Устойчивость ценозов сyperus esculentus l. к супероптимальной температуре в зависимости от основных факторов внеш ней среды (применительно к бтсжо)
На правах рукописи
Шклавцова Екатерина Сергеевна УСТОЙЧИВОСТЬ ЦЕНОЗОВ Сyperus esculentus L. К СУПЕРОПТИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ ВНЕШ НЕЙ СРЕДЫ (ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БТСЖО) 03.01.05 – физиология и биохимия растений
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Красноярск – 2012 2
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте биофизики Сибирского Отделения РАН.
Научный консультант: кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Ушакова Софья Аврумовна.
Официальные оппоненты: Судачкова Нина Евгеньевна, доктор биологиче ских наук, профессор, Институт леса СО РАН им.
В.Н. Сукачева, отдел физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений, г.н.с.
Табаленкова Галина Николаевна доктор биологи ческих наук, доцент, Институт биологии Коми на учного центра Уро РАН, лаборатория экологиче ской физиологии растений, в.н.с.
Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
Защита состоится «25» мая 2012 года в 15-30 часов на заседании диссертационного совета ДМ212.099.15 при ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»:
660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. Р8-06.
Факс: (391) 244-86-25.
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибир ский федеральный университет»:
Автореферат разослан «_» 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Гаевский Николай Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ: температура воздуха является одним из основных факторов регулирования процессов роста и развития растений. При функ ционировании биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО), в состав фотосинтезирующего блока которых входит звено высших растений, важно поддер жание температуры в зоне оптимума. Для удовлетворения потребности человека в растительных жирах в состав звена высших растений предполагается включить рас тения чуфы (Гительзон и др., 1975;
Gitelson et al. 2003). В связи с тем, что устойчи вость фотосинтезирующего звена к воздействию экстремальных факторов среды оп ределяется устойчивостью входящих в него звеньев, необходимо экспериментально оценить устойчивость растений чуфы к действию тех или иных стресс-факторов. Од ним из таких факторов может быть повышение температуры воздуха в БТСЖО (из-за отказов в системе регулирования температуры воздуха) до значений, приводящих к необратимым нарушениям фотосинтетических процессов. Так как одним из возмож ных способов повышения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО может быть использование минерализованных плотных и жидких выделений челове ка в качестве основы для приготовления питательных растворов для выращивания растений, необходимо знать, как это может повлиять на устойчивость растений к дей ствию стресс-фактора. Поэтому важно оценить устойчивость ценозов чуфы к дейст вию повреждающей температуры воздуха в зависимости от условий предварительно го выращивании и выяснить возможные способы повышения термоустойчивости.
ЦЕЛЬ: исследование устойчивости ценозов чуфы (Cyperus esculentus L.) к воз действию супероптимальной температуры воздуха 45°С в зависимости от условий минерального питания, интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) во время стресса и длительности действия стресс-фактора.
ЗАДАЧИ:
1). Оценить устойчивость ценозов чуфы к кратковременному ступенчатому по вышению температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время стресса.
2). Оценить влияние воздействия высокой температуры воздуха различной дли тельности на СО2-газообмен и состояние фотосинтетического аппарата ценозов чуфы.
3). Оценить влияние условий минерального питания на СО2-газообмен и со стояние фотосинтетического аппарата ценозов чуфы во время ТШ.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Показано, что в ответ на повреждающее воздействие высокой температуры у ценозов чуфы возникает фаза реакции, длительностью не ме нее 1 ч. По величине и характеру фазы реакции нельзя судить об адаптационных воз можностях ценозов чуфы в фазе реституции.
Показано, что ценозы чуфы, выращенные в условиях интенсивной светокуль туры при оптимальных условиях внешней среды, способны выдерживать воздействие температуры воздуха 45°C в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинте тического аппарата.
Показано, что повышение интенсивности ФАР во время действия стресс фактора, вне зависимости от условий минерального питания и исследуемой длитель ности экспериментов, снижает повреждающее воздействие повышенной температуры воздуха.
Установлено, что выращивание ценозов чуфы на питательных растворах, при готовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с преимущест венно нитратной формой азота, повышает их устойчивость к действию суперопти мальных температур по сравнению с ценозами чуфы, выращенными на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Полученные результаты вносят вклад в представления о физиологии устойчивости ценозов растений к повышенным темпе ратурам воздуха в зависимости от условий предварительного выращивания и внеш них факторов среды.
Полученные результаты могут быть использованы при создании биолого технических систем жизнеобеспечения высокой степени замкнутости.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1) Ценозы чуфы способны выдерживать воздействие повышенной температуры воздуха в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.
2) Повышение интенсивности ФАР от 150 до 250 Вт/м2 и увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата увеличивает термоустойчи вость ценозов чуфы.
3) Устойчивость ценозов чуфы к действию температуры воздуха 45°С зависит от условий минерального питания. Выращивание ценозов чуфы методом гидропони ки на керамзите с использованием растворов, приготовленных на основе минерализо ванных экзометаболитов человека, содержащих азот в аммонийной и амидной фор мах, понижает устойчивость ценозов к действию температуры 45°С по сравнению с ценозами, выращенными на растворах, содержащих азот в нитратной форме.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты исследований были доложены на VI-й Международной научной конференции, г. Минск, Белоруссия в 2009 г;
на 38-й Меж дународной конференции Коспар в г. Бремен, Германия в 2010 г;
на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. А.М. Горького, г. Екатеринбург, Рос сия в 2010 г;
на конференции молодых ученых Института биофизики СО РАН, г.
Красноярск, Россия в 2010 г;
на Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс», Мо сква, Россия в 2010 г;
на VII Съезде Общества физиологов растений России, г. Ниж ний Новгород, Россия 2011 г.
По теме диссертационной работы было опубликовано 9 печатных работ, из них 4 печатные работы опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (2 статьи в журналах, издаваемых в России, и 2 в журналах, издаваемых за рубежом).
ВКЛАД АВТОРА. Проведение экспериментов, обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертационная работа изложена на страницах, состоит из введения, обзора литературы (1 глава), методики (1 глава), ре зультатов собственных исследований (2 главы), заключения и выводов. В работе со держится 18 таблиц и 21 рисунок. Список цитируемой литературы насчитывает источников, в том числе 53 иностранных.
Работа выполнена в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Инсти тута биофизики СО РАН г. Красноярска под руководством к.б.н. Ушаковой С.А. Ав тор выражает благодарность Волковой Э.К., Паршиной О.В., сотрудникам аналитиче ской лаборатории Института биофизики СО РАН (заведующая лабораторией к. б. н.
Калачева Г.С.), а также всем сотрудникам лаборатории УБФ, способствовавшим вы полнению данной работы. Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю Ушаковой Софье Аврумовне за поддержку и ценные советы при вы полнении данной работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
.
Введение. Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и за дачи, показана научная новизна и практическая значимость проведенных исследова ний.
Глава 1. Обзор литературы содержит основные сведения об устойчивости растений к повышенным температурам на уровне клетки, целого растительного орга низма и на уровне ценоза. Также приведены сведения об изучаемом виде, об его осо бенностях и распространении в природе.
Глава 2. Объект и методы исследования. В качестве объекта исследования был взят 28 или 30 суточный ценоз растений чуфы (Cyperus esculentus L.), выращен ный в условиях светокультуры методом гидропоники на керамзите. Плотность посева составляла 190 растений на 1 м2, высота растений в 30-суточном возрасте составляла 30 – 40 см. Освещенность уменьшалась в % от значения на поверхности ценоза: в глубине ценоза составляла 30%, а у корня – 10-12%.
Для выращивания растений чуфы использовали следующие типы растворов:
1 - раствор Кнопа (заменяли на новый каждые 2 недели);
2 - раствор на основе мине рализованных по методу Куденко Ю.А. экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формами азота;
3 - раствор на основе минерализованных по методу Куденко Ю.А. экзометаболитов преимущественно с нитратной формой азота (Кudenko et al, 2000;
Ushakova et al, 2009).
До 30 суточного возраста растения были выращены при 150 Вт/м2 ФАР, круг лосуточном освещении, температуре воздуха 25°С±1° и естественной концентрации СО2 – 0,034 %. Для освещения использовались лампы ДМ-3000.
Условия проведения ТШ. Измерения для получения температурных кривых ви димого фотосинтеза были проведены при 150 Вт/м2 и 250 Вт/м2 ФАР у ценозов чуфы в возрасте 28 суток, выращенных как на растворе Кнопа, так и на растворах, приго товленных на основе минерализованных экзометаболитов, длительность воздействия определенной температуры составляла 1ч. Длительное воздействие в течение 44 ч при 150 Вт/м2 ФАР повышенной температурой воздуха 45°С±1° проводили в возрасте суток у растений, выращенных на растворе Кнопа. Воздействие повышенной темпе ратурой в течение 20 ч проводили у растений чуфы выращенных на растворе Кнопа и на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов при ин тенсивностях ФАР: 150 и 250 Вт/м2. Во время ТШ полив осуществляли через 6 ч или 3 ч, при поливе температура субстрата понижалась с 37°С до 28°С.
Методы оценки состояния растений. Термоустойчивость растений чуфы оценивали по следующим показателям:
по параметрам внешнего СО2 газообмена, по содержанию фотосинтетических пиг ментов, по показателям импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла ФС 2, по интенсивности перекисного окисления липидов листьев растений, по содержа нию макроэлементов в листьях растений, по биохимическому составу листьев расте ний.
Полученные результаты статистически обработаны. Достоверности отличий при 5% уровне значимости () были оценены с помощью критерия t – Стьюдента (Ла кин, 1990).
Глава 3. Оценка временных пределов устойчивости ценозов чуфы (Сyperus escu lentus L.) к воздействию температуры воздуха 45°С Температурные кривые видимого фотосинтеза ценозов чуфы. Для выбора величины теплового воздействия и сравнительной оценки устойчивости ценозов чу фы к действию повышенных температур в зависимости от условий минерального пи тания и интенсивности ФАР во время стресса были сняты температурные кривые ви димого фотосинтеза при 150 Вт/м2 и 250 Вт/м2 ФАР. Длительность экспозиции при постоянной температуре воздуха составляла 1 ч.
При кратковременном повышении температуры воздуха от 20°С до 40°С при 150 Вт/м2 ФАР наблюдалось снижение интенсивности Рвид: у растений, выращенных на растворе Кнопа в 12,3 раза, на растворе, приготовленном на основе экзометаболи тов с аммонийной и амидной формами азота, в 4,5 раза и на растворе, приготовлен ном на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой азота, в 2, раза.
Повышение интенсивности ФАР во время ТШ приводило к увеличению интен сивности Рвид и к увеличению термоустойчивости фотосинтетических процессов, что отразилось на сглаживании температурной кривой (рис.1).
а б Рис. 1. Зависимость интенсивности Рвид ценозов чуфы от температуры воздуха и интенсивно сти ФАР (в % от Рвид при 25°С). а). 150 Вт/м2 ФАР;
б). 250 Вт/м2 ФАР. 1- раствор Кнопа;
2 раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N;
3- раствор на основе минерализованных экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N.
Кроме того, наиболее устойчивыми к повышению температуры оказались рас тения, выращенные на растворе с добавлением экзометаболитов с преимущественно нитратной формой азота (рис 1 а, б). Наименьшая термоустойчивость при 150 Вт/м ФАР оказалась у растений, выращенных на растворе Кнопа, а при 250 Вт/м2 – у рас тений, выращенных на растворах, приготовленных на основе минерализованных эк зометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.
Влияние 44 ч ТШ на СО2-газообмен ценозов чуфы. На основании полученных кривых зависимости Рвид. от температуры воздуха, было предположено, что длитель ное воздействие температурой воздуха 45С может привести к значительным повреж дениям фотосинтетического аппарата растений чуфы. Поэтому в следующей серии экспериментов была исследована устойчивость растений чуфы к длительному воз действию повреждающей температуры воздуха 45°С. Воздействие повреждающей температуры воздуха 45°С в течение 44 ч при 150 Вт/м2 ФАР и поливе растений через 6 ч приводило к необратимым повреждениям фотосинтетического аппарата (ФСА).
Как видно из рис.2 интенсивность выделения СО2 на свету в начале воздействия по абсолютной величине была близка к интенсивности Рвид до стресса.
Рис. 2. Видимый СО2 газообмен 30-суточных ценозов чуфы в течение 44 ч воздействия тем пературы воздуха 45С, при поливе через каждые 6 часов (интенсивность ФАР 150 Вт/м2) Через 30 ч ТШ интенсивность выделения СО2 на свету уменьшилась до 30% от абсолютных значений интенсивности Рвид до стресса. В конце ТШ интенсивность вы деления СО2 оставалась примерно на том же уровне (рис. 2). К моменту окончания ТШ листья почти полностью засохли, но через несколько суток после окончания ТШ от точки роста начали отрастать новые листья. Следовательно, корневая система рас тений чуфы и точка роста остались жизнеспособными, и поэтому было возможно вос становление роста даже после такого длительного теплового стресса.
Влияние 44 ч ТШ на СО2-газообмен ценозов чуфы при регулярном поливе че рез 3 ч. При нарушении терморегуляции в БТСЖО увеличение частоты полива, при поддержании температуры питательного раствора на оптимальном для растений уровне, должно облегчить состояние растений в период воздействия супероптималь ной температуры. Поэтому в следующей серии экспериментов частота полива была увеличена: поливать стали через каждые 3 часа.
При интенсивности ФАР 150 Вт/м2 в начале воздействия повышенной темпера туры наблюдалось выделение СО2 на свету с интенсивностью, на 28 % превышающей исходную величину интенсивности Рвид. Затем, через 4 часа фактический фотосинтез (Рфакт) стал преобладать над дыханием, в результате чего интенсивность Рвид стала по ложительной. Через 20 ч ТШ интенсивность Рвид стала на 36%, а через 44 ч на 27% ниже исходного значения (рис. 3).
Рис.3. Видимый СО2 газообмен 30-суточных растений чуфы в течение 44 ч воздействия температуры воздуха 45С при поли ве через каждые 3 ч.
При интенсивности ФАР 250 Вт/м2 в начале ТШ интенсивность выделения СО составляла 46% от модуля исходной величины Рвид, а через 2,5 часа не отличалась от исходного значения. Через 20 ч и 44 ч ТШ Рвид был выше исходного значения на 42 и 48%, соответственно (рис. 3).
В конце ТШ при 150 Вт/м2 ФАР интенсивность дыхания повысилась на 50%, при этом фактический фотосинтез не отличался от исходного значения, а видимый фотосинтез и эффективность усвоения СО2 были ниже соответствующих исходных значений (рис. 4). ТШ при 250 Вт/м2 привел к повышению фактического фотосинтеза, интенсивности дыхания и видимого фотосинтеза более, чем в 2 раза, при этом эффек тивность усвоения СО2 не отличалась от исходного значения. Через 1,5 ч репарации после ТШ при 150 Вт/м2 интенсивности фотосинтеза и дыхания снизились, но при этом эффективность усвоения СО2 стала на 17% выше. Через 1,5 ч после ТШ при Вт/м2 показатели фотосинтеза и дыхания снизились по сравнению со значениями в конце стресса, а эффективность усвоения СО2 стала выше. Через 24 ч репарации все параметры СО2-газообмена у обоих вариантов опыта стали близки к исходным значе ниям, либо несколько выше них (рис. 4).
Рис.4. Влияние 44 ч ТШ на показатели видимого СО2-газообмена растений чуфы, выращен ных на растворе Кнопа, % исходному.
Табл. 2.
Влияние 44 ч ТШ на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, мг/г сухой массы.
ФАР, Стадия экспери- Хла (ФС)/ Хл (а+б) Хл.а/хл.б каротиноиды Вт/ м мента Хла+б(ССК) 0, до ТШ 14,9 ± 0,7 2,7 2,8 ± 0, 150 0, 44 ч ТШ 14,8 ± 0,1 2,7 2,9 ± 0, 0, 24 ч репарации 14,1 ± 0,4 2,8 3,2 ± 0, 0, до ТШ 11,0 ± 0,4 2,7 2,2 ± 0, 250 0, 44 ч ТШ 14,2 ± 0,6 2,4 3,3 ± 0, 0, 24 ч репарации 13,9 ± 0,5 2,7 3,1 ± 0, Судя по содержанию фотосинтетических пигментов (табл.2), воздействие стресс-фактора не вызвало значимых нарушений структуры фотосинтетического ап парата, поскольку не произошло ни снижения содержания фотосинтетических пиг ментов, ни существенного изменения их соотношений (Дроздов и др., 1984).
Таким образом, увеличение частоты полива, как и предполагалось, привело к увеличению устойчивости растений чуфы к длительному воздействию ТШ и выходу Рвид примерно через 20 ч стресса на новый стационарный уровень. При этом, при ин тенсивности ФАР 150 Вт/м2 этот уровень несколько ниже исходного значения Рвид, а при более высокой интенсивности ФАР он более чем в 2 раза выше исходного значе ния Рвид.
Глава 4. Влияние 20 ч ТШ на устойчивость растений чуфы (Сyperus esculentus L.) К воздействию повышенной температуры воздуха в зависимости от интенсивно сти ФАР и условий минерального питания Влияние минерального состава растворов для выращивания растений на массу растений чуфы к моменту начала эксперимента. Исходя из предположения, что в БТСЖО экзометаболиты человека после необходимой обработки (Kudenko et al, 2000) будут использованы для приготовления питательных растворов для выращива ния растений, дополнительным стрессовым фактором могут оказаться условия мине рального питания растений.
Таблица 3.
Минеральный состав растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометабо литов человека, мг/л.
Вариант опыта P S K Na Nам Nнитр Nобщ Аммонийная и амид 22,1 20,1 66,7 106,7 214 3,05 224, ная форма N Преимущественно 27,4 18,8 66,1 95,9 15,4 146,7 нитратная форма N В таблице 3 приведен минеральный состав растворов, приготовленных на ос нове минерализованных экзометаболитов человека (табл. 3).
Табл. 4.
Масса ценозов чуфы в возрасте 30 суток, выращенных на различных питательных растворах, г.
надземная масса. г сухая масса Условия минерального питания % сухого корней, г сырая сухая вещества 351,3 ± 32,3 55,9 ± 5, Раствор Кнопа 15,9 19, Раствор на основе минерализо ванных экзометаболитов с ам 219,0 ± 22,6 29,4 ± 3,0 13,4 12, монийной и амидной формами N Раствор на основе минерализо 572,4 ± 45,2 89,4 ± 7, ванных экзоме-таболитов с 15,6 24, нитратной формой N Как видно из таблицы 4, масса надземной части 30-суточных ценозов, выра щенных на растворе с добавлением минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота, в 1,6 раза больше, чем у растений, выращенных на растворе Кнопа, по проценту сухого вещества достоверных отличий не наблюдалось. Наименьшая масса надземной части была у ценозов, выращенных на растворе с добавлением минерали зованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой азота: в 1,3 раза меньше, чем у растений, выращенных на растворе Кнопа (табл. 4).
Таким образом, выращивание растений чуфы на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота, ускоряло рост растений чуфы, а у растений с аммонийной и амидной формой азота в растворе масса надземной массы была наименьшей (табл. 4). Вероятно, это связано с особенностью в потребности чуфы в определенных формах азотного питания.
Влияние 20 ч ТШ на СО2-газообмен растений чуфы в зависимости от ин тенсивности ФАР и условий минерального питания. В начале ТШ при интенсив ности ФАР 150 Вт/м2 во всех вариантах наблюдалось выделение СО2 на свету, при чем, у растений, выращенных на растворе Кнопа и на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной фор мой азота, интенсивность выделения СО2 на свету была близка по модулю к исходно му значению Рвид, а на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзо метаболитов с нитратной формой азота – в 2,4 раза выше него (рис. 7).
Рис. 5. Видимый СО2 газообмен 30-суточных ценозов чуфы, во время 20-часового воздейст вия температуры 45°С при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 в зависимости от условий мине рального питания:
1- раствор Кнопа;
2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формами N;
3- раствор на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N.
В дальнейшем, в зависимости от условий минерального питания, при 150 Вт/м ФАР происходило восстановление фотосинтетической активности. У растений, вы ращенных на растворе Кнопа, фотосинтез стал преобладать над дыханием через 3 ча са, у растений с раствором на основе минерализованных экзометаболитов с нитратной формой азота – через 9 часов. У растений с аммонийной и амидной формой азота в растворе через 9 часов интенсивность Рвид. стала близка к нулю и такой же осталась через 20 ч ТШ. У растений на растворе Кнопа через 20 ч ТШ интенсивность Рвид стала близка к исходному значению, а на растворе с минерализованными экзометаболитами с преимущественно нитратной формой N в растворе – составила 55% от исходной ве личины (рис 5).
При 250 Вт/м2 ФАР в начале ТШ также наблюдалось выделение СО2 на свету, однако повышение интенсивности ФАР снижало эту величину. Через 2 ч у растений на растворе Кнопа и на растворе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота и через 4 ч на растворе с экзометаболитами, содержащими азот в нитратной форме, фотосинтез стал преобладать над дыханием (рис.6).
Рис. 6. Видимый СО2 газообмен 30-суточных ценозов чуфы, во время 20-часового воздейст вия температуры 45°С при интенсивности ФАР 250 Вт/м2 в зависимости от условий мине рального питания:
1- раствор Кнопа;
2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N;
3- раствор на основе экзометаболитов с нитратной формой N.
К концу ТШ интенсивность Рвид у растений на растворе Кнопа и на растворе с экзометаболитами, содержащими азот в нитратной форме стала на 58% и на 30% вы ше исходного значения, соответственно, а на растворе, содержащем азот в аммоний ной и амидной формах Рвид достоверно не отличался от исходного значения при ин тенсивности ФАР 150 Вт/м2 (рис. 6).
Рис.7. Составляющие видимого СО2-газообмена растений чуфы, до и после 20 ч воздействия температуры воздуха 45оС при интенсивности ФАР 150 Вт/м2, % от исходного. 1- раствор Кнопа;
2- раствор на основе эк зометаболитов с аммонийной и амидной формой N;
3- раствор на основе экзометаболитов с пре имущественно нитратной фор мой N.
Рис. 8. Составляющие видимого СО2-газообмена растений чуфы, до и после 20 ч воздействия температуры воздуха 45оС при интенсивности ФАР 250 Вт/м2, % от исходного. 1- раствор Кно па;
2- раствор на основе экзоме таболитов с аммонийной и амидной формой N;
3- раствор на основе экзометаболитов с преимущественно нитратной формой N Таким образом, исходя из показателей видимого СО2-газообмена, наибольшему повреждению подверглись растения, выращенные на растворе, приготовленном на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной фор мами азота при 150 Вт/м2. Выращивание растений чуфы на растворе с минерализо ванными экзометаболитами, содержащими азот в преимущественно нитратной фор ме, снижало негативный эффект повышенной температуры на показатели видимого СО2- газообмена (рис. 5, 7). Увеличение интенсивности ФАР приводило к снижению негативного влияния высокой температуры на показатели видимого СО2-газообмена (рис. 8) и к стимуляции процесса фотосинтеза (рис. 6, 8), что уже отмечалось ранее при рассмотрении температурных кривых видимого фотосинтеза.
Анализ минерального и биохимического состава надземной части растений чу фы показал, что в листьях растений чуфы не было обнаружено достоверных измене ний по содержанию углеводов, липидов, сырого протеина и макроэлементов. Это мо жет говорить о том, что значительных структурных нарушений в результате ТШ не происходило (данные не приведены).
Влияние 20 ч ТШ на состояние фотосинтетического аппарата растений чуфы в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания.
Не смотря на то, что суммарное содержание хлорофиллов (а+б) у растений чуфы, вы ращенных на растворе Кнопа, в конце ТШ при 150 Вт/м2 ФАР и через 24 ч репарации практически осталось равным исходному значению, отношение (хл. а/хл б) в конце ТШ увеличилось в 1,2 раза, следовательно, присутствовало некоторое нарушение ра боты ФС2 (Bukhov et al., 1999, Camejo et al., 2005). Содержание каротиноидов досто верно не изменилось в течение всего эксперимента. Несмотря на то, что общее со держание хлорофиллов в листьях почти не изменилось, произошло увеличение отно шения содержания хлорофиллов фотосистем к содержанию хлорофиллов в ССК: в конце ТШ в 1,3 раза, а через 24 ч репарации в 1,4 раза выше исходного значения (табл. 5).
У растений, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзо метаболитов с аммонийной и амидной формами N при воздействии повышенной тем пературы при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 содержание всех фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы через 20 ч ТШ увеличилось. Через 24 ч репара ции суммарное содержание хлорофиллов а и б стало в 1,4 раза выше исходного зна чения, а их отношение снизилось в 1,8 раза, содержание каротиноидов стало близко исходному значению. В этом варианте к концу ТШ соотношение хлорофиллов, соб ранных в фотосистемах и в ССК почти не изменилось, а через 24 часа репарации про изошло перераспределение содержания хлорофиллов в сторону увеличения их доли в ССК, в результате чего отношение хлорофиллов фотосистем к хлорофиллам ССК уменьшилось в 3,5 раза (табл. 5).
У растений, выращенных на растворе, приготовленном на основе экзометабо литов с нитратной формой азота, содержание фотосинтетических пигментов в резуль тате 20 ч ТШ не изменилось. Через 24 ч репарации содержание хлорофиллов и каро тиноидов снизилось в 1,3 раза по сравнению с исходными значениями, но при этом соотношение между пигментами почти не изменилось. В результате не изменилось и соотношение между хлорофиллами фотосистем и хлорофиллами ССК.
Табл.5.
Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, (Cyperus esculentus L.), при интенсивности ФАР Вт/м2, мг/г сухой массы.
кароти- Хла (ФС)/ стадия эксперимента Хл. (а+б) Хл.а/б ноиды Хла+б(CCК) Раствор Кнопа 0, До ТШ 14,9 ± 0,7 2,7 2,8 ± 0, 0, 20 ч ТШ 13,9 ± 1,0 3,3 2,8 ± 0, 1, 24 ч репарации 13,4 ± 0,8 2,9 2,7 ± 0, Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой 0, До ТШ 6,8 ± 0,6 2,9 1,4 ± 0, 0, 20 ч ТШ 8,6 ± 0,3 2,6 1,9 ± 0, 0, 24 ч репарации 9,4 ± 0,8 1,6 1,6 ± 0, Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с преимущественно нитратной 9,0 ± 0,4ф йN 0, До ТШ 2,6 1,9 ± 0, 0, 20 ч ТШ 8,4 ± 0,5 2,5 1,8 ± 0, 0, 24 ч репарации 7,2 ± 0,5 2,6 1,5 ± 0, При интенсивности ФАР 250 Вт/м2 у растений, выращенных на растворе Кнопа ни в конце ТШ, ни в период репарации не наблюдалось достоверных изменений со держания и соотношения фотосинтетических пигментов (табл. 6).
У растений, выращенных на растворе с добавлением минерализованных экзо метаболитов с аммонийной и амидной формами азота, в конце ТШ в фотосинтетиче ском аппарате увеличилось содержание хлорофиллов а и б в 1,4 раза, а каротиноидов в 1,5 раза по сравнению с исходными значениями. Через 24 ч репарации содержание фотосинтетических пигментов и их соотношение отличались от исходных значений, но эти отличия не были достоверными. ТШ не оказал значимого влияния на соотно шение содержания хлорофилла а фотосистем к суммарному содержанию хлорофил лов а и б ССК в течение эксперимента (табл. 6). Следовательно, у растений, выра щенных на растворе с аммонийной и амидной формами азота, произошло нарушение только функционального состояния фотосинтетического аппарата, но при этом струк тура его сохранила целостность, что может говорить о том, что изменения, которые произошли в результате ТШ, были обратимы (Заворуева, Ушакова, 2004).
Табл.6.
Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С на содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений чуфы, (Cyperus esculentus L.), при интенсивности ФАР Вт/м2, мг/г сухой массы.
Хла (ФС)/ стадия эксперимента Хл. (а+б) Хл.а/б каротиноиды Хла+б(CCК) Раствор Кнопа 0, До ТШ 8,1 ± 0,4 2,6 1,6 ± 0, 0, 20 ч ТШ 8,4 ± 0,3 2,8 1,8 ± 0, 0, 24 ч репарации 7,8 ± 0,2 2,8 1,7 ± 0, Раствор на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N 0, До ТШ 7,1 ± 0,2 2,3 1,2 ± 0, 0, 20 ч ТШ 9,8 ± 0,3 2,3 1,8 ± 0, 0, 24 ч репарации 7,5 ± 0,3 2,6 1,4 ± 0, Раствор на основе минерализованных экзометаболитов преимущественно с нитратной формой N 0, До ТШ 9,0 ±0,5 2,6 1,9 ± 0, 0, 20 ч ТШ 8,1 ± 0,4 2,2 1,7 ± 0, 0, 24 ч репарации 7,3 ± 0,5 2,6 1,8 ± 0, Таким образом, повышение интенсивности ФАР привело к снижению повреж дающего воздействия повышенной температуры воздуха на фотосинтетический аппа рат растений чуфы. При этом не было зарегистрировано значительных изменений в содержании фотосинтетических пигментов, которые бы говорили о повреждении фо тосинтетического аппарата (табл.5, 6).
Рис.9. Влияние 20 ч воздействия температуры воздуха 45°С±1 на содержание малонового диальдегида в листьях 30-суточных растений чуфы в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания, в % от исходного значения. 1- раствор Кнопа;
2- раствор на основе экзометаболитов с аммонийной и амидной формой N;
3- раствор на основе экзомета болитов с преимущественно нитратной формой N.
Оценка состояния клеточных мембран листьев растений чуфы показала, что ч ТШ при интенсивности ФАР 150 Вт/м2 не привел к достоверному изменению кон центрации МДА. (рис. 9). Только у растений, выращенных на растворе с добавлением экзометаболитов с нитратной формой азота, через 24 ч репарации концентрации МДА стала на 20,5 % ниже исходного значения. У растений с аммонийной и амидной фор мами азота в питательном растворе через 20 ч ТШ концентрация МДА в листьях сни зилась как при 150 Вт/м2, так и при 250 Вт/м2. Возможно, нам не удалось зарегистри ровать повышения содержания МДА в листьях растений чуфы этих вариантов к кон цу ТШ (рис. 9), которое могло предшествовать зарегистрированному нами снижению его содержания в данных опытах (Лукаткин, 2002). При интенсивности ФАР Вт/м2 у растений, выращенных на растворе Кнопа после 20 ТШ содержание МДА в листьях увеличилось на 25% и осталось на том же уровне во время репарации. Веро ятно, причиной этого явилось повышение интенсивности ФАР относительно исход ного значения, подобное было показано в работе (Mishra, Singhal, 1992).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенные исследования реакции ценозов чуфы, сформированных в услови ях интенсивной светокультуры, при постоянных оптимальных параметрах внешней среды, на длительное (до 44 ч) воздействие повреждающей температурой воздуха по казали, что стресс у ценозов чуфы, в соответствии с теорией Селье, проходил в 3 фа зы. Длительность фазы реакции продолжалась около 1 – 2 часов и мало зависела от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время действия стресса.
Длительность фазы реституции зависела как от условий минерального питания, так и от интенсивности ФАР во время стресса. Наиболее длительным период реституции был у ценозов чуфы, выращенных на растворах, приготовленных на основе минера лизованных экзометаболитов и составлял примерно 8 ч, в то время как у ценозов, вы ращенных на растворе Кнопа, он составлял около 5 ч. Повышение интенсивности ФАР ускоряло процессы восстановления, а увеличение частоты периодического ох лаждения корнеобитаемого субстрата за счет полива растений питательным раство ром, в сочетании с увеличением интенсивности ФАР, значительно увеличивало тер моустойчивость ценозов чуфы.
В дальнейшем, в фазе адаптации, в зависимости от условий проведения экспе римента, происходило или необратимое повреждение надземной части растений (в случае 44 ч стресса при регулярном поливе через 6 ч питательным раствором с темпе ратурой 18°С) или приспособление к новым светотемпературным условиям при регу лярном поливе через 3 ч. При этом при 150 Вт/м2 ФАР у ценозов чуфы на растворе Кнопа через 20 ч ТШ интенсивность Рвид почти полностью вернулась к исходному значению, на растворе с минерализованными экзометаболитами преимущественно с нитратной формой N в растворе интенсивность Рвид составила 55% от исходной вели чины, а на растворе с аммонийной и амидной формами N была близка к 0. При Вт/м2 ФАР интенсивность Рвид. стала фактически равна интенсивности Рвид. до стресса при 150 Вт/м2 ФАР у ценозов, выращенных на минерализованных экзометаболитах с аммонийной и амидной формами азота, в остальных вариантах была выше исходных значений.
В ранее проведенных в Институте биофизики исследованиях по оценке термо устойчивости ценозов пшеницы и редиса было показано, что воздействие температу рой воздуха 45°С в течение 20 ч приводило к необратимым повреждениям фотосин тетического аппарата и гибели растений. Ценозы этих растений оказались способны пережить температурный стресс без необратимых повреждений процессов роста и развития только в течение 7 ч (Ushakova, Tikhomirov, 2002). Таким образом, ценозы чуфы, как и предполагалось, имеют более высокую термоустойчивость по сравнению с ценозами пшеницы и редиса, выращенными в аналогичных условиях. Поэтому, в случае нарушения системы терморегуляции в процессе функционирования БТСЖО, ценозы чуфы позволят обеспечить нормализацию газового состава воздушной среды, а выращивание растений чуфы на растворах, приготовленных на основе минерализо ванных экзометаболитов человека, позволит повысить степень замыкания БТСЖО.
ВЫВОДЫ Воздействие повреждающей температуры воздуха в течение 44 ч при 150 Вт/м 1.
ФАР при поливе через каждые 6 ч приводило к необратимым повреждениям ФСА и отмиранию листьев растений чуфы. В дальнейшем рост растений возоб новлялся за счет появления новых листьев.
2. Увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата в раза за счет полива ценозов чуфы питательным раствором увеличивает термоус тойчивость ценозов чуфы. Вне зависимости от интенсивности ФАР, воздействие температурой воздуха 45°С, как в течение 20 ч, так и в течение 44 ч, при регу лярном поливе не приводило к значительным повреждениям фотосинтетическо го аппарата растений чуфы.
3. Выращивание ценозов чуфы на растворе минерализованных экзометаболитов человека снижало их термоустойчивость по сравнению с растениями, выращен ными на растворе Кнопа. При выращивании на растворе минерализованных эк зометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота повреж дающее воздействие высокой температуры было меньше, чем при выращивании на растворах с аммонийной и амидной формами азота.
4. Повышение интенсивности ФАР во время действия повышенной температуры воздуха существенно увеличивало термоустойчивость ценозов чуфы. Степень увеличения термоустойчивости зависела от состава питательного раствора, на котором были выращены ценозы чуфы. Наиболее отзывчивыми на повышение интенсивности ФАР во время ТШ оказались ценозы чуфы, выращенные на рас творах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидной формами азота.
5. Включение в состав БТСЖО растений чуфы позволит не только ввести в состав диеты экипажа растительные жиры высокого качества, но и существенно повы сить термоустойчивость фотосинтезирующего звена, обеспечив, в определенных пределах, нормализацию газового состава воздушной среды при нарушении сис темы терморегулирования.
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
Статьи:
1. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Влияние условий минерального питания на термоустойчивость растений чуфы (Cyperus esculentus L.). // Вестник КрасГАУ, 2010. – №8. – С.29-33.
2. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Устойчивость растений чуфы чу фы (Cyperus esculentus L.), представителя фототрофного звена биотехнических систем жизнеобеспечения, к действию повышенных температур воздуха. // Авиакосмическая и экологическая медицина, 2011. – Т.45. – № 1. – С. 55 – 59.
3. Tikhomirov A. A., Ushakova S. A., Velichko V. V., Zolotukhin I.G., Shklavtsova E.S., Lasseur Ch., Golovko T. K. Estimation of the stability of the photosynthetic unit in the bioregenerative life support system with plant wastes included in mass exchange. // Acta Atronautica, 2008. – V. 63. – P.1111 - 1118.
4. Tikhomirova N.A., Ushakova S.A., Kudenko Yu.A., Gribovskaya I.V., Shklavtsova E.S., Balnokin Yu.V, Popova L.G., Myasoedov N.A., Gros J.-B., Lasseur Ch. Potential of salt-accumulating and salt-secreting halophytic plants for recycling sodium chloride in hu man urine in bioregenerative life support system. // Adv. Space Res, 2011. – Vol. 48. – P.
378 – 382.
Тезисы докладов и сборники:
1. Shklavtsova Ye. S., Ushakova S.A., Shikhov V.N. Tolerance of chufa (Cyperus escu lentus) as a vegetation unit’s representative of bioregenerative life support systems to ele vated temperatures. 38th COSPAR Scientific Assembly, Bremen, Germany. 2. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А.. Устойчивость растений чуфы (Cyperus esculentus) к воздействию супероптимальной температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности света во время воздействия теплово го шока. В сб. материалы Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. А.М. Горького. Екатеринбург, Россия. 2010. – С.132-133.
3. Ушакова С.А., Тихомиров А.А., Шклавцова Е.С., Шихов В.Н., Трифонов С.В.
(2010). Устойчивость растений, представителей фототрофного звена биолого технических систем жизнеобеспечения, к действию повышенных температур воздуха.
В сб. Всероссийский симпозиум Растение и стресс (Plants under Environmental Stress).
09 – 12 ноября 2010 г. Тезисы докладов. Москва. 2010. – С. 366 – 367.
4. Шихов В.Н., Шклавцова Е.С., Ушакова С.А. Сравнительная оценка термоус тойчивости растений С3 и С4 типа метаболизма на примере растений пшеницы и чу фы, оцененная по термоиндуцированным изменениям флуоресценции хлорофилла а и СО2 газообмена. В сб. VII Съезда Общества физиологов растений России. «Физиоло гия растений – фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международная научная школа «Инновации в биологии для развития биоиндустрии сельскохозяйственной продукции. ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород.
Материалы докладов в двух частях. Часть II. Нижний Новгород. 2011. – С. 764 – 765.
5. Шклавцова Е.С., Ушакова С.А., Шихов В.Н. Термоустойчивость растений чу фы (Cyperus esculentus), как представителя растительного звена биорегенеративных систем жизнеобеспечения, в зависимости от интенсивности ФАР, длительности ТШ и условий минерального питания. В сб. VII Съезда Общества физиологов растений Рос сии. «Физиология растений – фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий» и Международная научная школа «Инновации в биологии для разви тия биоиндустрии сельскохозяйственной продукции», ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород. Материалы докладов в двух частях. Часть II. Нижний Новгород.
2011. – С. 767 – 768.