ОСОБЕННОСТИ РОСТА И ФОТОСИНТЕЗА РАСТЕНИЙ КИТАЙСКОЙ КАПУСТЫ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ ПОД СВЕТОДИОДНЫМИ СВЕТИЛЬНИКАМИ
©2009 г. О. В. Аверчева, Ю. А. Беркович, А. Н. Ерохин, Т. В. Жигалова, С. И. Погосян, С. О. Смолянина
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва
Государственный научный центр- Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, Москва
Проведено сравнительное исследование роста, содержания белков и сахаров, содержания фотосинтетических пигментов и параметров флуоресценции хлорофилла в листьях растений китайской капусты (Brassica chinensis L.) 15- и 27-дневного возраста, выращенных при освещении дуговой натриевой лампой высокого давления (НЛ) и светильником на основе красных (650 нм) и синих (470 нм) светодиодов (СС) с соотношением красных и синих квантов 7 : 1. Растения первой группы выращивали при плотности потока фотонов ФАР 391 ± 24 мкмоль/(м2 с) ("нормальный" уровень освещения), растения второй группы - при 107 ± 9 мкмоль/(м2 с) ("низкий" уровень освещения); растения третьей группы переносили на нормальный уровень освещения после 12 дней выращивания при низком уровне освещения. При нормальном уровне освещения растения, выращенные под СС, не уступали растениям, выращенным под НЛ, по сырой массе побега, но уступали по массе корня, содержанию сухих веществ, общему содержанию сахаров и запасных сахаров в листьях. Достоверных различий в содержании пигментов и квантовом выходе разделения зарядов в ФС II не обнаружили, однако большее отношение хлорофиллов а/b в случае освещения НЛ указывает на изменение соотношения функциональных комплексов в тилакоидных мембранах. Реакция на низкий уровень освещения была в целом одинакова для растений, выращенных под НЛ и СС; однако в СС варианте отмечена более низкая скорость роста и более высокий уровень нефотохимического тушения. При изменении уровня освещения в процессе вегетации фотосинтетический аппарат растений за три дня адаптировался к новым условиям освещения. При освещении СС растения, постоянно выращиваемые при нормальном уровне светового потока, и растения, изначально адаптированные к его низкому уровню, на 27-й день вегетации не отличались по сырой массе побегов, но при освещении СС различия были существенными. Полученные данные указывают на принципиальную возможность выращивания растений под СС. Вместе с тем, выявлены определенные особенности роста и фотосинтеза растений в этих условиях.
Сокращения
: Кар – каротиноиды; НЛ - натриевая лампа высокого давления; СС – светодиодный светильник; ФСА – фотосинтетический аппарат; Хл – хлорофилл; tстац (F0’) – время достижения стационарного состояния флуоресценции хлорофилла; NPQ – нефотохимическое тушение флуоресценции Хл; qP – фотохимическое тушение флуоресценции Хл.
ВВЕДЕНИЕ
Свет
играет ключевую роль в жизнедеятельности растений,
определяя интенсивность фотосинтеза и фотоморфогенез. Световой спектр
действия фотосинтеза для всех высших растений имеет сходный состав;
вместе с тем, существуют видоспецифические реакции растений на
различные составляющие спектра светового потока [1, 2]. Оптимальная для
роста и развития интенсивность освещения также варьирует в зависимости
от вида растений [3]. В фотоморфогенезе растений наибольшую роль играет
свет красной и синей полос спектра [4]; в последние десятилетия
появились данные о регуляторной роли и зеленого света [5, 6]. Понимание
физиолого-биохимических механизмов влияния интенсивности и
спектрального состава света на растения позволит выявить потенциальные
возможности их фотосинтетического аппарата (ФСА) и сопряженных с
работой ФСА процессов роста и развития растений [7].Выращивание растений в искусственных условиях освещения, т.е. в светокультуре, является наиболее информативным методическим приемом для изучения их физиологических реакций при воздействии светового потока, так как такой подход позволяет использовать источники освещения с различным спектром излучения, а также регулировать интенсивность освещения растений. Для изучения влияния спектрального состава света на жизнедеятельность растений наиболее удобным источником освещения являются светоизлучающие диоды, обладающие узкополосным спектром излучения разных длин волн. Современные сверхъяркие светодиоды дают плотность потока фотонов, достаточную для выращивания растений
[8, с. 113]. Создание светильников на их основе позволяет в широких пределах варьировать спектральный состав освещения и соотношение в нем различных спектральных полос. Изучение роста и фотосинтеза растений, выращенных при освещении такими светильниками, позволит подробнее изучить воздействие спектрального состава света на эти процессы. Кроме того, благодаря ряду технических преимуществ перед другими источниками освещения, светильники на основе светодиодов в настоящее время активно внедряются в практику выращивания растений в декоративных и сельскохозяйственных целях, а также в системах жизнеобеспечения в замкнутых герметических пространствах, например, в космических оранжереях [3, 8]. В связи с этим, стала актуальной задача подбора сочетания светодиодов для оптимизации спектра освещения растений.
Уже первые опыты выращивания растений (пшеницы, салата, шпината) под светодиодами показали, что светильники на основе красных светодиодов (640-660 нм) с добавлением не менее 10% (по плотности потока фотонов) синих (470 нм) обеспечивают более благоприятные условия освещения по сравнению со светильниками на основе исключительно красных светодиодов [9, 10]. Однако особенности состояния ФСА растений в таких условиях освещения изучены пока недостаточно.
Целью данной работы явилась сравнительная оценка роста и состояния ФСА растений китайской капусты, выращенных при освещении натриевыми лампами высокого давления и светильниками на основе красных и синих светодиодов. Кроме того, представлялось целесообразным изучить влияние интенсивности освещения и ее изменения в процессе вегетации на рост и фотосинтез этих растений в зависимости от спектрального состава света для изучения фотоадаптивной способности ФСА растений в условиях освещения светодиодным светильником.
МЕТОДИКА
Объектом исследования являлась китайская капуста (Brassica chinensis L.) сорта Веснянка, селекции ВНИИСООК. Растения выращивали на пористых металлокерамических трубках, на питательном растворе Чеснокова в дозе 0.5 нормы с добавлением микроэлементов по Хогланду, при водном потенциале на уровне оси трубок 1 кПа, при температуре 25 ± 1 С и относительной влажности воздуха 15 ± 5%. Контрольные посевы освещали дуговой натриевой лампой высокого давления ДНаТ 400 со стандартным отражателем (НЛ, контроль), опытные изготовленным нами светильником, составленным из плат с распределенными на них красными (650 нм) и синими (470 нм) светодиодами (СС, опыт) при соотношении красной и синей составляющих излучения 7 : 1 по плотности потока фотонов. Подробное описание конструкции плат светильника дано в работе [11]. Значения плотности потока фотонов ФАР при непрерывном освещении на уровне верхнего листа растений составили в контроле 391 ± 24 мкмоль/(м2 с) (далее в тексте данный уровень освещения будем называть "нормальным", согласно рекомендациям авторов работы [11]) и в опыте 107 ± 9 мкмоль/(м2 с) (далее в тексте данный уровень освещения будем называть "низким"). Кроме того, часть растений после 12-дневного выращивания при низком уровне освещения переносили на нормальный уровень (далее в тексте – "переменный" уровень освещения) и наблюдали за адаптацией ФСА к новым световым условиям. Анализировали растения в возрасте 15 и 27 дней.
Сырую массу растений определяли на электронных весах NAVIGATORTM с точностью 0.01 г. Содержание сухих веществ в образцах определяли, высушивая их в сушильном шкафу при 80 С до постоянного веса. Морфометрические параметры определяли в 10100-кратной биологической повторности.
Содержание сахаров определяли антроновым методом ([12] с модификациями). У растений в возрасте 15 и 27 дней брали, соответственно, второй лист снизу и усредненную пробу из всех листьев побега. Экстракцию сахаров проводили по Ермакову [13]. Использованная методика извлечения сахаров и последующей обработки экстракта позволила определить в образцах содержание свободных глюкозы, фруктозы и сахарозы (далее "растворимые сахара"), а также суммарное содержание глюкозы и фруктозы, содержащихся изначально и полученных в результате гидролиза сахарозы и крахмала (далее "суммарные сахара"). Содержание сахаров определяли в 36 усредненных пробах: у 15-дневных растений, состоявших из 420 листьев каждая, и у 27-дневных растений в 410-кратной биологической повторности.
Содержание растворимого белка определяли во втором снизу листе 15-дневных растений методом Lowry [14]. Экстракцию белка проводили в 0.35 М NaCl в 0.05 М ТрисHCl-буфере, pH 8. Содержание белка в каждом варианте определяли в 610 средних пробах, включавших по 37 листьев каждая.
Содержание пигментов определяли во втором снизу листе 15-дневных растений спектрофотометрически в 100% ацетоне. Расчет содержания пигментов проводили по формулам Lichtenthaler [15]. Пигментный состав в каждом из вариантов определяли в 610 средних пробах, включавших по 37 листьев каждая.
Регистрацию параметров индукции флуоресценции хлорофилла (Хл) проводили на высечках листьев при помощи импульсного флуориметра, разработанного на кафедре биофизики биологического факультета МГУ. Прибор освещает высечку листа серией из 100 вспышек тестирующего света длительностью 5 мкс с интервалом 60 мс. Суммарная плотность облучения объекта составляет 0.8 мкмоль/(м2 с). Интенсивность флуоресценции в ответ на импульсы тестирующего света не зависит от состояния ФСА и в условиях предварительной темновой адаптации соответствует величине F0 (флуоресценция при открытых реакционных центрах). Вслед за серией тестирующих импульсов по команде с компьютера включается облучение светом, насыщающим ФСА (6000 мкмоль/(м2 с)), и на этом фоне производится измерение интенсивности флуоресценции в ответ на тестирующие импульсы той же длительности и амплитуды, что и при измерении величины F0. При этом измеряют интенсивность флуоресценции Fm, соответствующей полностью закрытым реакционным центрам. С помощью компьютерной программы рассчитывают средние значения F0 и Fm объекта, а также вычисляют величину относительной переменной флуоресценции Fv/Fm, где Fv = Fm F0. Эта величина характеризует потенциальные возможности разделения зарядов в ФС II. Для определения эффективности разделения зарядов в реальных условиях работающего ФСА проводили облучение объекта постоянным светом с интенсивностью, соответствующей уровню облученности, при котором выращивали растения (400 и 100 мкмоль/(м2 с)). Измерение интенсивности флуоресценции проводили в условиях, не изменяющих состояние ФСА (F0’), и в условиях полного насыщения реакционных центров (Fm’). В этих условиях на интенсивность флуоресценции оказывает влияние нефотохимическое тушение [16, 17].
Для анализа флуоресценции Хл брали второй снизу лист 15-дневных растений и четвертый снизу лист 27-дневных растений в 510-кратной биологической повторности. Предварительно перед регистрацией флуоресценции листья выдерживали в темноте в течение 15 мин. На основе полученных данных рассчитывали параметр NPQ, отражающий нефотохимическое тушение флуоресценции Хл, по формуле: NPQ = Fm/Fm’ – 1, и параметр qP, характеризующий фотохимическое тушение флуоресценции Хл, по формуле: qP = (Fm – F0’)/(Fm’ – F0) [17]. Кроме того, регистрировали время достижения стационарного состояния флуоресценции F0’.
В таблицах представлены усредненные данные. Достоверность различий между вариантами оценивали по t-критерию Стьюдента на уровне достоверности 0.95.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Морфометрические параметры
При нормальном уровне освещения растения, выращенные под НЛ (контроль) и СС (опыт), не отличались по сырой массе надземных органов ни в 15-, ни в 27-дневном возрасте. Содержание сухих веществ в надземных органах было выше у растений, выращенных под НЛ, как в возрасте 15, так и 27 дней. Масса сухого вещества надземных органов в 15- и 27-дневном возрасте составила, соответственно, 0.42 ± 0.04 и 1.96 ± 0.19 г для растений, выращенных под НЛ, и 0.24 ± 0.02 и 1.36 ± 0.16 г для растений, выращенных под СС. В возрасте 15 дней у растений СС варианта отношение побег/корень, рассчитанное по массе сырого вещества, было в 2.5 раза выше, чем в НЛ варианте, из-за низкой массы корня в СС варианте. Однако отношения побег/корень, вычисленные по массы сухого вещества, у растений этих вариантов были близкими (табл. 1). В 27-дневном возрасте этот параметр в СС варианте по сравнению с НЛ был в 5.5 раз и в 2 раза выше по массе сырого и сухого вещества соответственно (табл. 2).
При низком уровне освещения растения НЛ варианта по массе сырого вещества надземной части достоверно не отличались от СС в 15-дневном возрасте, однако к 27-му дню вегетации в 1.5 раза опережали растения СС варианта. Вместе с тем, по содержанию сухих веществ в надземных органах растения под НЛ превышали растения под СС только в возрасте 27 дней (табл. 1 и 2). Масса сухого вещества надземных органов в 15- и 27-дневном возрасте составила, соответственно, 0.08 ± 0 и 0.82 ± 0.06 г для растений, выращенных под НЛ, и 0.08 ± 0.01 и 0.42 ± 0.04 г для растений, выращенных под СС. Как и при нормальном уровне освещения, при низкой освещенности у 15-дневных растений в СС варианте отношение побег/корень при расчете на массу сырого вещества было выше, чем в НЛ варианте, и примерно одинаково с НЛ вариантом – при расчете на массу сухого вещества. К 27-му дню вегетации отношение масс сырого вещества побега и корня СС растений оставалось более высоким, чем в НЛ варианте, но разница между НЛ и СС была выражена слабее, чем при нормальном уровне освещения. Соотношение масс сухого вещества побега и корня у СС растений также превышало этот параметр у НЛ растений (табл. 2).
Растения, перенесенные на 12-й день вегетации с низкого уровня освещения на нормальный, в 15-дневном возрасте достоверно не отличались по массе сырого вещества надземных органов от растений, выращенных при низком уровне освещения при обоих типах светильников. Однако по сравнению с растениями, выращиваемыми постоянно при низком уровне освещения, у них увеличилось содержание сухих веществ в надземных органах и уменьшилось отношение масс сырого вещества побега и корня. К 27-му дню вегетации растения в НЛ варианте, выращенные при нормальном и переменном уровнях освещения, не отличались по массе сырого вещества надземных органов, хотя уступали им по массе сухого вещества. В СС варианте у растений, выращенных при переменном уровне освещения, как масса сырого вещества надземных органов, так и содержание сухих веществ в них занимали промежуточное положение между аналогичными показателями у растений, выращенных при нормальном и низком уровнях освещения. Вместе с тем, значения массы сырого вещества корня у растений, выращенных под светодиодным светильником (СС вариант), были практически одинаковы при нормальном и переменном уровнях освещения, что обусловило более, чем 1.5-кратное уменьшение отношения масс сырого вещества побега и корня при переменном уровне освещения по сравнению с нормальным уровнем.
Содержание сахаров
При нормальном уровне освещения в листьях 15-дневных растений среднее содержание суммарных сахаров в СС варианте было ниже, чем в НЛ варианте, однако (из-за большого разброса значений в контроле) достоверной разницы по этому параметру мы не обнаружили (табл. 1). На 27-й день вегетации растения НЛ варианта по содержанию сахаров в 1.2 раза превышали растения, выращенные под светодиодами (табл. 2). Суммарное содержание сахаров составляло в НЛ и СС вариантах, соответственно, 174.9 ± 31.2 и 86.2 ± 8.9 мг/г сухой массы в 15-дневном возрасте и 256.4 ± 12.9 и 213.4 ± 15.5 мг/г сухой массы в 27-дневном возрасте. Доля растворимых сахаров в общем пуле сахаров у растений НЛ варианта составила около 50%, а в СС варианте была близка к 100%.
При низком уровне освещения суммарное содержание сахаров у растений НЛ варианта, как в возрасте 15, так и 27 дней, достоверно превышало их содержание у растений СС варианта (табл. 1 и 2). Кроме того, у 15-дневных растений НЛ варианта доля растворимых сахаров в общем количестве сахаров была вдвое выше по сравнению с растениями СС варианта (78 и 37% соответственно). В 27-дневном возрасте значение этого показателя у растений обоих вариантов составило около 70%.
Растения НЛ варианта, перенесенные на 12-й день вегетации с низкого уровня освещения на нормальный уровень, в 15-дневном возрасте в несколько раз обгоняли растения СС варианта по суммарному содержанию сахаров в листьях и почти вдвое – по доле растворимых сахаров в общем пуле сахаров (табл. 1). К 27-му дню вегетации различия между растениями НЛ и СС вариантов по содержанию сахаров в листьях уменьшились, но оставались значимыми, а доля растворимых сахаров в общем пуле сахаров у растений СС варианта была выше.
Следует отметить, что при переменном уровне освещения у растений как НЛ, так и СС вариантов в течение трех дней значительно возросло общее содержание сахаров до уровня, отмеченного в растениях, постоянно выращиваемых при нормальном уровне освещения, а также уменьшилась доля растворимых сахаров в общем пуле сахаров. В растениях СС варианта, выращиваемых при переменном уровне освещения, доля растворимых сахаров в суммарном количестве сахаров, была ниже, чем у растений, выращиваемых при нормальном уровне освещения. На 27-й день вегетации растения обоих вариантов, выращенные при переменном уровне освещения, по общему содержанию сахаров в листьях занимали промежуточное положение между растениями, выращенными при нормальном и низком уровнях освещения. Однако в НЛ варианте доля растворимых сахаров в общем пуле сахаров у растений, выращенных при переменном уровне освещения, была близка к аналогичному показателю у растений при низком уровне освещения, а в СС варианте приближалась к значению, отмеченному при нормальном уровне освещения.
Содержание растворимого белка
По содержанию растворимого белка между вариантами при всех исследованных уровнях освещения достоверных различий не обнаружили. Содержание белка во втором снизу листе у 15-дневных растений составило 16.4 ± 1.0 и 17.4 ± 0.8 мг/г сырой массы для НЛ и СС вариантов соответственно.
Пигментный состав
В 15-дневном возрасте растения СС варианта при нормальном уровне освещения незначительно (не более, чем на 10%) превосходили растения НЛ варианта по общему содержанию Хл во втором листе, при этом в СС варианте было выше отношение Хл a/b за счет большего содержания Хл а у растений СС варианта (табл. 1). Содержание Хл a во втором листе 15-дневных растений в НЛ и СС вариантах составило, соответственно, 1.26 ± 0.09 и 1.51 ± 0.05 мг/дм2; содержание Хл b – 0.49 ± 0.03 и 0.45 ± 0.01 мг/дм2. При низком уровне освещения не было отмечено достоверных различий между вариантами как в общем содержании пигментов, так и в соотношении Хл а и Хл b. Содержание Хл a во втором листе 15-дневных растений в НЛ и СС вариантах составило, соответственно, 0.95 ± 0.07 и 0.90 ± 0.04 мг/дм2; содержание Хл b – 0.38 ± 0.04 и 0.35 ± 0.02 мг/дм2. При этом в обоих вариантах суммарное содержание Хл у растений при низком уровне освещения было в среднем на 3040% ниже по сравнению с растениями, выращенными при нормальном уровне освещения. У растений обоих вариантов, перенесенных с низкого уровня освещения на нормальный, в течение трех дней увеличилось общее содержание Хл за счет увеличения содержания Хл a. В отличие от растений, выращенных при нормальном уровне освещения, при переменном уровне отношение Хл а/b было ниже в листьях СС варианта (2.91 ± 0.39) по сравнению с НЛ вариантом (3.59 ± 0.59).
Содержание каротиноидов (Кар) в листьях НЛ и СС вариантов было одинаково при всех исследованных уровнях освещения. При этом в пределах одного спектрального варианта при нормальном освещении содержание Кар во втором листе было достоверно больше, чем при низком освещении. Суммарное содержание Кар во втором листе 15-дневных растений, выросших при нормальной и низкой освещенности, составило в НЛ варианте, соответственно, 0.40 ± 0.04 и 0.27 ± 0.02 мг/дм2, в СС варианте 0.40 ± 0.01 и 0.29 ± 0.01 мг/дм2. Растения в варианте с переменным световым потоком по содержанию Кар за 3 дня сравнялись с растениями, постоянно растущими при нормальном уровне освещения.
В СС варианте при нормальном и переменном уровнях освещения отношение Хл/Кар было ниже, чем при низком уровне освещения. В НЛ варианте статистически достоверных различий по этому параметру не обнаружено.
Показатели флуоресценции хлорофилла
Квантовый выход разделения зарядов в ФС II, характеризуемый величиной Fv/Fm, у растений в 15-дневном возрасте был практически одинаков в НЛ и СС вариантах при нормальном и переменном уровнях освещения и составил около 0.8. При низком уровне освещения этот показатель был несколько выше у растений СС варианта (табл. 1). Величина фотохимического тушения флуоресценции (qP) также достоверно не различалась у растений НЛ и СС вариантов при нормальном и переменном уровнях освещения и составила около 1.21.4. В 27-дневном возрасте растения НЛ варианта, выращенные при низком уровне освещения, по показателю Fv/Fm не отличались от растений всех других вариантов. 27-дневные растения СС варианта, выращенные при нормальном и переменном уровнях освещения, обладали более высокой величиной qP по сравнению с растениями, выращенными при низком уровне освещения того же спектрального состава (табл. 2).
Величина нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла (NPQ) у 15-дневных растений при нормальном и переменном уровнях освещения в вариантах НЛ и СС была практически одинаковой (около 0.4), но при низком уровне освещения в СС варианте была в 1.75 раза выше (НЛ 0.124 ± 0.034, СС 0.213 ± 0.007, табл. 1). В 27-дневном возрасте у растений показатель NPQ не различался в СС и НЛ вариантах с одинаковой интенсивностью освещения (табл. 2) и составлял около 0.20.3. В обоих спектральных вариантах величина NPQ была значительно выше при нормальном уровне освещения (0.30.4), чем при низком уровне (0.10.2); при переменном уровне освещения данный показатель приближался к значениям, отмеченным при нормальном уровне освещения в соответствующих вариантах.
Время достижения стационарного уровня флуоресценции (tстац (F0’)), характеризующее период, необходимый для активации ферментов цикла Кальвина, у 15-дневных растений не зависело от спектра падающего света (табл. 1). У растений 27-дневного возраста по сравнению с 15-дневными растениями tстац (F0’) уменьшалось во всех случаях, кроме растений НЛ варианта, выращенных при переменном уровне освещения. В остальном, соотношение между вариантами по этому параметру сохранялось (табл. 2). В НЛ варианте tстац (F0’) у 15-дневных растений было значительно меньше при переменном уровне освещения (3.9 ± 0.3 мин), чем при низком и нормальном уровнях освещения (около 5 мин). В СС варианте tстац (F0’) было значительно меньше при нормальном уровне освещения (4.3 ± 0.4 мин) по сравнению с низким уровнем (6.7 ± 0.7 мин). При перенесении растений с низкого уровня освещения на нормальный этот показатель в течение трех дней понизился до величины, зафиксированной при нормальном уровне освещения (4.8 ± 0.2 мин). Другие показатели флуоресценции мало зависели от уровня освещения.
ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что при уровне освещения 350–400 мкмоль/(м2 с) светильник на основе красных и синих светодиодов, при соотношении красной и синей составляющих излучения 7 : 1, по плотности потока фотонов в целом обеспечивает адекватные условия освещения. Растения китайской капусты, выращенные под таким светильником в течение 4 недель, не отличались по сырой массе от контрольных растений, выращенных под НЛ. Отсутствие достоверных различий между вариантами по квантовому выходу разделения зарядов в ФС II, фотохимическому и нефотохимическому тушению флуоресценции, а также общему содержанию пигментов свидетельствует об отсутствии существенных нарушений в протекании световой фазы фотосинтеза у растений СС варианта. Более высокое отношение Хл a/b в этом варианте происходит за счет увеличения содержания Хл a и указывает на большую относительную долю пигментов в составе ФС I [18, 19]. Вместе с тем, у растений, выращенных под СС, уже на 15-й день вегетации было выявлено замедление роста корня по сравнению с НЛ вариантом, усиливающееся по мере роста растений. У исследованной культуры (китайской капусты) доля корня в общей массе растения при данных условиях выращивания составляла менее 10%, поэтому более медленный, чем в НЛ варианте, рост корней у растений СС варианта существенно не повлиял на рост целого растения, оцениваемого по сырой массе. Однако высокое отношение масс побег/корень указывает на усиление напряженности донорно-акцепторных отношений в системе целого растения и, возможно, на изменение биосинтетической функции корня. Это может негативно отразиться на росте и развитии растений при ухудшении условий выращивания. Помимо высокого отношения масс побег/корень, выявлено пониженное содержание сахаров, особенно запасных, в листьях растений, выращенных под светодиодами (СС вариант). Преобладание растворимых сахаров в общем пуле сахаров на фоне общего замедления их синтеза указывает на нарушение фотосинтетической функции и усиление ростовых процессов (возможно, в ущерб другим функциям) в растениях под СС. По-видимому, эти нарушения происходят в темновой фазе фотосинтеза. Можно также предполагать изменение соотношения нециклического, циклического и альтернативных путей транспорта электронов, связанных с ФС I [18, 19].
Различия в росте и развитии растений, обусловленные спектральным составом света при уровне освещения около 400 мкмоль/(м2 с), более отчетливо проявились при интенсивности освещения 100 мкмоль/(м2 с). При данном уровне освещения для растений под СС характерно низкое, по сравнению с НЛ, содержание сахаров в листьях, а в период между 15-м и 27-м днями вегетации – значительное отставание в росте побега и целого растения. Однако при низком уровне освещения растения СС варианта отличались высокой долей запасных сахаров при общем замедлении их синтеза, что свидетельствует о более сильном, по сравнению с НЛ вариантом, угнетением ростовых процессов и, возможно, о раннем начале подготовки к переходу в генеративную стадию развития. Величина NPQ при уровне освещения порядка 100 мкмоль/(м2 с) у растений под CC была заметно выше, чем под НЛ. Эти данные свидетельствуют о большей степени светового стресса в СС варианте.
Результаты опытов по выращиванию растений в условиях изменяющейся в процессе вегетации интенсивности освещения также указывают на то, что спектральный состав светового потока, генерируемого использованным в опытах СС, не соответствует в полной мере требованиям выбранной культуры. Под НЛ у адаптированных к низкому уровню освещения растений после перенесения на более высокий уровень освещения по истечении трех дней наблюдали:
1) увеличение содержания сахаров в листьях, особенно растворимых сахаров, необходимых для активизации ростовых процессов;
2) усиление роста корня;
3) увеличение содержания всех фотосинтетических пигментов при одновременном увеличении отношения Хл а/b, что свидетельствует об относительном увеличении числа реакционных центров ФС I; 4) более чем двукратное увеличение величины NPQ.
Таким образом, можно говорить о том, что за три дня произошла адаптация ФСА этих растений к новым условиям освещения. Данный комплекс ответных реакций растений обусловил быстрый рост побегов в последующие 12 дней, и на 27-й день вегетации при выращивании под НЛ масса побега и целого растения не отличались от аналогичных показателей растений, изначально выращиваемых при уровне освещения порядка 400 мкмоль/(м2 с). Следует отметить, что усиленный рост побегов в период с 15-го по 27-й день вегетации сопровождался угнетением роста корня. Это обстоятельство представляется полезным с хозяйственной точки зрения, поскольку возрастает доля съедобной части в общей массе растения, однако оно же может явиться и причиной пониженной устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.
У растений, выращенных под СС, адаптированных к низкому уровню освещения (около 100 мкмоль/(м2 с)) и перенесенных на более высокий уровень (около 400 мкмоль/(м2 с)), по истечении трех дней также наблюдали усиление роста корня и увеличение содержания сахаров в листьях, однако интенсивность накопления сахаров, особенно растворимых, была значительно ниже, чем при освещении НЛ. Кроме того, у растений СС варианта слабее, чем в НЛ варианте, увеличилась величина NPQ. Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений СС варианта практически не изменилось; но увеличилась доля Хл а в пигментном комплексе, что свидетельствует об адаптации ФСА к повышению уровня освещения. В последующие 12 дней вегетации рост растений под СС был медленнее, чем в аналогичном варианте под НЛ: на 27-й день вегетации сырая масса побега при переменном уровне освещения составила 46% от массы побега растений, выращенных при постоянном уровне освещения около 400 мкмоль/(м2 с) под тем же светильником.
Причины описанных различий, по-видимому, лежат в разнице спектров падающего света. В спектре НЛ представлены линии длин волн в широком диапазоне видимого спектра: сине-зеленый свет в области 500 нм и широкий максимум в желто-оранжевой части 560620 нм; кроме того, имеется также излучение в дальней красной области вблизи 750 нм (рис. 2). Светодиоды обладают узкополосным спектром излучения с полушириной полосы 25 нм [10]. В данной работе в светильнике были использованы светодиоды с максимумами спектра излучения 650 и 470 нм, которые почти не излучают свет в дальней красной области; соответственно, в спектре практически отсутствовали кванты зеленой и дальней красной полос (рис. 1). Регуляторная роль дальней красной полосы спектра широко известна; есть данные о возможной регуляторной роли зеленого света у ряда растений, в том числе листовых культур [57]. Известно также, что свет различного спектрального состава регулирует содержание и активность гормонов растений [6, 20]. Таким образом, при лучшем обеспечении фотосинтетически активными квантами растения, выращенные под светодиодами, были лишены тех квантов, которые являются важными с регуляторной точки зрения. Возможно, это сыграло роль в изменении фотосинтетической и ростовой функций растений, выращенных под СС. В частности, большее количество красных квантов под СС могло привести к увеличению доли ФС I в тилакоидных мембранах [18, 19] и активации связанных с ней альтернативных путей транспорта электронов. Это, в свою очередь, могло привести к изменению соотношения АТФ/НАДФН в хлоропласте, что важно для прохождения реакций ассимиляции СО2. Известно также, что в регуляции развития хлоропластов и фотосинтеза, а также в поддержании роста растений при изменении уровня освещения большую роль играют цитокинины и АБК [21, 22]. Изменение фотосинтетической функции, наряду с замедлением роста корня, в СС варианте может указывать на нарушение цитокининового сигналинга в растениях.
Итак, при выращивании растений под НЛ фотоадаптивная способность ФСА позволяет при определенных условиях снижать интенсивность освещения на ранних стадиях вегетации без потери урожая. Это может оказаться полезным для экономии электроэнергии при промышленном выращивании растений, а также при их выращивании в условиях с сильно ограниченными энергоресурсами. Красно-синие СС при оптимальной интенсивности освещения позволяют успешно выращивать растения, однако детальное изучение состояния ФСА этих растений и их реакции на варьирование интенсивности освещения показывает наличие особенностей функционирования ФСА и дополнительные ограничения на рост и развитие растений в данных условиях освещения. Эти особенности предстоит исследовать в дальнейшем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тихомиров А.А., Золотухин И.Г., Лисовский Г.М., Сидько Ф.Я. Специфика реакций растений разных видов на спектральный состав ФАР при искусственном освещении // Физиология растений. 1987. Т. 34. С. 774-785.
2. Заворуева Е.Н., Ушакова С.А., Волкова Э.К., Тихомиров А.А., Могильная О.А., Медведева С.Е. Тонкая структура хлоропластов листьев огурца и гороха, сформировавшихся на красном свету // Физиология растений. 2000. Т. 47. С. 843-851.
3. Тихомиров А.А., Шарупич В.П., Лисовский Г.М. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. Новосибирск: изд-во СО РАН, 2000. 213 с.
4. Воскресенская Н.П. Фоторегуляторные реакции и активность фотосинтетического аппарата // Физиология растений. 1987. Т. 34. С. 669-684.
5. Liscum E., Briggs W.R. Mutations in the NPH1 Locus of Arabidopsis Disrupt the Perception of Phototropic Stimuli // Plant Cell. 1995. V. 7. P. 473-485.
6. Головацкая И.Ф. Роль криптохрома 1 и фитохромов в регуляции фотоморфогенетических реакций растений на зеленом свету // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 822-829.
7. Зайцева Т.А., Луговцева К.А. Формирование структуры и развитие функциональной активности фотосинтетического аппарата в клетках разных зон роста первичного листа пшеницы под влиянием света различного спектрального состава // Физиология и биохимия культ. растений. 1994. Т. 26. С. 444-450.
8. Беркович Ю.А., Кривобок Н.М., Смолянина С.О., Ерохин А.Н. Космические оранжереи: настоящее и будущее. М.: "Слово", 2005. 368 с.
9. Goins G.D., Yorio N.C., Sanwo M.M., Brown C.S. Photomorphogenesis, Photosynthesis, and Seed Yield of Wheat Plants Grown under Red Light-Emitting Diodes (LEDs) with and without Supplemental Blue Lighting // J. Exp. Bot. 1997. V. 48. P. 1407-1413.
10. Yorio N.C., Goins G.D., Kagie H.K., Wheeler R.M., Sager J.C. Improving Spinach, Radish, and Lettuce Growth under Red Light-Emitting Diodes (LEDs) with Blue Light Supplementation // HortScience. 2001. V. 36. P. 380-383.
11. Ерохин А.Н., Беркович Ю.А. Анализ характеристик салатной космической оранжереи с блоком освещения на светоизлучающих диодах // Авиакосмич. и экол. медицина. 2005. Т. 39. С. 36-43.
12. Ермаков А.И., Арасимович В.Е., Смирнова-Иконникова М.И., Ярош Н.П., Луковникова Г.А. Методы биохимического исследования растений. Л.: "Колос", 1972. 456 с.
13. Ермаков А.И., Арасимович В.Е., Ярош Н.П., Перуанский Ю.В., Луковникова Г.А., Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агропромиздат, 1987. 430 с.
14. Lowry O., Rosenbrought N., Farr A., Randall R. Protein Measurement with Folin Phenol Reagent // J. Biol. Chem. 1951. V. 193. P. 265-275.
15. Lichtenthaler H.K. Chlorophyll and Carotenoids: Pigments of Photosynthetic Biomembranes // Methods Enzymol. 1987. V. 148. P. 331-382.
16. Kolber Z., Zehr J., Falkowski P.G. Effects of Growth Irradiance and Nitrogen Limitation on Photosynthetic Energy Conversion in Photosystem II // Plant Physiol. 1988. V. 88. P. 923-929.
17. Воронова Е.Н., Волкова Э.В., Казимирко Ю.В., Чивкунова О.Б., Мерзляк М.Н., Погосян С.И., Рубин А.Б. Изменения ФСА клеток диатомовой водоросли Thalassiosira weissflogii в ответ на действие света высокой интенсивности // Физиология растений. 2002. Т. 49. С. 350-359.
18. Бухов Н.Г., Егорова Е.А. Немонотонные редокс-превращения Р700 при освещении листьев дальним красным светом обусловлены различным вкладом отдельных альтернативных путей переноса электронов в индукционном периоде // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 645-652.
19. Егорова Е.А., Дроздова И.С., Бухов Н.Г. Индуцированные дальним красным светом модуляции активности альтернативных путей электронного транспорта, связанных с фотосистемой I // Физиология растений. 2005. Т. 52. С. 805-813.
20. Минич А.С., Минич И.Б., Зеленчукова Н.С., Карначук Р.А., Головацкая И.Ф., Ефимова М.В., Райда В.С. Роль красного люминесцентного излучения низкой интенсивности в регуляции морфогенеза и гормонального баланса Arabidopsis thaliana // Физиология растений. 2006. Т. 53. С. 863-868.
21. Чернядьев И.И. Онтогенетические изменения фотосинтетического аппарата и влияние цитокининов. Обзор // Прикл. биохимия и микробиология. 2000. Т. 36. С. 611-625.
22. Тимергалина Л.Н., Высоцкая Л.Б., Веселов С.Ю., Кудоярова Г.Р. Содержание гормонов, водный обмен и рост листьев растяжением у растений пшеницы при повышении освещенности // Физиология растений. 2007. Т. 54. С. 715-721.
Таблица 1.
Действие светодиодного светильника (СС, опыт) по сравнению с натриевой лампой (НЛ, контроль) на морфометрические параметры, содержание сахаров и состояние фотосинтетического аппарата растений китайской капусты на 15-й день выращивания (СС/НЛ, %)
|
Параметр |
400 |
100 |
100 ® 400 |
|
Морфометрические показатели: масса сухого вещества растения масса побега/масса корня по сухой массе |
86.1 94.5 |
108.6 98.0 |
106.2 156.1 |
|
Содержание сахаров: суммарное содержание сахаров в расчете на массу сухого вещества содержание водорастворимых сахаров в расчете на массу сухого вещества |
49.3 44.9 |
36.1 16.7 |
22.7 12.1 |
|
Пигментный состав: суммарное содержание Хл (a + b) в расчете на площадь листовой поверхности содержание Кар в расчете на площадь листовой поверхности отношение Хл а/ b отношение Хл/Кар |
112.2 100.4 125.6 83.9 |
93.8 107.5 98.5 76.8 |
112.1 97.2 81.2 114.6 |
|
Параметры флуоресценции хлорофилла F qP NPQ t стац (F0’)v/Fm : |
100.8 110.9 84.8 83.2 |
107.1 109.6 171.8 113.9 |
101.2 104.9 111.7 122.2 |
Примечание. 400 – интенсивность освещения около 400 мкмоль/(м2 с); 100 – интенсивность освещения около 100 мкмоль/(м2 с); 100 ® 400 – интенсивность освещения 100 мкмоль/(м2 с) в первые 12 дней вегетации, далее – интенсивность освещения 400 мкмоль/(м2 с).
Таблица 2.
Действие светодиодного светильника (СС, опыт) по сравнению с натриевой лампой (НЛ, контроль) на морфометрические параметры, содержание сахаров и состояние фотосинтетического аппарата растений китайской капусты на 27-й день выращивания (СС/НЛ, %)
|
Параметр |
400 |
100 |
100 ® 400 |
|
Морфометрические показатели: масса сухого вещества растения масса побега/масса корня по сухой массе |
66.7 231.1 |
50.5 133.8 |
53.3 61.2 |
|
Содержание сахаров: суммарное содержание сахаров в расчете на массу сухого вещества содержание водорастворимых сахаров в расчете на массу сухого вещества |
83.2 182.6 |
50.4 46.8 |
38.7 52.0 |
|
Параметры флуоресценции хлорофилла F qP NPQ t стац (F0’)v/Fm : |
98.7 111.0 82.1 98.8 |
99.9 92.2 58.3 115.2 |
99.3 100.9 76.1 78.0 |
Примечание. 400 – интенсивность освещения около 400 мкмоль/(м2 с); 100 – интенсивность освещения около 100 мкмоль/(м2 с); 100 ® 400 – интенсивность освещения 100 мкмоль/(м2 с) в первые 12 дней вегетации, далее – интенсивность освещения 400 мкмоль/(м2 с).
Оригинал : http://www.rusplant.ru