особенности индукции флуоресценции хлорофилла

УДК 634.10: 631.524.85: 581.1.032.3
ОСОБЕННОСТИ ИНДУКЦИИ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА У
ИСХОДНЫХ ФОРМ ЯБЛОНИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ АБИОТИЧЕСКИХ
СТРЕССОРОВ
Н.И. Савельев, А.Н. Юшков, Н.В. Борзых, А.В. Хожайнов
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт
генетики и селекции плодовых растений имени И.В.Мичурина Россельхозакадемии,
393772, Тамбовская область, г. Мичуринск, Россия, E-mail: cglm@rambler.ru
РЕФЕРАТ
На основе измерения параметров индукции флуоресценции хлорофилла изучено
влияние повышенных температур и засоления на эффективность функционирования
фотосинтетического аппарата листьев яблони. Выделены сорта и формы яблони с
наибольшей стабильностью показателей реального квантового выхода фотосистемы II и
относительной скорости электронного транспорта.
ABSTRACT
On the base of measurement of induction parameters of chlorophyll fluorescence the effect of
higher temperatures and salinity on the efficiency of apple leaves photosynthetic apparatus
functioning was studied. Apple varieties and forms which are highly stable in ratios of real quantum
outlet of photosystem II and relative electron transport rate were isolated.
Ключевые слова: селекция, яблоня, сорта, засухоустойчивость, солеустойчивость,
флуоресценция хлорофилла
Key words: breeding, apple, varieties, draught resistance, salinity resistance, chlorophyll
fluorescence.
ВВЕДЕНИЕ
Значительная часть территории России представлена районами неустойчивого
увлажнения, для которых в летний период характерны недостаток осадков и высокие
температуры. Эту ситуацию усугубляет и отмечаемая в последние десятилетия тенденция
усиления нестабильности погодных условий, во многих ранее относительно благополучных
в этом отношении регионах растения все чаще подвергаются экстремальному воздействию
температурного и водного стрессоров. Вследствие бесконтрольного орошения, отсутствия
или недостаточных темпов мелиоративных мероприятий возникает и другая проблема увеличение доли засоленных почв в общем земельном фонде. Так, по данным FAO до 1,5
млн. га орошаемых земель ежегодно выводятся из оборота в результате засоления, и лишь
половина этих площадей вводится в сельскохозяйственный оборот (www.fao.org).
Отрицательное воздействие засоления сказывается при содержании солей в почве более
0,2%, при концентрации 0,3-0,5% растения погибают, а почвы считаются непригодными для
сельскохозяйственного использования [1, 2].
Данные
факторы
препятствуют
реализации
потенциала
продуктивности
возделываемых культур и приводят к серьезным экономическим потерям. В сложившихся
условиях оценка и повышение устойчивости сельскохозяйственных растений к высоким
температурам, дефициту влаги и засолению почв являются одними из главных задач
селекции.
В настоящее время для изучения функционирования фотосинтетического аппарата одного из наиболее уязвимых к воздействию стрессоров процесса достаточно широко
применяются методы флуоресцентного анализа [3-9]. Как правило, такие исследования
проводятся на однолетних полевых культурах, плодовые растения в этом отношении
изучены слабо.
Целью работы в этой связи являлась оценка влияния указанных абиотических
стрессоров на активность фотосинтетического аппарата листьев яблони на основе измерения
параметров индукции флуоресценции хлорофилла и выделение для производства и селекции
наиболее устойчивых генотипов.
МЕТОДИКА И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объектами исследований являлись сорта и формы яблони генетической коллекции
ВНИИГиСПР им. И.В.Мичурина различающиеся по степени засухо- и солеустойчивости.
Функциональную активность фотосинтетического аппарата ассимилирующих тканей
оценивали по показателям индукции флуоресценции хлорофилла РАМ-флуориметром (Heinz
Walz GmbH). Для регистрации минимального уровня флуоресценции (Fо) листья,
затемненные в течение 30 мин, освещали модулированным с низкой частотой (5 Гц)
измерительным светом (450 нм) низкой интенсивности. Интенсивность флуоресценции
хлорофилла при закрытых реакционных центрах (Fm) измерялась после применения
2
импульса света высокой интенсивности (10000 мкмоль/(м с), 450 нм). Максимальный
квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II (Fv/Fm) рассчитывали по
формуле: Fv/ Fm = (Fm - Fо)/ Fm [7]. Также учитывалась относительная скорость транспорта
электронов фотосистемой II (ETR - Electron Transport Rate) и реальный квантовый выход
фотосистемы II (Y (II)) в адаптированном к свету состоянии. Для этого проводилась
регистрация
изменений показателей флуоресценции хлорофилла под действием
2
актиничного (действующего) света 190 мкмоль/(м с), поддерживающего фотосинтез.
Также проводилась оценка водного режима листьев и стойкости побегов к засолению
по скорости и степени выцветания хлорофилла и побурению листовой пластинки [10-13].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В настоящее время при изучении степени устойчивости исходных форм плодовых
растений к засухе наиболее широко используются методы, основанные на выявленной
положительной корреляции степени стойкости листьев к завяданию и показателей их
водного режима со степенью засухоустойчивости всего растения в полевых условиях [10,
13,14]. Изученные сорта существенно отличались по показателям водного режима. По
многолетним данным в первые 4 часа выветривания листья теряли от 7 до 21% воды в
зависимости от генотипа. У форм Якутская и Уральское наливное потеря воды была
минимальной и составляла 7,0 и 7,7% соответственно. М. spectabilis, Серебрянное копытце и
Керр испаряли не более 14,1%. воды. Листья сортов и форм Антоновка обыкновенная, Синап
орловский, Мартовское теряли от 16,2 до 17,7% воды. Наибольшее количество воды
испаряли листья у сорта Бреберн (более 20% от массы сырой навески).
При моделировании теплового шока -500С в течение 30 минут минимальной потерей
воды менее 6% от первоначальной массы характеризовались формы М. floribunda, Уральское
наливное, Мартовское. От 6,6 до 8,2% воды потеряли листья сортов и форм Серебряное
копытце, Антоновка обыкновенная, М. spectabilis, Якутская, Синап орловский.
Максимальный уровень испарения воды после воздействия теплового шока (более
10%) отмечен у сортов Керр и Бреберн.
Изученные сорта и формы яблони в контрольном варианте несущественно отличались
по величине максимального квантового выхода фотосистемы II (Fv/Fm), который колебался
от 0,74 (М. floribunda) до 0,81 (Серебряное копытце). У других изученных форм (Антоновка
обыкновенная, Керр. М. spectabilis, Якутская, Уральское наливное, Бреберн, Синап
орловский, Мартовское) этот показатель составил 0,75-0,78. При моделировании засухи (350С в течение двух часов) и последующей темновой адаптации в течение 30 минут
указанный показатель практически не изменился и колебался в зависимости от сорта в
пределах 0,71-0,79.
Более существенные различия по сортам и вариантам отмечены при оценке
относительной скорости электронного транспорта (ЕТR) . В контрольном варианте (побеги
из сада) максимальными значениями показателя ЕТR характеризовались сорта и формы
2
Серебряное копытце, Якутская и Уральское наливное (35,3; 34,2; 30,1 мкмоль/(м с)
соответственно). Промежуточное положение занимали формы Керр, М. floribunda, М.
spectabilis, Мартовское, Синап орловский, Антоновка обыкновенная, Якутская (ЕТR 27,02
2
30,0 мкмоль/(м с)). Минимальным значением ЕТR (24,0 мкмоль/(м с)) характеризовался
Бреберн.
При моделировании условий засухи у всех изученных форм наблюдалось снижение
данного показателя, однако величина его варьировала от 9,1 (Якутская) до 68,9% (Антоновка
обыкновенная). Предположительно эти различия связаны с более значительным снижением
реального квантового выхода фотосистемы II и скорости электронного транспорта у менее
устойчивых к высоким температурам форм. Наряду с Якутской относительно стабильными
значениями показателя ЕТR характеризовались сорта Керр и Уральское наливное (снижение
12,7% и 18,7% соответственно). Формы М. floribunda, М. spectabilis, Серебряное копытце
характеризовались более существенным снижением скорости электронного транспорта (на
40,8 -43,9% по сравнению с контролем). На 53,4-68,9% по сравнению с контрольным
вариантом снижался анализируемый показатель по действием высоких температур у сортов
Бреберн, Синап орловский, Мартовское, Антоновка обыкновенная.
Отмечена высокая положительная корреляция (r=0,77) между степенью снижения
относительной скорости электронного транспорта и количеством испарившейся после 4-х
часов выветривания воды – одним из наиболее часто используемых для оценки
засухоустойчивости показателей.
В результате проведенной многолетней оценки солеустойчивости изучаемых сортов на
срезанных побегах по скорости и степени выцветания хлорофилла в 0,4 и 0,6% растворах
хлорида натрия были выявлены существенные различия по уровню повреждения листовых
пластинок. Повреждение тканей у менее устойчивых генотипов в виде хлорозов и некрозов
проявлялось, как правило, уже на второй день. Оно начиналось с кромки листа и постепенно
распространялось на всю листовую пластинку. Минимальные повреждения до 1 балла на 5
сутки опыта при 0,4% концентрации раствора хлорида натрия имели видовые формы и
урало-сибирские сорта Якутская, Уральское наливное, М. spectabilis, М. floribunda,
Серебряное копытце.
Меньшей устойчивостью (повреждение более 3 баллов) характеризовались сорта
Антоновка обыкновенная, Бреберн, Синап орловский, Мартовское.
Повышение концентрации хлорида натрия до 0,6% привело к более сильному
повреждению листьев, однако распределение сортов и форм по группам устойчивости, как
правило, сохранялось.
Величина максимального квантового выхода фотосистемы II (Fv/Fm) и относительная
скорость электронного транспорта оценивались после суток выдерживания побегов в
растворе хлорида натрия, когда видимые повреждения листьев еще отсутствовали, однако
воздействие данного стрессора уже сказалось на активности фотосинтетического аппарата.
Значения показателя Fv/Fm у различных сортов в варианте с 0,4% раствором хлорида натрия
при этом колебались незначительно - от 0,79 (Мартовское) до 0,82 (Якутская). Сравнительно
малы были и различия между опытным и контрольным вариантами, однако, как правило, под
действием соли в первые сутки опыта наблюдалось повышение фотосинтетической
активности листьев и увеличение указанного параметра на 2,6-10,9%. Не отмечено связи
между изменением значения Fv/Fm у сорта и повреждением листовой пластинки в растворе
соли.
Более чувствительным к засолению оказался параметр, характеризующий
относительную скорость транспорта электронов. Его значения варьировали от 17,5-20,7
2
мкмоль/(м с) у менее устойчивых сортов (Антоновка обыкновенная, Бреберн) до 28,4-32,1
2
мкмоль/(м с) у форм с большей солеустойчивостью (Якутская, М. floribunda, Серебряное
копытце). Аналогичные результаты получены и при оценке степени снижения скорости
электронного транспорта. Большая его стабильность отмечена у форм М. floribunda,
Якутская (снижение на 2,1 и 6,1%, соответственно). У сортов Антоновка обыкновенная,
Керр, Синап орловский, Бреберн снижение ЕТR составило 23,3-27,1%, что в целом
согласуется со степенью повреждения их побегов в солевых растворах. Остальные
изученные генотипы занимали промежуточное положение (снижение ЕТR от 10,2 до 19,7) .
ВЫВОДЫ
Таким образом, изучено влияние повышенной температуры и засоления на изменения
параметров индукции флуоресценции хлорофилла, выделены сорта и формы яблони с
наибольшей их стабильностью. Максимальные различия между вариантами опыта отмечены
при оценке относительной скорости электронного транспорта. При этом, как правило,
наибольшая его стабильность наблюдалась у более устойчивых форм.
Литература
1. Агрохимия / под ред. П.М. Смирнова, Э.А Муравина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:
Колос, 1984. -304 с.
2. Методика определения размеров ущерба от деградации почв и земель. Разраб.:
Министерством охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ и Комитетом
РФ по земельным ресурсам и землеустройству, 1994.
3. Карапетян, Н.В. Переменная флуоресценция хлорофилла как показатель
физиологического состояния растений /Н.В.Карапетян, Н.Г Бухов // Физиология
растений. - 1986. - Т. 33, №5. -С. 1013-1026.
4. Веселовский, В.А. Люминисценция растений. Теоретические и практические аспекты
/ В.А. Веселовский, Т. В. Веселова - М.: Наука, 1990. - 200с.
5. Корнеев, Д.Ю. Особенности индукции флюоресценции хлорофилла листьев пшеницы
в условиях засухи / Д.Ю. Корнеев, О.О. Стасик, О.Г. Соколовская // Физиология и
биохимия культ. растений. – 1998. – Т.30, №3. – С.170-174.
6. Корнеев, Д.Ю. Особенности индукции флюоресценции хлорофилла листьев пшеницы
в условиях засухи / Д.Ю. Корнеев, О.О. Стасик, О.Г. Соколовская // Физиология и
биохимия культ, растений. - 1998. - Т. 30, №3. - С. 170-174.
7. Krause, G.H. Chlorophyll Fluorescence and Photosynthesis: The Basis / G.H. Krause, E.
Weis // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1991. V. 42. P. 313-349.
8. Иванов, А.А. Фукциональные изменения фотосинтетического аппарата у растений
пшеницы при водном стрессе на фоне NaCl // Сельскохозяйственная биология. – 2010.
-№3. – С.88-93.
9. Креславский, В.Д. Механизм повышения термоустойчивости фотосистемы 2 у
растений пшеницы хлорхлоридхолином / В.Д. Креславский, Т.И. Балахнина,
С.К. Жармухамедов Н.И. Шабнова, М.С. Христин, В.Ю. Любимов // Доклады
Российской академии сельскохозяйственных наук. – 2010. - №3 – С.7-10.
10. Еремеев, Г.Н. Методы оценки засухоустойчивости плодовых культур /Г.Н. Еремеев //
Методы оценки устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды / Под
ред. Г.В. Удовенко - Л.,1976.- С.101-115.
11. Строгонов, Б.П. Физиологические основы солеустойчивости растений (при
разнокачественном засолении почвы) / Б.П. Строгонов. – М.: АН СССР, 1962. – 366 с.
12. Удовенко, Г.В. Особенности различных методов оценки солеустойчивости растений /
Г.В. Удовенко, Л.А. Семушина, В.Н. Синельникова // Методы оценки устойчивости
растений к неблагоприятным условиям среды. – Л.: Колос, Ленинградское отделение,
1976. – С. 228 – 238.
13. Кушниренко М.Д. Физиология водообмена и засухоустойчивости плодовых растений.
- Кишинев, 1975.- 216с.
14. Халин Г.А. К методике физиологической диагностики жароустойчивости сортов
плодовых культур // Тез. докл. совещ.: «Методы оценки устойчивости растений к
неблагоприятным условиям среды».- Л.,1973.- С.83-89.
PECULIARITIES OF CLOROPHYLL FLUORESCENCE INDUCTION IN INITIAL
APPLE FORMS UNDER ABIOTIC STRESSOR
N.I. Savelyev, A.N. Yushkov, N.V. Borzykh, A.V. Khozhainov
SSI I.V. Michurin All Russian Research Institute for Genetics and Breeding of Fruit Plants
affiliated to Rosselkhozacademia,
Michurinsk Russia, E-mail: cglm@rambler.ru
ABSTRACT
On the base of measurement of induction parameters of chlorophyll fluorescence the effect of
higher temperatures and salinity on the efficiency of apple leaves photosynthetic apparatus
functioning was studied. Apple varieties and forms which are highly stable in ratios of real quantum
outlet of photosystem II and relative electron transport rate were isolated.
Key words: breeding, apple, varieties, draught resistance, salinity resistance, chlorophyll
fluorescence.
ЗАЯВКА
на участие в работе международной дистанционной научной конференции
«Интенсификация плодоводства Беларуси: традиции, достижения, перспективы»
Ф.И.О. Савельев Николай Иванович
Место работы, должность, ученая степень, звание
ВНИИГиСПР им. И.В. Мичурина, директор, академик РАСХН, доктор с.-х. наук, профессор
Полный почтовый адрес, почтовый индекс 393770 г. Мичуринск-10 Тамбовская обл., пос.
ЦГЛ, ВНИИГиСПР
Телефон, факс, E-mail тел. 8(47545) 5-78-87, факс 8(47545) 5-79-29, cglm@rambler.ru
Название доклада, авторы «Особенности индукции флуоресценции хлорофилла у
исходных форм яблони при воздействии абиотических стрессоров»
Н.И. Савельев, А.Н. Юшков, Н.В. Борзых, А.В. Хожайнов
16 августа 2010 года
Подпись
______________