УДК 633.111.1:581.132:631.811.91:58.02

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА У РАСТЕНИЙ ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОДНОМ СТРЕССЕ НА ФОНЕ NaCl

А.А. ИВАНОВ

Исследовали O2-газообмен, содержание пигментов и воды в листьях 2-недельных проростков пшеницы (Triticum aestivum L.) в процессе развития водного стресса при различных концентрациях NaCl в субстрате. Уменьшение скорости фотосинтетического выделения кислорода, а также относительного содержания воды (RWC) и хлорофилла в листьях под действием засухи проявлялось только по достижении содержания воды в субстрате ниже определенного уровня. Внесение NaCl отрицательно сказывалось на фотосинтетических и физиологических параметрах при достаточной увлажненности субстрата. При сильном водном стрессе и низких концентрациях (0,05-0,1 М) NaCl в субстрате снижение скорости фотосинтеза и RWC тканей проявлялось в меньшей степени, что способствовало поддержанию жизнеспособности растений. Высокая (0,2-0,3 М) концентрация NaCl приводила к резкому уменьшению фотосинтетической активности. Полученные результаты свидетельствуют о на-личии узкого диапазона концентраций NaCl, оказывающих положительное действие на растения при развитии водного стресса.

Ключевые слова: wheat, water stress, NaCl, O2 exchange, chlorophyll, relative water content.

 

В процессе развития растение подвергается влиянию различных абиотических стрессоров как временного, так и постоянного характера. К кратковременным воздействиям можно отнести засуху. По мере уменьшения содержания влаги в почве ее водный потенциал изменяется незначительно до достижения определенной критической точки, после чего резко возрастает. Такой переход, как правило, определяет начало водного стресса, когда резко сокращается количество доступной для растения воды. Первостепенное значение при этом имеют защитные механизмы и эффективность системы восстановления при нормализации условий произрастания (1). Один из способов противодействия стрессу — накопление в вакуолях осмотически активных веществ (2), благодаря чему выравнивается соотношение давления водяного пара в системе почва—растение. Функцию осмолитиков могут выполнять поглощаемые из почвы минеральные соли, в том числе NaCl.
Повышенное содержание в почве NaCl, который не участвует в метаболизме растения, ведет к ингибированию практически всех жизненно важных функций и рассматривается как отрицательный фактор. Поскольку каждая почва содержит ионы натрия в определенном количестве, эффект солевого фактора можно рассматривать как долговременное воздействие, ведущее к глобальной перестройке метаболических и структурно-функциональных систем растения. Виды растений различаются по степени чувствительности к солевому стрессу, но общей реакцией на условия засоления является сильная задержка роста (3). Наблюдаемое подавление роста часто связывают с уменьшением скорости фотосинтеза, прежде всего в результате изменения активности фотосистемы II (4). Однако данные литературы о степени воздействия засоления на фотосинтез противоречивы. Согласно одним, солевой стресс приводит к снижению фотосинтетической активности (5-7), в то время как в других исследованиях не выявлено существенного влияния NaCl на активность фотосинтетического аппарата (8-11).
В естественных условиях растение чаще всего подвергается одновременному влиянию нескольких стрессовых факторов, результат взаимодействия которых непредсказуем — от взаимного усиления до антагонистического эффекта (12). Известно, что небольшое воздействие одним стрессовым фактором способствует лучшей адаптации растений к другим неблагоприятным фактором среды (13, 14). Вполне вероятно, что NaCl в низких концентрациях положительно влияет на растения пшеницы, подверженные действию других стрессоров. Показано, что активность фотосинтетической аппарата растений — один из параметров, наиболее чувствительных к различным стрессам (15, 16), однако мало внимания уделяется эффекту комбинации солевого и водного стрессов. Важность подобных исследований обусловлена усиливающимся засолением сельскохозяйственных земель, значительная часть которых находится в областях с пониженной водообеспеченностью (17).
Целью нашей работы было выявление функциональных изменений фотосинтетического аппарата проростков пшеницы в условиях постепенного обезвоживания почвы при разном содержании NaCl.
Методика. Растения пшеницы (Triticumaestivum L.) выращивали в сосудах объемом 0,5 л на чистом, хорошо отмытом от любых растворимых соединений речном песке в качестве субстрата в климатической камере ШКВ-1 (Россия). Освещенность, измеряемая с помощью LI-250 QSX-01 quantum meter («Li-Cor», США), составляла 450 мкмол х м-2 х с-1 на уровне верхних листьев. Температура выращивания — 20/17 °С (день/ночь) с 12- часовым фотопериодом. Для экспериментов использовали 10-суточные проростки в фазу появления 2 настоящих листьев, выращенные в бессолевых условиях с максимальной увлажненностью субстрата; полная влагоемкость (ПВ) субстрата соответствовала содержанию 155 мл воды на 1 кг песка. Затем в каждый сосуд вносили различное количество 2,5 М раствора NaCl и дистиллированную воду (до конечной концентрации NaCl 0,05; 0,1; 0,2 и 0,3 М), выравнивая массу сосудов до одного значения с учетом ПВ субстрата. После этого прекращали полив во всех вариантах. Вариант без внесения NaCl использовали в качестве контроля. Эксперименты проводили в течение нескольких суток при постепенном уменьшении содержания воды в почве.
Фотосинтетическое выделение O2 у образцов, вырезанных из листьев пшеницы (18), измеряли в 5-миллилитровой термостатированной ячейке со стандартным платиновым электродом Кларка при интенсивности света 1200 мкмоль фотоно х м-2 х с-1и температуре 28 °C. В исследованиях использовали 50 мМ К-фосфатный буфер (рН 7,5). Перед началом измерений в раствор добавляли избыточное количество бикарбоната натрия для обеспечения снабжения фотосинтетической реакции источником углерода (0,1 мл 0,5 М NaHCO3). Измерение скорости фотосинтеза проводили с помощью полярографа LP-7E (Чешская Республика), начиная с измерения темнового дыхания после 15 мин инкубации образцов в темноте.
Относительное содержание воды (RWC) определяли на отрезках листьев (20 мм) по соотношению сырой (FW) и сухой (DW) биомассы согласно уравнению RWC = 100 х (FW − DW)/(TW − DW). Величину TW (сырая биомасса листьев при полном водном насыщении) измеряли, помещая отрезки листьев в дистиллированную воду при 20 °C на слабом свету на 24 ч, DW — после высушивания листьев в термостате при 75 °C в течение 48 ч (19).
Количество пигментов регистрировали после гомогенизации листьев в фарфоровой ступке с добавлением CaCO3 и экстракции пигментов 80 % ацетоном на однолучевом спектрофотометре GenesysTM 10uv («Thermo Spectronic», Lanham, MD, США) при длинах волн 470, 646 и 663 нм. В работе использовали коэффициент экстинкции для 80 % ацетона (20).
Опыты выполняли в 3-5 биологических повторностях. Обработку данных осуществляли с помощью статистической программы. В таблице приведены средние величины и стандартное отклонение 3-5 независимых измерений. Во всех экспериментах измерения проводили в 3 аналитических повторностях.
Результаты. Динамика изменения относительной влажности субстрата представлена в таблице. В контроле в отсутствие NaCl скорость фотосинтетического выделения О2 листьями пшеницы оставалась неизменной вплоть до определенного критического уровня увлажненности (рис. А, а). Дальнейшее снижение содержания воды в субстрате приводило к резкому падению фотосинтетической активности и гибели растений. Возможно, при низком содержании влаги резко возрастает водный потенциал субстрата, в результате чего сокращается количество доступной для растения воды. Добавление 0,05 M NaCl (первоначальная концентрация) приводило к снижению выделения О2 листьями при нормальном увлажнении субстрата, но позволяло поддерживать фотосинтез растений при содержании воды в субстрате ниже значения, критического для контрольного варианта (около 10 % ПВ). Положительное действие NaCl начинало проявляться именно при очень малых количествах воды в субстрате. Максимальный положительный эффект при низком содержании воды наблюдался при повышении концентрации NaCl до 0,1 М.
Присутствие соли увеличивает водоудерживающую способность субстрата, однако повышает и ее осмотический потенциал, что при засухе усиливает дефицит доступной воды. В некоторой степени растение может компенсировать возрастающую разность водных потенциалов субстрат/растение за счет транспорта ионов натрия в вакуоли клеток. При слишком высоком содержании NaCl в субстрате (0,3-0,4 М) начинает проявляться действие солевого стресса, что приводит к четко выраженному снижению скорости фотосинтеза даже в условиях нормального увлажнения субстрата.

Динамика изменения относительной влажности субстрата (% от ПВ) по вариантам опыта в зависимости от концентрации NaCl в среде в течение 216-часовой засухи

Время, ч

Н20 (контроль)

0,05 М

0,1 М

0,2 М

0,3 М

0

100

100

100

100

100

24

42,6

69,2

73,8

77,5

86,6

48

21,4

49,7

58,3

62,1

74,4

72

9,2

29,9

38,9

41,5

56,6

96

3,5

13,9

21,8

25,2

35,5

120

0,4

7,1

13,0

15,1

24,6

144

0,1

3,0

7,3

8,8

15,1

168

0

0,8

4,2

5,8

10,2

192

0

0,1

1,8

3,3

6,3

216

0

0

0,5

1,5

3,6

Сходный эффект наблюдали при определении оводненности листьев при различном содержании воды и соли в субстрате (см. рис. Б, а). Присутствие NaCl в начальной концентрации 0,05-0,1 М приводило к некоторому снижению оводненности у растений в нормальных условиях (скорее всего, в результате осмотического действия соли), но способствовало поддержанию их водного баланса даже при низком содержании воды в субстрате. Дальнейшее повышение засоленности субстрата (до 0,3-0,4 М) инициировало солевой стресс, усиливающий действие засухи. Содержание хлорофилла a + b и RWC в листьях уменьшались синхронно, мало изменяясь при низком содержании соли (см. рис. В, а). NaCl в высокой (0,3-0,4 М) концентрации способствовал быстрому разрушению пигмента даже в условиях нормального увлажнения субстрата. Соотношение количества хлорофилла a и b почти не изменялось на протяжении эксперимента во всех вариантах даже в начале периода резкого уменьшения количества пигментов при низком содержании воды. Возможно, это связано с относительно быстрым обезвоживанием растений, приводящим к инактивации хлоропластов.


Фотосинтетическое выделение О2 (А), относительное содержание воды в тканях (Б) и содержание хлорофилла a + b (В) в зависимости от влажности субстрата в процессе развития водного стресса 1-го листа проростков пшеницы на фоне различных концентраций NaCl (a) и 1-го и 2-го в присутствии 0,1 М NaCl в субстрате (б): 1-5 — соответственно контроль (H2О), 0,05 М NaCl, 0,1 М NaCl, 0,2 М NaCl и 0,3 М NaCl; 6 и 7 — соответственно 1-й и 2-й лист.

Как отмечалось, в работах ряда авторов показано, что при высокой концентрации соли в су-бстрате происходит повреждение фотосинтетического аппарата (6, 7), тогда как внесение малых количеств NaCl приводит к увеличению его термостабильности (15, 16). Сходное влияние оказывает водный стресс, который по механизму действия во многом схож с солевым (21). Не исключено, что увеличение термостабильности растений при солевой предобработке и водном стрессе представляет собой часть механизма защиты от осмотического стресса или некого общего защитного механизма, который, вероятно, контролируется на генетическом уровне.
Процессы, лежащие в основе защитного действия NaCl на фотосинтетический аппарат, неясны. Возможно, NaCl инициирует образование веществ, повышающих стабильность мембран тилакоидов. Осмолиты, например глицинбетаин, способны накапливаться в хлоропластах и повышать стабильность фотосинтетического аппарата при температурном стрессе (22-24). Не исключено существование подобного механизма при водном стрессе. Действительно, при солевом (25, 26) или водном (27) стрессе растения накапливают сахара и белки. Быстрая адаптация растений к изменяющимся условиям среды имеет важное физиологическое значение, увеличивая шансы на выживание.
Особый интерес представляет изучение фотосинтеза в листьях разного возраста у одного растения, поскольку в неблагоприятных условиях наблюдается гибель в первую очередь старых листьев (1-й лист, или 1-й ярус снизу), а молодые сохраняют высокую активность (2-й лист, или 2-й ярус снизу). В наших экспериментах изменение скорости фотосинтетического выделения О2 при развитии водного стресса практически совпадало у листьев обеих возрастных категорий. Однако молодые листья в присутствие малых количеств (0,1 М) NaCl в субстрате проявляли более высокую фотосинтетическую активность на всех этапах развития засухи (см. рис. А, б). В отличие от листьев старшего возраста молодые содержали меньше хлорофилла (см. рис. В, б) и имели меньшую оводненность тканей. Поэтому их высокая фотосинтетическая активность скорее связана не с лучшей водообеспеченностью (см. рис. Б, б), а с перераспределением потоков поступающего в растение NaCl. Ионы натрия способствуют поддержанию водного баланса целого растения в условиях засухи, но поскольку NaCl поступает прежде всего в более старые листья, молодые оказываются в лучших условиях в связи с меньшим ингибирующим действием соли. В контроле (отсутствие соли в среде) различия в активности фотосинтеза у листьев разного возраста мы не выявили.
Таким образом, растения пшеницы, находящиеся в условиях острого водного дефицита, имеют больший шанс выжить на фоне не вызывающих сильного солевого стресса малых количеств NaCl в субстрате. Диапазон концентраций соли, оказывающих положительное действие в условиях водного дефицита, узок — от 0,05 до 0,1 М (начальная концентрация при максимальном увлажнении субстрата). В присутствие NaCl растения поддерживают жизнеспособность, несмотря на резкое увеличение водного потенциала субстрата при малом содержании влаги, приводящее их к гибели в бессолевом варианте.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Y o r d a n o v  I.,  V e l i k o v a  V.,  T s o n e v  T. Plant responses to drought, acclimation, and stress tolerance. Photosynthetica, 2000, 38: 171-186.
2. S a c h s  M.M.,  H o  T.-H.D. Alteration of gene expression during environmental stress in plants. Ann. Rev. Plant Physiol., 1986, 37: 363-376.
3. M u n n s  R.,  T e r m a a t  A. Whole plant responses to salinity. Aust. J. Plant Physiol., 1986, 13: 143-160.
4. B a k e r  N.R. Possible role of photosystem II in environmental perturbations of photosynthesis. Physiologia Plantarum, 1991, 81: 563-570.
5. B o n g i  G.,  L o r e t o  F. Gas-exchange properties of salt-stressed olive (Olea europea L.) leaves. Plant Physiol., 1989, 90: 1408-1416.
6. M i s h r a  S.K.,  S u b r a h m a n y a m  D.,  S i n g h a l  G.S. Interactionship between salt and light stress on the primary process of photosynthesis. J. Plant Physiol., 1991, 138: 92-96.
7. M a s o j i d e k  J.,  H a l l  D.O. Salinity and drought stresses are PSII thermostability in salt-adapted plants 859 amplified by high irradiance in sorghum. Photosynthetica, 1992, 27: 159-171.
8. R o b i n s o n  S.P.,  D o w n t o n  W.J.S.,  M i l l h o u s e  J. Photosynthesis and ion content of leaves and isolated chloroplasts of salt-stressed spinach. Plant Physiol., 1983, 73: 238-242.
9. B r u g n o l i  E.,  B j ö r k m a n  O. Growth of cotton under continuous salinity stress: influence on allocation pattern, stomatal and non-stomatal components of photosynthesis and dissipation of excess light energy. Planta, 1992, 187: 335-345.
10. M o r a l e s  F.,  A b a d i a  A.,  G o m e z - A p a r i s  J.,  A b a d i a  J. Effects of combined NaCl and CaCl2 salinity on photosynthetic parameters of barley grown in nutrient solution. Physiologia Plantarum, 1992, 86: 419-426.
11. A b a d i a  A.,  B e l k o h o d j a  R.,  M o r a l e s  F.,  A b a d i a  J. Effects of salinity on the photosynthetic pigment composition of barley (Hordeum vulgare L.) growth under a triple-line-source sprinkler system in the field. J. Plant Physiol., 1999, 154: 392-400.
12. O s m o n d  C.B.,  A u s t i n  M.P.,  B e r r y  J.A.,  B i l l i n g s  W.D.,  B o y e r  J.S.,  D a-
c e y  W.J.H.,  N o b e l  P.S.,  S m i t h  S.D.,  W i n n e r  W.E. Stress physiology and the distribution of plants. BioScience, 1986, 37: 38-48.
13. L u  C.,  Q i u  N.,  W a n g  B.,  Z h a n g  J. Salinity treatment shows no effects on photosystem II photochemistry, but increases the resistance of photosystem II to heat stress in halophyte Suaeda salsa. J. Exp. Bot., 2003, 54: 851-860.
14. W e n  X.,  Q i u  N.,  L u  Q.,  L u  C. Enhanced thermotolerance of photosystem II in salt-adapted plants of the halophyte Artemisia anethifolia. Planta, 2005, 220: 486-497.
15. B e l k h o d j a  R.,  M o r a l e s  F.,  A b a d i a  A.,  G o m e z - A p a r i s i  J.,  A b a d i a  J. Chlorophyll fluorescence as a possible tool for salinity tolerance screening in barley (Hordeum vulgare L.). Plant Physiol., 1994, 104: 667-673.
16. E v e r a r d  J.D.,  G u c c i  R.,  K a n n  S.C.,  F l o r e  J.A.,  L o e s c h e r  W.H. Gas exchange and carbon partitioning in the leaves of celery (Apium graveolens L.) at various levels of root zone salinity. Plant Physiol., 1994, 106: 281-292.
17. E p s t e i n  E.,  N o r l y n  J.O.,  R u s h  D.W.,  K i n g s b u r y  R.W.,  K e l l e y  D.B., C u n n i n g h a m  G.A.,  W r o n a  A.F. Saline culture of crops. Science, 1980, 210: 399-404.
18. B i l’  K.Ya.,  F o m i n a  I.R.,  T s e n o v a  E.N. Effects of nitrogen nutrition on photosynthetic enzyme activities, type of photosynthates and photosystem 2 activity in maize leaves. Photosynthetica, 1985, 19: 216-220.
19. P a r d o s s i  A.,  V e r n i e r i  P.,  T o g n o n i  F. Involvement of abscisic acid in regulating water status in Phaseolus vulgaris L. during chilling. Plant Physiol., 1992, 100: 1243-1250.
20. L i c h t e n t h a l e r  H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomenbranes. Meth. Enzymol., 1987, 148: 350-382.
21. L u  C.,  Z h a n g  J. Effects of water stress on photosystem II photochemistry and its thermostability in wheat plants. J. Exp. Bot., 1999, 50: 1199-1206.
22. M u r a t a  N.,  M o h a n t y  P.S.,  H a y a s h i  H.,  P a p a g e o r g i o u  G.C. Glycinebetaine stabilizes the association of extrinsic proteins with the photosynthetic oxygen-evolving complex. FEBS Lett., 1992, 296: 187-189.
23. P a p a g e o r g i o u  G.C.,  M u r a t a  N. The unusually strong stabilizing effects of glycinebetaine on the structure and function of the oxygen-evolving photosystem II complex. Photosynt. Res., 1995, 44: 243-252.
24. A l l a k h v e r d i e v  S.I.,  F e y z i e v  Y.M.,  A h m e d  A.,  H a y a s h i  H.,  A l i e v  J.A.,  K l i m o v  V.V.,  M u r a t a  N.,  C a r p e n t i e r  R. Stabilization of oxygen evolution and primary electron transport reactions in photosystem II against heat stress with glycinebetaine and sucrose. J. Photochem. Photobiol, B: Biol., 1996, 34: 149-157.
25. G r e e n w a y  H.,  M u n n s  R. Mechanisms of salt tolerance in nonhalophytes. Ann. Rev. Plant Physiol., 1980, 31: 149-190.
26. I m a m u l  H u q  S.M.,  L a r h e r  F. Osmoregulation in higher plants: effect of maintaining a constant Na:Ca ratio on the growth, ion balance and organic solute status of NaCl-stressed cowpea (Vigna sinensis L.). Zeitschrift fur Pflanzenphysiologie, 1984, 113: 163-176.
27. S e e m a n n  J.R.,  D o w n t o n  W.J.S.,  B e r r y  J.A. Temperature and leaf osmotic potential as factors in the acclimation of photosynthesis to high temperature in desert plants. Plant Physiol., 1986, 80: 926-930.

 

FUNCTIONAL CHANGES OF PHOTOSYNTHETIC APPARATUS IN WHEAT PLANTS AT WATER STRESS AGAINST THE BACKGROUND OF NaCl

A.A. Ivanov

O2-gas exchange, the pigments contents and water status in leaves of 2-week wheat seed-lings (Triticum aestivum L.) during development of water stress at various concentrations of NaCl in soil were investigated. The decrease in rate of photosynthetic oxygen evolution, the relative water content (RWC) and chlorophyll content in leaves under drought conditions was shown only after achievement of the water contents in soil below the certain critical level. NaCl negatively affected photosynthetic and physiological parameters at sufficient water contents in soil аt strong water stress.

Key words: wheat leaf rust, brown rust of wheat, pathogenesis, Thatcher isogenic lines, Lr-genes.

Институт фундаментальных проблем
биологии РАН,

142290 Московская обл., г. Пущино, ул. Институтская, 2,
e-mail: demfarm@mail.ru

Поступила в редакцию
25 марта 2009 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало