Активность реакций световой и темновой фазы фотосинтеза листьев растений гороха посевного (Pisum sativum L.)

Введение. Экспресс оценка физиологических параметров сельскохозяйственных культур представляет большой интерес в современной аграрной науки. Считается, что одним из наиболее информативных, быстрых и современных методов оценки физиологического состояния растений в различных условиях окружающей среды является измерение флуоресценции хлорофилла [1,2]. В том числе как индикатора чувствительности растений к стрессовым факторам [3].

Показатели флуоресценции хлорофилла а (Хл) in vivo широко используется для изучения влияния различных стрессов на функциональное состояние фотосинтетического аппарата [4]. А так же в селекции культур на поддержания эффективности фотосинтеза, здоровья растений и стабильности урожайности в условиях теплового стресса [5], в оценке качества зерна пшеницы [6].

В связи с этим очень важно выявить особенности протекания световой и темновой фаз фотосинтеза у растений культуры гороха посевного для оценки показателей фотосинтетической деятельности растений. Особенно, для регионального фенотипирования в селекции новых сортов [7], а так же для оптимизации роста и развития культуры средствами производства.

Цель исследований – изучить особенности протекания реакций световой и темновой фазы фотосинтеза листьев растений гороха посевного ( Pisum sativum L. ) в условиях полевого эксперимента.

Условия, материалы и методы. Исследование осуществлялось в рамках тематического плана кафедры земледелия, селекции и растениеводства Орловского ГАУ по совместной программе с ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур и Шатиловской СХОС. Полевые опыты закладывались в селекционных севооборотах ФГБНУ ФНЦ зернобобовых и крупяных культур и Шатиловской СХОС, учеты проводились на оборудовании Университета.

Опытный материал выращивали в условиях полевого опыта на делянках площадью 10 м2 в 4-х кратной повторности. Размещение делянок – рендомизированное. Погодные условия характеризовались разными температурными условия и обеспеченностью осадками: были годы с температурами воздуха близкими к среднемноголетним условиями в период генеративного развития растений культуры, а были годы с температурами на 3,2 … 3,9 °С выше среднемноголетнего значения.

Объектами основного изучения являлись 9 сортообразцов: Фараон, Гамбит, Спартак, Темп, Кадет, Шеврон, Рас 657/7, Инст. тип, Оптимус. Исследования проводились в полевых опытах с использованием системного подхода. Кроме этого, в условиях экологического испытания Шатиловской СХОС по показателям активности фотосинтеза был проведен скрининг 14, а в ФГБНУ ФНЦ ЗБК 40 новых сортов и перспективных генотипов. Из них 5 листочковых, 1 хамелеон, 3 рассеченно-листочковые и 32 безлисточковые (усатые) формы. В том числе 9 сортов гороха полевого (пелюшек).

Активность световых реакций фотосинтеза оценивалась по показателям: квантовый выход флуоресценции хлорофилла, электронно-транспортная цепь. Регистрация индукции флуоресценции хлорофилла осуществлялась на интактных растениях с использованием портативной системы измерения Mini-PAM и GFS-3000 FL, с помощью которого измеряли интенсивность фотосинтеза. Статистическая обработка полученных результатов проводилась в соответствии с Методикой полевого опыта Доспехова Б.А. (1985)

Результаты и обсуждение. Результаты исследования показывают, что у гороха посевного более высокая активность реакций фотосинтеза отмечается у листьев верхних ярусов растений (третьего сверху): квантовый выход флуоресценции хлорофилла и активность их электронно-транспортной цепи были выше по сравнению с листьями первого плодоносящего узла (средний ярус) в среднем на 11,4% и 12,1%, а у нижерасположенных – на 71,1% и 70,8% соответственно. Аналогичная закономерность проявлялась у растений культуры и по активности реакций темновой фазы фотосинтеза листьев: интенсивность фотосинтеза верхних листьев была выше, чем у средних и нижерасположенных в среднем на 2,8% и 60,0% соответственно (рис. 1).

Во многом это связано с особенностями архитектоники посева культуры, которая оказывает влияние на изменение интенсивности света в пологе посева в соответствии с законом Ламберта-Бера [8]. А адаптация листьев к рассеянному или прямому свету приводит к морфологическим и анатомическим изменениям [9] и усугубляется возрастными изменениями в соответствии с законом Заленского [10]. Поэтому интенсивность фотосинтез в посеве уменьшается от верхних листьев, к нижним [11].

ярус листьев м ИФ   ЭТЦ   КВФХ

Рисунок 1 – Квантовый выход флуоресценции хлорофилла (КВФХ, отн. ед.) и электронно-транспортная цепь (ЭТЦ, отн. ед.), интенсивность фотосинтеза (ИФ, мкмоль СО 2 /м²с) у листьев разных ярусов растений гороха посевного в фазе плодообразования, в среднем за годы исследования

Наибольшая активность световых реакций фотосинтеза верхних листьев проявлялась в период развития «9-10 листьев – цветение», а затем

(формирование и массовый налив бобов) она заметно снижалась (в среднем на 10,7%). Снижение фотохимической активности после цветения во многом связано со старением листьев и разрушением хлорофиллов [12]. При этом между квантовым выходом флуоресценции хлорофилла и активностью электронно-транспортной цепи отмечалась выраженная сопряженность.

Схожим путем осуществлялась в онтогенезе растений гороха посевного и ассимиляция СО 2 листьями. При этом проявлялась особенность в динамике: интенсивность фотосинтеза возрастала до образования у растений плоского боба (в среднем на 19%), а затем снижалась к фазе зеленой спелости бобов на 21,4%.

Повышение фотосинтетической активности листьев в начале генеративного периода связано с увеличением запроса на фотоассимиляты формирующиеся плодами и семенами растений культуры [13,14]. А последующий спад фотосинтетической активности листьев процессами старения листьев [7].

В среднем за вегетацию интенсивность ассимиляции СО 2 листьев была на уровне 11,42 мкмоль СО 2 /м²с. (рис. 2).

м ИФ   ЭТЦ   КВФХ

Фаза роста

Рисунок 2 – Квантовый выход флуоресценции хлорофилла (КВФХ, отн. ед.) и активность электронно-транспортной цепи (ЭТЦ, отн. ед.), интенсивность фотосинтеза (ИФ) листьев в онтогенезе растений гороха, в среднем за годы исследования Обозначения: фазы: I – 9-10 наст. листьев, II – цветение, III – плоский боб, IV – зеленая спелость бобов

В течение дня активность световых реакций фотосинтеза изменялась по-разному. Квантовый выход флуоресценции хлорофилла был высоким у растений лишь в утренние (8:00) и в предвечерние (18:00) часы, а в остальное время (с 10:00 до 16:00 часов) он был небольшим, с выраженным падением в обеденные часы (с 11:00 до 13:00). Активность электронно-транспортной цепи листьев у растений также была высокой преимущественно в утренние и в вечерние часы, а в обеденное время отмечалось выраженное ее снижение. Между величиной КФВХ и активностью ЭТЦ коэффициент корреляции у растений был равен 0,35 (рис. 3).

0,70

0,60

0,50

0,40 о

0,30 S

0,20

0,10

0,00

8 часов 10 часов 12 часов 14 часов 16 часов 18 часов

ЭТЦ    КВФХ

время, час

Рисунок 3 – Дневная динамика квантового выходы флуоресценции хлорофилла (КВФХ, отн. ед.) и электронно-транспортной цепи (ЭТЦ, отн. ед.) у листьев растений гороха посевного в период плодообразования, в среднем за годы исследования

Во многом схожая дневная динамика отмечается у растений и по интенсивности фотосинтеза. Ассимиляция СО 2 листочками растений гороха наиболее активно осуществлялась в дообеденное время (с 8:00 до 11:00 часов), а затем она резко снижалась вплоть до наступления вечерних часов (рис. 4).

Фотосинтез растений в течение дня подвержен динамическому изменению интенсивности освещения и температуры, поэтому в полуденное время отмечается спад фотосинтетической активности растений сельскохозяйственных культур [15].

время, час

Рисунок 4 – Динамика дневного хода интенсивности фотосинтеза (ИФ) листочков у растений гороха посевного в период плодообразования, в среднем за годы исследования

Фотосинтетическая активность листьев растений гороха посевного имеет высокую зависимость от погодных условий вегетации. В частности, в условиях Орловской области величина интенсивности фотосинтеза у растений гороха колебалась от 6,5 до 9,7 мкмоль CO2/м2с. В последующих опытах было зафиксировано еще более широкое варьирование интенсивности фотосинтеза по годам – от 7,00 до 12,67 мкмоль CO2/м2с. Максимальная активность фотосинтеза 12,7 мкмоль СО2/м2с, отмечалась в годы с температурой близкой к среднемноголетним значениям в период генеративного развития растений, а минимальная 9,9 мкмоль СО2/м2с в годы когда температура воздуха превышала среднемноголетнюю на 3,2 … 3,9 °С (рис. 5).

среднемноголетним среднемноголетних

Рисунок 5 – Интенсивность фотосинтеза (ИФ) листьев гороха посевного в фазе плодообразования, при разных температурных условиях

Выявлено, что у растений гороха посевного высокую зависимость от погодных условий вегетации имеют и реакции световой фазы фотосинтеза листьев. Максимальная активность электронно-транспортной цепи и квантового выхода (117,15 отн. ед. и 0,281 отн. ед. соответственно) была зафиксирована в погодных условиях близких к среднемноголетним (рис. 6). Такая реакция фотосинтетического аппарата у растений гороха связана с биологическими особенностями – пороговая температура развития составляет 18-24 °С [16] – и является самой низкой среди бобовых культур [17].

Рисунок 6 – Активность электронно-транспортной цепи (ЭТЦ, отн. ед.) и квантовый выход флуоресценции хлорофилла (КВФХ, отн. ед.) листьев у растений гороха посевного, в фазе плодообразования, при разных температурных условиях

При этом отмечается характерная особенность, в условиях вызванных тепловым стрессом интенсивность фотосинтеза снижается на 25,6%, в то время как квантовый выход флуоресценции хлорофилла – на 15,7%, а активность электронно-транспортной цепи – на 15,2%. Это показывает большую устойчивость фотохимических реакций световой фазы фотосинтеза к повышенным температурам, по сравнению с реакциями газообмена листьев.

Выводы. Результаты показывают, что для установления влияния температурных факторов на растения гороха посевного ( Pisum sativum L. ) лучше проводить оценку по интенсивности темновой фазы фотосинтеза, так как биохимические реакции газообмена культуры более чувствительны к тепловому стрессу у культуры по сравнению с фотохимическими реакциями световой фазы фотосинтеза. А учет параметров первичных реакций лучше проводить в фазе плоского боба на листья верхних узлов в утренние часы (с 8:00 до 10:00 по местному времени), когда температура воздуха критически не высокая, а интенсивность солнечного освещения оптимальная для фотосинтеза растений культуры.