фотосинтезе, в котором участвует хлорофилл, -химический. В его основе лежит обратимая окислительно-восстановительная реакция пигмента в реакционном центре. Элементарной стадией фотохимического процесса является перенос электрона от фотовозбужденной молекулы хлорофилла (донор электрона) к первичному акцептору электрона.

Еще в 1948 г. А. А. Красновским сделано важнейшее открытие - известная «реакция Красновского» - обратимое фотовосстановление хлорофилла аскорбиновой кислотой [цит. по: 222]. Посредством изучения электрохимического потенциала обнаружена и исследована фотоокислительная реакция пигмента. Эти результаты были решающими для установления первичных этапов природного фотосинтеза, развивая затем исследования окислительно-восстановительных реакций хлорофилла с использованием метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) [222].

Уже в первых работах был обнаружен фотоиндуцированный сигнал ЭПР в кристаллическом хлорофилле в присутствии электронного акцептора - бензохинона. При освещении агрегатов хлорофилла красным светом происходило образование свободных радикалов, обусловленное фотопереносом электронов в комплексах хлорофилл-вода-электронный акцептор. Этот фотопроцесс можно рассматривать как модель первичного химического этапа фотосинтеза. Важной характеристикой фотохимического процесса является спектр действия фотосинтеза, который основывается на избирательной способности молекул поглощать световую энергию определенных длин волн. Максимум и минимум в спектре действия точно соответствуют минимуму и максимуму спектра поглощения хлорофиллов, являющихся первичными фоторецепторами, т. е. акцепторами световой энергии в процессе фотосинтеза.

Как видно из сравнения рис. 8.10 и 8.11, относительные высоты максимумов на спектре поглощения хлорофиллов а и b и спектре действия соответствуют друг другу, однако относительные высоты этих максимумов противоположны. Это различие спектров действия и спектров поглощения обусловлено тем, что свет разных длин волн с неодинаковой эффективностью используется растением.

Различия в спектрах поглощения листьев картофеля различных форм хлорофиллов, экстрагированных эфиром

Рис. 8.10. Различия в спектрах поглощения листьев картофеля различных форм хлорофиллов, экстрагированных эфиром: I - хлорофилл а; II - хлорофилл h

Спектр действия фотосинтеза кар тофеля

Рис. 8.11. Спектр действия фотосинтеза кар тофеля

Влияние различных источников света на интенсивность фотосинтетических реакций и накопление биомассы регенерантами и вегетирующими растениями изучено нами в условиях отдельных вегетаций.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >