Оптимизация светового режима для получения рассады картофеля в условиях in vivo

Для оптимизации светового режима (спектральный состав, освещенность, фотопериод) при выращивании рассады картофеля, представляющей собой укорененные регенеранты в возрасте 18-28 сут, нами было изучено влияние каждого вида ламп, используемых в растениеводстве контролируемого грунта, и их сочетаний на активность фотосинтетических реакций листьев ранних сортов картофеля, характеризующих развитие ассимиляционного аппарата [347, 350].

В результате проведенной нами экспериментальной работы было выяснено, что все сорта ранней группы спелости имеют схожую картину скорости регенерации растения из апикальных черенков, полученных от пробирочных растений in vitro на ионообменном субстрате Триона вне зависимости от местонахождения на стебле материнского растения в условиях смешанного освещения, освещенность которого не превышает 16 Клк.

Как установлено нашими экспериментальными работами, регенеранты всех микроклонов особенно интенсивно росли при освещении их лампами

ДнаЗ-400 или при совместном облучении ДиаЗ-400 и ДРЛФ-400. Наибольшей эффективностью для ускоренного роста регенерантов всех возрастов обладала интенсивность света, не превышающая 30 Вт/м2 в области ФАР.

На рис. 8.12 представлена динамика роста регенерантов первого, второго и третьего микроклонов на ионообменном субстрате при последовательном черенковании и выращивании в одном и том же субстрате в одинаковых условиях при облучении лампами, отличающимися спектральным составом. Свет более высокой интенсивности (40 Вт/м2) от обоих облучателей обнаруживал ингибирующее действие на линейный рост регенерантов. Явление ингибирования роста начинало проявляться после 12-суточного возраста рассады во втором и третьем микроклонах, выращенных из укорененных регенерантов, взятых из различных участков стебля материнского растения (срединный и базальный).

В современной литературе процесс роста рассматривается как новообразование элементов структуры организма, и он неотделим от понятия развития, представляющего совокупность процессов, в результате которых происходит морфологические, физиологические и биохимические изменения в процессе онтогенеза [162]. Из литературных данных известно, что свет красной области и дальней красной оказывает решающую роль на процессы начального роста и морфогенеза. В работе А. С. Минин и сотр. (2006) [322] изучалось влияние красного люминесцентного излучения низкой интенсивности, генерируемого светокорректирующей полиэтиленовой пленкой, на морфогенез и гормональный баланс дикого типа и мутантов Arahidopsis thaliana (L)., имеющих нарушения в синтезе PHYB (ЬуЗ) и CR.Y1 (Ьу4). Авторами установлено, что у растений дикого типа и мутантов hy4 существенно ускорялись процессы роста и развития, а у мутантов hy3 они замедлялись под светокорректирующей пленкой, что было сопряжено с изменением уровня эндогенных гормонов - как стимуляторов, так и ингибиторов роста. Эти

Ростовая реакция регенерантов первого

Рис. 8.12. Ростовая реакция регенерантов первого (7), второго (2) и третьего (3) микроклонов на изменение спектрального состава света при вегетации в течение 26 сут факты позволили авторам сделать вывод о регуляторном действии красного излучения низкой интенсивности на состояние гормонального баланса растений. В свою очередь, изменения в соотношении гормонов, стимуляторов и ингибиторов роста приводили к различиям в скорости ростовых реакций и продуктивности растений.

В исследованиях Н. М. Гоман, Н. Г. Авериной (2007) [96] показано, что в естественных условиях произрастания растений возрастание доли дальнего красного света может приводить к снижению как скорости синтеза Хл, так и скорости формирования фотосинтетического аппарата через ингибирование ключевых реакций биосинтеза Хл, что оказывает влияние на формирование урожая.

В наших экспериментах по выяснению влияния света различного спектрального состава оценивалась активность фотосинтетических реакций по индукционным кривым флуоресценции, крутизна экспоненты которой характеризует скорость переноса электронов по транспортной цепи хлоропластов, которые регистрировали с помощью двухлучевого флуориметра с цилиндрическим фосфороскопом, состоящего из источника возбуждающего света (актиничный свет) - лампы накаливания, стеклянных светофильтров (спектральная область 400-500 нм с максимумом пропускания при 450 нм), теплового фильтра, камеры для объекта, спектрографа, приемника излучения, усилителя постоянного тока и самописца. Метод регистрации затухания переменной флуоресценции основан на принципе модуляции импульсного возбуждения (Pulse Amplitude Modulation) флуоресценции Хл. Перед измерением листья адаптировали к темноте в течение 15 мин. Анализ индукционных переходов переменной флуоресценции позволил рассчитать параметры, связанные с функционированием ФС2 [542]. Регистрировались фоновая флуоресценция (F6), максимальная флуоресценция (7*7), интенсивность флуоресценции через

3 мин после облучения светом (F2). Параметр Fm находился как разность (F1-F2). Конструкция установки, позволяющая регистрировать затухание переменной флуоресценции, аналогична установке, описанной М. II. Запромето-вым [125].

Относительно механизма флуоресценции хлорофилла считается, чтобы избежать повреждения РЦ светом, интенсивность которого превышает возможности электронного транспорта в хлоропласте, растения вынуждены частично диссипировать энергию поглощения квантов, что отражается на параметре медленной флуоресценции хлорофилла, который линейно связан с процессами теплорассеивания в ФС2 и является нефотохимическим тушением флуоресценции, отображающим процессы деактивации ФС2. Средние значения и их стандартные отклонения в наших экспериментах определяли из

4 биологических повторностей.

Регистрацию флуоресценции на одном варианте проводили в двух-трех повторностях. Анализировали полученные данные согласно методике, описанной Н. В. Карапетяном, Н. Г. Буховым [158].

Таблица 8.12. Фотосинтетическая активность хлоропластов листьев картофеля сорта Одиссей при разном минеральном питании

Варианты

Fm

Fo

Fm/Fo (среднее значение)

Хл а, мг/г сырой вес

Хл Ь, мг/г сырой вес

Каратиноиды, мг/г

Флавоноиды, % на сухое вещество

6

191

86

0,323 ±0,011

1,13

0,38

0,57

2,64

6.1

184

36

0,362 + 0,018

1,13

0,27

0,34

2,58

6.2

167,5

46

0,292 ±.0,022

1,0 8

0,39

0,59

3,08

5

184

35

0,277 ±0,041

1,02

0,28

0.37

1,41

5.1

202

56

0,389 ±.0,025

1.19

0,38

0,52

2,60

5.2

153

56

0,399 ± 0,028

1,25

0,37

0,61

2,70

8

186,5

80

0,413 + 0,021

1,41

0,21

0,29

1,65

8.1

206,5

70

0,333 + 0,022

1,10

0,34

0,34

2,95

8.2

183

32

0,352 + 0,041

1,12

0,37

0,49

0,79

9

256

115,5

0,42 + 0,0231

1,43

0,44

0,62

3,22

10

106

23

0,254 + 0,022

1,09

0,57

0,51

3,31

Примечание. Экспериментальные точки по оптимизации приведены в главе 5.

В табл. 8.12 представлены значения параметров затухания флуоресценции хлоропластов листьев картофеля в возрасте 18 сут, растущего на разном уровне минерального питания, отличающегося соотношением макроэлементов по катионам и анионам в оптимизационном эксперименте с инертным субстратом, показавшим лучшие значения по параметрам продуктивности (подпараграф 5.1.4).

В таблице представлены Fm - максимальный выход флуоресценции Хл при освещении листа насыщающим (3500 мкМолы м 2- с ') импульсом света после адаптации к темноте в течение 30 мин, за вычетом интенсивности флуоресценции через 3 мин после облучения; Fo - выход минимального (фонового) уровня флуоресценции, представляющий собой возбуждение, вызванное молекулами Хл а антенны, перед ее миграцией к реакционным центрам, который зависит от внешних факторов и отражает структурные изменения в пигментном фонде ФС2 [216].

Как видно из табл. 8.12, при увеличении уровня Fo, уменьшается отношение Fm/Fo, которое может быть сопряжено с уменьшением содержания Хл а, что следует из представленных в таблице данных. Считается, что из-за снижения пула фотосинтетических пигментов падает объем светособирающего комплекса, что, в свою очередь, приводит к возрастанию фоновой флуоресценции в листьях регенерантов. Из литературы известно, что практически любое отрицательное воздействие ведет к изменению начального уровня флуоресценции (Fo) [50]. Чрезмерное освещение, засуха и высокая температура, разнообразные химические вещества и многие другие факторы нарушают механизмы миграции энергии при «резонансном переходе» электрона светособирающего комплекса (ССК) и повышают значение Fo. При различном соотношении и общем количестве макроэлементов в субстрате значения переменной флуоресценции хлоропластов листьев картофеля также отличаются. Самая высокая активность фотосинтетических процессов, тестируемая по высокой скорости транспорта электронов, наблюдалась в наших экспериментах в вариантах 5, 6, 6-2, 8-1 и 10. Из подпараграфа 7.5.2, где проведена верификация уровня минерального питания с коэффициентом размножения, следует, что достичь максимального уровня размножения можно, оптимизируя минеральное питание, на котором растения будут обладать необходимым уровнем активации фотосинтетических процессов, образования органических соединений, способных обеспечить получение максимального значения целевой функции - коэффициента клубневого размножения.

Для оценки динамики фотосинтетической активности у исходных пробирочных растений и их регенерантов из апикальных черенков при последовательных черенкованиях от 1 до 4 раз проведено систематическое изучение фотохимической активности на примере сорта Скарб.

На рис. 8.13 представлена реакция Хилла, проведенная по восстановлению ферриционида калия (K3Fe(CN)6), рассчитанная на mg Хл в час. По скорости реакции Хилла можно судить об активности работы ФС2.

Как следует из представленного рисунка, регенеранты и первого, и четвертого черенкования апикальных микроклонов практически не различались по фотохимической активности хлоропластов. Несколько ниже были значения активности ФС2 у регенерантов второго и третьего черенкований. Полученные данные могут характеризовать существование некоторой динамики фотосинтетической активности в диапазоне выявленных значений.

При нелимитированном минеральном питании и оптимальном световом режиме решающую роль в фотосинтетической активности растения начинает играть густота посадки. При исследованной густоте посадки при прочих одинаковых условиях мы не обнаружили существенной разницы в диапазонах используемой геометрии размещения растений. Наиболее оптимальным является густота посадки 2x2 см, при которой содержание хлорофиллов и их отношения остаются достаточно высокими, что может характеризовать вы-

бранный источник света достаточным. Кроме того, в закрытых условиях важно эффективно использовать площади посадки, а выявленная густота посадки при получении рассады дает возможность значительно увеличить производительность закрытых помещений.

В табл. 8.13 приведены количественные значения фотосинтетических пигментов в листьях апикальных и базальных черенков картофеля сорта Скарб в зависимости от числа черенкований и густоты посадки регенерантов.

Таблица 8.13. Содержание фотосинтетических пигментов в апикальных и базальных черенках картофеля сорта Скарб в зависимости от числа черенкований и густоты посадки

Вариант

Навеска, г

^*«0.5

Хл а

ХлЬ

Xi (а + Ь)

Каротиноиды

Скарб (меристемные растения) - контроль

Апикальные

0,178

0,593

0,201

0,596

1,57

0,43

2,01

0,250

Базальные

0,207

0,499

0,205

0,630

1,12

0,50

1,63

0,280

1-е черенкование

Апикальные

0,225

0,540

0,201

0,730

1,13

0,40

1.53

0,35

% к контролю

63,69

93,02

76,12

140,00

Базальные

0,246

0,457

0,178

0,590

0,87

0,34

1.22

0,24

% к контролю

77,68

68,00

74,85

85,71

2-е черенкование

Апикальные

0,218

0,522

0,233

0,730

1,12

0,65

1,71

0,33

% к контролю

71,34

151,16

85,07

132,00

Базальные

0,214

0,438

0,206

0,560

0,95

0,55

1,51

0,21

% к контролю

84,82

110,00

92,64

75,00

3-е черенкование

Апикальные

0,240

0,617

0,248

0,830

1,21

0,51

1.72

0,34

% к контролю

77,07

118,60

74,85

85,71

Базальные

0,278

0,548

0,234

0,683

0,92

0,44

1.37

0,21

% к контролю

77,68

68,00

74,85

85,71

Ска

рб (пробирочные растения)

Густота посадки (2x2)

0,362

0,730

0,268

0,930

0,84

0,26

1,10

0,23

Густота посадки (5x5)

0,364

0,733

0,260

0,900

0,95

0,30

1,25

0,25

Густота посадки (6x6)

0,336

0,797

0,249

0,970

0,79

0,24

1,37

0,40

Густота посадки (10хЮ) см

0,234

0,515

0,114

0,733

1,05

0,10

1,06

0,45

Как видно из анализа данных, вне зависимости от числа черенкований апикальные и базальные черенки имели определенные постоянные различия с контрольными пробирочными растениями, выраженные идентичным процентом отклонения. В результате проведенной экспериментальной работы обнаружен ряд особенностей развития регенерантов из черенков разного местонахождения на материнском растении ранних сортов картофеля при их облучении светом различной интенсивности и спектрального состава. Это касается, прежде всего, образования боковых побегов. В частности, при укоренении апикальных черенков и дальнейшей их регенерации под люминесцентными лампами ЛБ-80 и ДНаТ-400 при слабой освещенности суммарного потока по 5 Клк характерно образование боковых побегов у 50% растений 1-й вегетации и в 10 раз меньше (5,5%) - у растений 2-й вегетации. Количество сформированных столонов у регенерантов двух микроклонов было одинаковым. Наиболее эффективным для формирования столонов и клубнеобразова-ния оказались варианты с облучением лампами ДнаЗ-400 и при совместном облучении люминесцентными лампами и ДнаТ-400. Наименее приемлемы варианты с совместным использованием спектральных характеристик люминесцентных ламп и ДРЛФ-400, особенно при низкой интенсивности света. Процесс формирования столонов под данными источниками света наименее активен и составил всего 17,6 и 5,9% соответственно.

Известно, что активность фотосинтетического аппарата имеет свой к. п. д. (5-7%), обусловленный структурной организацией, ограничивающей скорость фотосинтетических реакций и накопление сухого вещества в вегетирующих листьях и органах растений. Поэтому увеличить фотосинтетическую активность посева, приводящую к увеличению продуктивности, можно за счет увеличения, прежде всего, числа и размеров фотосинтезируемых органов — листьев. Вместе с тем, создавая более плотные посевы, растения все больше и больше затеняют друг друга, что ухудшает освещенность листьев и доступ СО, внутрь посева, снижает фотосинтез и увеличивает потери на дыхание. И как последствие этого процесса, дыхание в конце концов уравновешивает фотосинтез и дальнейшее увеличение доз удобрений и поливов перестает давать ожидаемые эффекты при неполном использовании потенций растений [249]. В настоящее время выявлена дискретность реакции растений на рост освещенности [168]. При исследовании свето-и СО,-насыщенной интенсивности фотосинтеза (Ртах) и соотношения хлорофиллов а и b обнаружили, что существуют три фазы в реакции растения на изменение интенсивности светового потока: увеличение Р и отношения Хл a/b при низкой и высокой освещенности и плато при средней. В основе дискретности лежат различные стратегии роста при высокой и низкой освещенности. Эти стратегии включают изменение главных ССК ФС2 (LHC II) и значительные сдвиги в объемах РЦ, изменения концентраций минорных компонентов ФС2.

Известно, что одной из важных целей регуляции работы ФСА in vivo является взаимосогласованно редокс-реакций фотосистем 1 и 2. Это позволяет избежать перевосстановления компонентов ЭТЦ хлоропластов. При избыточном накоплении восстановленных переносчиков развивается процесс фотоингибирования, который быстро приводит к инактивации ФСА. Н. Г. Бухов с соавт. (1998) [50], изучая световую кривую нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла, обнаружили, что она носит двухфазный характер.

Это позволило сделать предположение о существовании двух участков ЭТЦ, которые насыщаются при низких и высоких интенсивностях света. Благодаря этому изменения редокс-состояиия двух фотосистем хорошо скоординированы при изменении уровня освещенности. Увеличение уровня окисленно-сти Р700 почти прямо пропорционально накоплению восстановленного QA -первичного акцептора электронов ФС2. Следовательно, при увеличении интенсивности света возрастает лимитирование потока электронов между двумя фотосистемами.

Различают два типа фотосинтетической адаптации: 1) генетически определенная, как результат естественной селекции (филогенетическая); 2) индуцированная в растении внешними условиями внутри границ, определяемых данным генотипом (онтогенетическая) [314].

Генетические различия могут выражаться в изменении относительных концентраций элементов ФСА. Например, при старении листа картофеля происходит уменьшение количества пластид на единицу площади листа, уменьшается объем хлоропластов, накапливается фотохимически неактивный «свободный» хлорофилл, увеличивается концентрация антенного хлорофилла в фотосинтетической единице, сами фотосинтетические единицы в ходе онтогенеза становятся более крупными [240]. Обнаружено, что в онтогенезе листа может происходить смена путей электронного транспорта [314]. В процессе старения листа происходит резкое уменьшение потока электронов на участке ФС1 по сравнению с ФС2. Причиной этого исследователи считают уменьшение числа РЦ ФС1. В то же время более сильное уменьшение электронного транспорта к НАДФ, чем к кислороду, связано со снижением содержания ферредоксина и ферредоксин-НАДФ-оксидоредуктазы, что приводит к повышению эффективности переноса электронов на кислород по сравнению с восстановлением НАДФ. В результате этого активно функционирующий в молодом листе нециклический транспорт электронов, осуществляющий образование восстановленного НАДФ и АТФ, заменяется в стареющем листе на псевдоциклический, в результате которого образуется только АТФ. Показано, что в перераспределении электронного потока между нециклическим и псевдоциклическим путем участвуют FeS-белки (центры) ФС1 [190]. Несомненна роль хлоропластов, как центров первичного биосинтеза фитогормонов и ингибиторов. С помощью этой функции хлоропласт участвует в регуляции первичных механизмов. Такой первичный продукт фотосинтеза, как седогептулозофосфат, является довольно близким предшественником ауксинов и полифенольных ингибиторов, а мевалонит- гиббереллинов и абсцизовой кислоты. Свет и мутаген активно меняют уровни этих регуляторов.

Онтогенетическая адаптация растения к освещению - это один из главных механизмов регулирования фотосинтетической активности листьев. При адаптации к интенсивности света изменяются как анатомические характеристики, так и концентрация основных компонентов ФСА [168].

Фотосинтез растений, выращенных в условиях слабого освещения, характеризуется низкой интенсивностью при световом насыщении и выходом световых кривых на плато при малой интенсивности света. Растения, адаптированные к пониженному освещению, отличаются меньшим количеством переносчиков в ЭТЦ, пониженной активностью РБФК [314]. Вместе с тем у таких растений часто наблюдается увеличение концентрации хлорофилла по сравнению с растениями, выращенными при высокой освещенности [240]. Концентрация реакционных центров у растений, выращенных в условиях слабого освещения, уменьшается незначительно по сравнению с уменьшением содержания переносчиков электронов и ферментов цикла Кальвина [166]. Увеличение концентрации хлорофилла и поддержание концентрации РЦ на достаточно высоком уровне предотвращают снижение скорости фотосинтеза даже при неблагоприятных световых условиях выращивания растений. Таким образом, при слабой интенсивности света растение поддерживает необходимую скорость фотосинтеза, синтезируя в первую очередь элементы, необходимые для эффективного поглощения квантов - хлорофилл, реакционные центры.

С активацией или ингибированием компонентов электронтранспортной цепи и с изменением энергизации мембран хлоропластов может быть связано прямое влияние фитогормонов и фенольных ингибиторов на фотосинтетические реакции. Подобное взаимодействие относится к разряду быстрой, оперативной регуляции фотосинтеза. Существует также регуляция более медленного типа, затрагивающая активность генов клеточного ядра и хлоропластов и определяющая репликацию и дифференцировку хлоропластов.

В последнее время интерес к проблеме оперативной регуляции фотосинтеза возрос благодаря следующим предпосылкам: было показано, что биосинтез фенольных соединений происходит в хлоропластах и что этот процесс за-

Концентрация хлорофилла (мг/г свежего веса) в листьях апикальной части растений картофеля сорта Скарб

Рис. 8.14. Концентрация хлорофилла (мг/г свежего веса) в листьях апикальной части растений картофеля сорта Скарб: | | - контроль - пробирочные растения; 1-3 чер. - 1-3-черенкования пробирочного растения

Концентрация хлорофилла (мг/г сырой массы) в листьях базальной части растений картофеля сорта Скарб

Рис. 8.15. Концентрация хлорофилла (мг/г сырой массы) в листьях базальной части растений картофеля сорта Скарб: М - меристемные растения, 1-3 чер. - 1-3-черенкования пробирочного растения

висит от условий освещенности. Имеются также данные о влиянии ауксина на световые реакции хлоропластов и об изменении содержания фитогормонов в листьях в зависимости от интенсивности света, что может постулировать фотосинтез как продуцент регуляторов роста [323].

В условиях нашего эксперимента все используемые черенки (апикальные и базальные) имеют исходно различные уровни фитогормонов. Этот факт может лежать в основе выявленных различий фотосинтетической активности у регенерантов из различных частей пробирочного растения in vitro (рис. 8.13-8.15).

Для оценки влияния облучения различными источниками света на фотосинтетические процессы у регенерантов первого микроклона были исследованы физиологические реакции при оптимальном уровне минерального питания. Были обнаружены существенные различия в морфообразовательных процессах и формировании регенерантов на разном свету. По-видимому, это может быть также связано с перераспределением гормонов вдоль стебля и различной реакцией адаптации к фотосинтетическому процессу in vivo под действием света, различающегося по спектральному составу. Выявление наиболее эффективных (оптимальных) условий светового режима для развития рассады из регенерантов и формирование боковых побегов и столонов, а также начальное формирование микроклубней представлены в табл. 8.14.

Результаты экспериментов, полученных при морфофизиологической оценке рассады двух микроклонов 1-й и 2-й вегетаций (табл. 8.14), показывают существование закономерностей развития ранних сортов картофеля и клубне-образования при облучении светом различного спектрального состава. Так, наблюдается повышение скорости роста растений, приводящее к увеличению длины главного побега на 2,0-2,2 см при действии совместного облучающего диапазона длин волн Хтах = 560-610 нм с более коротковолновой областью линейчатого спектра при X - 550 нм и А,тах - 436 нм. Одновременно наблюдается снижение скорости нарастания метамеров, числа междоузлий и листьев, при одновременном повышении массы листьев и стебля. По-видимому, как уже отмечалось, в условиях оптимальной освещенности для реализации целевой функции формируются более толстые листья, обладающие большим запасом влаги, с хорошо развитой ассимиляционной тканью и имеющие большую сырую массу.

Таблица 8.14. Морфофизиологические характеристики развития растений картофеля сорта Дельфин при искусственном освещении на стадии рассады

Условия освещения

Вегетация

Боковые побеги

Столоны

Микроклубни (возраст 28 сут)

длина, см

% к контролю

длина, см

% к контролю

сырая масса, г

% к контролю

ДнаЗ-400 (14 Клк)

1-Я

5,33

1,41

79,2

0,2

50,0

2-я

1,12

39,0

0,01

11,0

ДРЛФ-400 + ДнаЗ-

1-Я

0,7

33,3

8,0

400 (4 + 4) Клк

2-я

1,5

12,5

ДРЛФ-400 + ДнаЗ-

1-я

1,36

17,6

0,12

5,5

400 (2 + 4) Клк

2-я

0,90

5,9

ЛБ-80 + ДнаТ-400

1-я

1,13

50,0

1,62

36,0

(2 + 3) Клк

2-я

1,8

5,5

1,06

38,9

0,08

Примечание. Знак «-» означает отсутствие в данном варианте боковых побегов. Представлены усредненные данные из 100 наблюдений.

Физиологическая реакция растительного организма на изменение спектрального состава источников облучения прослежена нами по динамике метаболизма фенольных соединений (флавоноидов) при двукратном использовании ионообменного субстрата для укоренения регенерантов.

По сравнению с контрольными растениями, выращенными при использовании ламп ДнаЗ-400, сумма флавоноидов в листьях достигает максимума у растений в условиях эксперимента, выращенных под светом люминесцентных ламп (2 Клк) и (3 Клк) ДнаТ-400 (табл. 8.15).

Таблица 8.15. Содержание флавоноидов в листьях растений картофеля по вегетациям

Вегетация

Сумма флавоноидов, % на сухое вещество

14 Клк ДнаЗ-400

ЛБ-80 + ДнаТ-400 (2 + 3) Клк

ДРЛФ-400 + ДнаЗ-400 (2+4) Клк

ДРЛФ-400 + ДнаЗ-400 (4+ 4) Клк

1-я

1,73 ±0,03

2,40 ± 0,05

0,68 ±0,01

1,98 ±0,02

2-я

1,89 ±0,02

2,67 ± 0,06

1,23 ±0,02

1,35 ±0,02

Представленные в табл. 8.15 результаты могут свидетельствовать об активации синтеза флавоноидов либо за счет накопления их эндогенных предшественников, либо благодаря увеличению активности соответствующих ферментов. При освещении растений 1-й вегетации светом ламп ДРЛФ-400 и ДнаЗ-400 в соотношении освещенностей (2 + 4) Клк соответственно происходит сильное уменьшение содержания флавоноидов, которое составляет 39,3% к контролю. При увеличении доли спектра ламп ДРЛФ-400 почти 3 раза происходит увеличение суммы флавоноидов у растений в 1-й вегетации.

Фенольные соединения растений, в частности флавоноиды, давно привлекают к себе внимание с точки зрения их роли в метаболизме растительной клетки [126]. Известно, что одним из мест биосинтеза флавоноидов являются хлоропласты. Динамика накопления флавоноидов в листьях и пластидах, как и содержание основных продуктов фотосинтеза, зависит от факторов внешней среды, в том числе от интенсивности и качества света. В то же время функции фенольных веществ в растении пока мало изучены. Флавоноиды регулируют процессы энергетического обмена растительной клетки [287, 603]. Показано их взаимодействие с компонентами цепи переноса электронов на тилакоидной мембране хлоропластов [525]. Литературные данные дают возможность предполагать, что изменение скорости накопления и восстановления и скорости фотофосфорилирования [168, 565], а также модификация активности ферментов [323] под влиянием экзогенных фенольных соединений могут определять динамику углеродного метаболизма [126, 479, 497].

Исходя из полученных данных, можно заключить, что облучение светом совмещенного состава спектров люминесцентных ламп ЛБ-80 и натриевых ламп ДнаТ-400 даже при низкой интенсивности (5 Клк) способствует активизации метаболизма фенольных соединений. Совместный спектральный состав света ламп ДРЛФ-400 и ДнаЗ-400 в обеих композициях оказывает угнетающее действие на накопление флавоноидов в листьях, хотя у растений 2-й вегетации оно выражено слабее. С другой стороны, значительное накопление фенольных соединений может свидетельствовать об ответной реакции растений на иммунизацию в условиях выращивания.

Следует отметить, что в целом реакция двух микроклонов в процессе 1-й и 2-й вегетаций на изменение спектрального состава источников облучения была сходной. Возможно, растения 2-й вегетации обладают более высокой способностью сохранять внутренний гомеостаз при действии неблагоприятных факторов внешней среды, связанной со стабилизацией гормонального статуса растений на ионообменных сбалансированных по минеральному составу субстратах.

Оценка интенсивности фотосинтетических реакций регенерантов различного анатомического происхождения и различных микроклонов была проведена с целью выяснения предпочтительного источника облучения при круглогодичном получении рассады и мини-клубней картофеля.

Количество фотосинтетических пигментов листьев, растений раннего сорта Дельфин, растущего на свету различного спектрального состава, рассчитанное по формулам [411] после достижения растениями возраста 21 сут, представлено в табл. 8.16.

Таблица 8.16. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях рассады картофеля сорта Дельфин в зависимости от световых режимов

Источник света

Вегетация

Содержание (мг/дм2 листовой поверхности)

Хта + ХтЬ

Xia/Xi h

(a+b)/car

Xia

Xib

Саг

ДнаЗ-400 (14 Вт/м2)

1-Я

3,52

из

1,17

4,65

3,12

3,97

2-Я

3,55

1,22

1,16

4,77

2,91

4,11

ЛБ-80 (4 Вт/м2)

1-я

3,27

1,06

1,15

4,33

3,08

3,76

2-я

2,94

0,92

0,98

3,86

3,20

3,94

ДРЛФ + ДнаЗ-400 (30 Вт/м2)

1-я

2,48

1,16

0,98

3,64

2,14

3,72

2-я

3,07

1,05

1,04

4,12

2,92

3,96

ДРЛФ + ДнаЗ-400 (40 Вт/м2)

1-я

3,72

1,26

0,97

4,98

2,95

5,13

2-я

2,64

1,23

1,22

3,87

2,14

3,17

Примечание. Приведены усредненные значения по 100 регенерантам в каждом варианте.

Функционирование фотосинтетического аппарата является одним из звеньев, регулирующих рост, развитие и продуктивность регенерантов пробирочных растений. В свою очередь, интенсивность света - один из важнейших факторов, который влияет на оптические свойства листа, регулирует процесс образования пигментов и формирование фотосинтетического аппарата в целом. Согласно литературным данным, при изменении освещенности наблюдаются количественные изменения элементов листа: размеров и числа клеток, их площади, насыщенности хлоропластами и пигментами. Показано, что содержание хлорофилла в хлоропласте находится в обратной зависимости от интенсивности света, поскольку интенсивность света увеличивает как число хлоропластов, так и количество клеток в единице площади листа. Это подтверждается данными по содержанию хлорофилла в расчете на хлоропласты единицы площади листа [189].

Как уже указывалось, при низкой интенсивности света число хлоропластов в клетке невелико, но они имеют большее число молекул хлорофилла. При высокой интенсивности освещения формируется лист, содержащий большее количество хлоропластов на единицу площади листа, но их объем уменьшается, так же как и содержание хлорофилла. В связи с этим «световые» и «теневые» хлоропласты будут различаться и по числу фотосинтетических единиц, которое коррелирует со степенью развитости фотоактивной поверхности хлоропластов [455].

Обнаружено, что способность изолированных хлоропластов осуществлять реакцию Хилла, характеризующую активность ФС2, изменялась в зависимости от интенсивности света, концентрации хлорофилла в хлоропластах и величины поверхности хлоропластов. Изменение скорости и направленности транспорта электронов можно рассматривать как приспособительную реакцию растений к неблагоприятным световым условиям и естественным процессам старения листьев в онтогенезе.

Резюмируя сказанное, можно заключить, что изменения интенсивности светового потока способны влиять на структуру электронтранспортной цепи и пластидного аппарата, смену путей электронного транспорта, работу фотосистем и другие показатели, важные для повышения продуктивности фотосинтеза. Поскольку при низкой и слишком высокой освещенности не обеспечивается нормальная работа фотосинтетического аппарата на различных уровнях структурной и функциональной организации, возникает вопрос об оптимальном уровне освещенности, а также о показателях, по которым можно судить о функционировании фотосинтетического аппарата.

В целях оптимизации интенсивности светового потока при выращивании рассады, а также растений картофеля более зрелого возраста проведены эксперименты, в которых определялось содержание фотосинтетических пигментов и флавоноидов в листьях регенерантов растений сорта Аксамит. Интенсивность света варьировала от 30-35 до 60 Вт/м2. Результаты опытов представлены в табл. 8.16 и 8.17.

Таблица 8.17. Динамика содержания хлорофиллов а, b и каротиноидов (мг/г сырого вещества) в листьях картофеля сорта Аксамит, выращенных при различной интенсивности света постоянного спектрального состава ДНаЗ-400 + ДРЛФ-400

Возраст черенков

Интенсивность в области фар. Вт/м2

Хл а

ХлЬ

Саг

Хл а/Ь

21 сут

30-35

1,25

0,82

0,41

1,52

45

1,45

0,83

0,34

1,75

50

1,27

0,77

0,50

1,65

55

1,23

0,70

0,39

1,76

60

1,19

0,83

0,39

1,45

34 сут

30-35

0,80

0,27

0,29

2,96

45

0,90

0,27

0,34

3,33

50

1,07

0,34

0,44

3,21

55

1,46

0,36

0,65

4,05

60

1,05

0,38

0,42

2,79

48 сут

30-35

45

50

1,02

0,35

0,33

2,88

55

0,68

0,22

0,24

2,3

60

0,8

0,29

0,26

2,8

Примечание. Приведены усредненные значения по 100 регенерантам в каждом варианте.

Анализируя данные табл.8.16 и 8.17, можно видеть значительные различия в содержании пигментов в листьях ранних сортов в зависимости от интенсивности света. В наших экспериментах показано, что наиболее высокое содержание хлорофилла а наблюдалось в листьях более молодых растений (21 сут), выращенных при интенсивности света 45-50 Вт/м2. При других интенсивностях облучения Хл а в листьях содержалось немногим меньше.

Содержание Хл b и каротиноидов, соотношение хлорофиллов а/b изменялись незначительно, оставаясь сравнительно невысокими. Эти же параметры при свете низкой интенсивности (табл. 8.16) имели значительно более высокие значения. Выявленный факт может свидетельствовать о постоянных и невысоких скоростях синтеза хлорофилла h в листьях регенерантов растений картофеля.

В фазе бутонизации растений (34 сут) происходит заметное повышение соотношения хлорофиллов а/b. Оно достигает максимума в листьях растений, выращенных при 55 Вт/м2, и составляет 4,05 (табл. 8.16). По-видимому, это связано с развитием системы внутренних мембран хлоропластов.

В пользу этого предположения говорят данные по изучению онтогенеза картофельного листа. А. Т. Мокроносов (1990) указывает, что в первые 10-12 дней жизни листа происходят интенсивное деление и рост клеток, причем формирование хлоропластного аппарата отстает от этого процесса. Лист завершает развитие на 26-28-й день и после этого остается функционально активным еще 10-12 дней [241].

Относительно механизма функционирования фотосинтетического аппарата растений к настоящему времени известно, что он в основном сосредоточен в субмембранных частицах внутренних мембран хлоропластов. В состав этих частиц входят ядра фотосистем и их светособирающие комплексы (ССК). Формирование таких частиц начинается с того, что в определенных участках мембран молекулы Хл а стабилизируют белки ядер фотосистем. Такие комплексы могут играть роль элементов а. Далее на ядрах фотосистем происходит накопление ССК, содержащих большое количество Хл а и Хл Ь, что, по представлениям [314], соответствует превращению незрелых элементов а в промежуточные элементы А И наконец, синтез небольшого специфического пула Хл <т//?-связывающих белков приводит к появлению зрелых элементов А, т. е. зрелых субмембранных частиц. Распад этого пула Хл я/б-связывающих белков, приводящий к освобождению молекул Хл а, может индуцировать формирование следующей части субмембранных частиц [314].

Если при анализе данных по содержанию фотосинтетических пигментов у молодых растений трудно проследить какую-либо закономерность, то результаты определения суммы флавоноидов дают более четкую картину. Данные, представленные в табл. 8.18, показывают, что максимальное суммарное содержание флавоноидов как у растений в фазе вегетации (возраст 21 сут), так и у растений в фазе бутонизации (возраст 34 сут) приходится на интенсивность освещения 50 Вт/м2. Сумма флавоноидов сильно уменьшается у растений, переходящих к клубнеобразованию (возраст 48 сут), выращенных при интенсивности света 60 Вт/м2.

Известно, что повышение интенсивности освещения способствует накоплению фенольных соединений в тканях зеленых растений. Можно было бы ожидать, что суммарное содержание флавоноидов в листьях будет наибольшим при 60 Вт/м2, но в наших экспериментах этого не наблюдалось. СодерТаблица 8.18. Суммарное содержание флавоноидов в листьях картофеля сорта Аксамит, выращенных при различной интенсивности света, % на сухое вещество

Возраст черенков

Мощность светового потока, Вт/м2

30 35

45

50

55

60

Суммарное содержание флавоноидов

21 сут

0,99

0,82

2,78

1,66

2,13

34 сут

0,81

1,24

2,80

2,32

0,92

48 сут

-

-

1,62

2,72

0,12

жание фенольных соединений в растениях, выращенных в условиях разного освещения, часто сильно варьирует в зависимости от возраста листа, условий выращивания, времени года.

В растении ассимиляты находятся в постоянном движении, перемещаясь из листьев и других фотосинтетически активных тканей (стебель, черешки листьев и др.) в места отложения в запас, зоны роста, столоны, клубни. Транспортируясь по ситовидным трубкам, в основном в виде сахарозы, ассимиляты поступают в отдельные органы в зависимости от фазы развития растения.

Обмен СО, влияет на метаболизм растительных тканей, на устойчивость к различным стрессовым ситуациям. Изменение характера СО,-обмена повышает морозостойкость растений. При закаливании наблюдается снижение скорости видимой ассимиляции и темнового дыхания, причем фотосинтез снижается менее активно в отличие от дыхания, увеличивая отношение истинного фотосинтеза к темновому дыханию [123]. К соединениям, синтезируемым наряду с углеводами, относятся фенольные соединения - антиоксиданты, которые накапливаются в листьях, узлах кущения и корнях растений в связи с преимуществом фенилпропаиоидного и флавоноидного пути биосинтеза [160].

Процесс образования фенольных соединений тесно связан с фотосинтезом и функционально связан с дифференцировкой ксилемных элементов стебля. Флавоноиды как структурно наиболее сложная группа фенольных соединений являются самыми активными в фотохимических реакциях. Многие исследователи считают их биосинтез светочувствительным процессом, который обусловлен, с одной стороны, активацией соответствующих ферментов, а с другой - накоплением эндогенных предшественников. Активации ферментов, участвующих в биосинтезе фенольных соединений, способствует повышение интенсивности света до определенного уровня. В отсутствие оптимальных условий освещения фотосинтетическое образование фенольных соединений может быть не выражено или замаскировано вторичными процессами превращения этих веществ [126].

Исходя из этого, можно предположить, что при интенсивности света 50 Вт/м2 в области ФАР создаются более благоприятные условия для синтеза флавоноидов и увеличения пигментного фонда листьев регенерантов картофеля. Это имеет большое значение, поскольку существует прямая корреляция между эффективностью использования света и концентрацией пигментов.

Многочисленные сведения о влиянии интенсивности света на фотосинтетическую ассимиляцию СО, показывают, что при постоянстве других внешних факторов достигается определенный световой оптимум.

Анализируя полученные данные, можно видеть, что у регенерантов пробирочных растений зрелого возраста происходит смещение светового оптимума в область более высоких интенсивностей. Известно, что световое насыщение старых листьев происходит при более высокой интенсивности света по сравнению с молодыми.

Таким образом, полученные данные отражают адаптивные изменения исследуемых показателей, которые свидетельствуют о высокой лабильности фотосинтетического аппарата регенерантов картофеля.

В наших исследованиях продемонстрирована возможность повторного (многократного) использования ионообменного субстрата для укоренения апикальных черенков пробирочных растений картофеля, а также для проведения последовательных вегетаций с использованием люминесцентных ламп (для выращивания рассады) и ламп ДнаЗ-400 для выращивания рассады и получения мини-клубней.

В классических экспериментах В. И. Кефели [164] было показано, что у растений, выращенных при разных интенсивностях света, возникают не только морфологические, но и функциональные различия. Прежде всего обращает на себя внимание четко выраженная зависимость интенсивности фотосинтеза от интенсивности света. Учитывая, что светолюбивые растения, например горох (Pisuin sativum), и теневыносливое - салат (Lactuca sativd) по-разному реагируют на свет одинаковой интенсивности, мы изучали ответные реакции растений картофеля различных по срокам спелости сортов при различном лучевом потоке. Если у гороха интенсивность фотосинтеза возрастала вплоть до 400 тыс. эрг/ см2 с, то у салата отмечалось резкое падение фотосинтеза при интенсивностях свыше 300 тыс. эрг/ см2 с. Вместе с тем максимальное нарастание площади листьев наблюдалось около 200 тыс. эрг/см2-с [164]. Изменению площади листьев соответствует и ход накопления общей биомассы растений, а также обратно пропорциональная зависимость между образованием Хл а,Хл b и интенсивностью света, продемонстрированная в табл. 8.19.

Таблица 8.19. Содержание Хл а+b в листьях овощных культур в зависимости от интенсивности света

Интенсивность света, тыс. эрг/см2 с

Хлорофиллы, мг/дм2 листа

Горох

Салат

Картофель

30

2,36

0,61

2,96

100

2,12

0,85

2,43

200

1,90

0,88

2,05

300

1,51

0,67

1,89

420

1,40

0,16

1,64

Примечание. Приведены средние значения но 20растениям.

Если в листьях гороха по мере увеличения интенсивности света концентрация хлорофиллов снижается с 2,36 до 1,40 мг/дм2, а у картофеля с 2,96 до 1,64, то у салата при 420 тыс. эрг/см2-с происходит резкое падение содержания хлорофиллов, и оно составляет всего 0,16 мг/дм2, что, вероятно, и является основной причиной низкого фотосинтеза при светонасыщающих интенсивностях у этих растений. Низкая фотосинтетическая активность листьев салата при светонасыщающих интенсивностях может быть восстановлена через несколько дней после перенесения растений в благоприятные световые условия. Из сопоставления этих данных по интенсивности фотосинтеза и скорости роста растений следует, что при светонасыщающих интенсивностях снижение общей продуктивности растений происходит главным образом из-за ингибирования роста площади листьев и в меньшей степени из-за снижения интенсивности фотосинтеза, т. е. световое насыщение процессов роста наступает при более низких интенсивностях по сравнению со световым насыщением фотосинтеза.

Интенсивность света, определяющая скорость фотосинтеза, является вместе с тем таким же морфогенетическим фактором, как и качество света. Выяснение регуляторных механизмов роста у растений, выросших при разных интенсивностях света, служило предметом наших дальнейших исследований.

Для улучшения фотосинтетической деятельности возникла потребность интенсифицировать наиболее чувствительную к неблагоприятным условиям функцию роста, а кроме того, максимально улучшить активность самого фотосинтетического аппарата, который должен компенсировать неполное структурно-функциональное развитие в неоптимальных условиях закрытых помещений и систем использования ассимилятов на формирование урожая.

В исследованиях со светом различных интенсивностей было установлено, что высота стебля и длина черешков (у одного и того же сорта) являются показателями обеспеченности растений светом: чем меньше длина осевых органов, тем лучше растение обеспечено светом. Однако опыты, проведенные в фитотроне с различным спектральным составом света, показали, что растения, выращенные при низких интенсивностях синего света (40-70 Вт/м2 и выше), имеют также укороченные стебель и черешки и утолщенную пластинку листа меньших размеров по сравнению с растениями, выращенными под красным и белым светом. Таким образом, синий свет не только высоких, но и низких интенсивностей тормозит рост растений аналогично действию белого света высоких интенсивностей (300-400 Вт/м2).

В работах А. А. Ничипоровича [250] показано, что конечная продуктивность растения за длительное время или период вегетации представляет собой интегральную величину числа или размеров фотосистем низких порядков, динамики показателей интенсивности их работы и использования продуктов фотосинтеза и энергии на рост, формирование различных органов и накопление физиологически ценных веществ и структурных компонентов урожая.

Собственно рост и фотосинтез оказывают непосредственное влияние на увеличение продуктивности растений. А. А. Ничипорович [250] отмечал, что высокопродуктивные посевы могут получаться путем хорошо скоординированной оптимизации всего комплекса условий фотосинтетической деятельности: свойств растений, процесса фотосинтеза как в части усвоения энергии, так и субстратов питания - СО2, азота, а также процессов вторичного метаболизма и, наконец, завершающих стадий формирования урожая - процессов роста, органогенеза в онтогенезе растений.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >