Действие светодиодного облучения разного спектрального состава на фотосинтетический аппарат растений картофеля (Solanum tuberosum L.) в культуре in vitro

Важный этап при получении оздоровленного посадочного материала картофеля — размножение в культуре in vitro. Имеющиеся данные свидетельствуют, что различный спектр облучения может быть использован для регулирования роста и морфогенеза у проростков картофеля ( Solanum tuberosum L.) in vitro (1-4). Так, при облучении люминесцентными лампа-

^∗ Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 15-04-01199а.

ми (красный свет, максимум при X = 660 нм) листья проростков были маленькие, а ростки слабые (2). При освещении синим светом люминесцентных ламп (максимум при X = 480 нм) растения имели хорошо развитые листья. Обогащение спектра красной областью приводило к увеличению площади листовой поверхности (5). Сочетание красных и синих светодиодов способствовало росту и развитию проростков картофеля в лабораторном эксперименте (6).

Следует отметить, что в основном известные работы, посвященные этому вопросу, касались изучения совместного действия красного и синего спектра излучения ламп на ростовые и метаболические процессы в листьях (7-9). Небольшое добавление других спектральных диапазонов, в частности в зеленой (ЗС) области, приводит к повышению эффективности используемых облучателей (7, 10). Положительный эффект на фотосинтетический аппарат и продукционный процесс показан и при использовании дополнительного облучения растений светом с максимумом около X = 630 нм (11, 12). В этом случае изменяется доля активной формы фитохрома В в общем пуле фитохромов, что может приводить к повышению фотосинтетической активности растений (13, 14).

Несмотря на выявленные закономерности при действии светодиодного облучения на ростовые процессы и фотосинтетический аппарат (15-17), вопросы, касающиеся влияния определенных участков спектра на активность световых и темновых реакций фотосинтеза в интактном листе, остаются мало исследованными.

В настоящей работе нами впервые изучена связь активности световой и темновой фаз фотосинтеза и роста у проростков картофеля in vitro при моно- и полихроматическом освещении.

Цель работы заключалась в изучении влияния спектрального состава света на развитие растений и функциональные характеристики фотосинтетического аппарата при размножении растений картофеля в культуре in vitro .

Методика. При получении культуры in vitro в условиях ламинар-бокса верхнюю часть растений картофеля сорта Агрия срезали и высаживали в стерильные пробирки, содержащие питательную среду Мурасиге-Скуга (Murashige T., Skoog F., 1962) для укоренения. Далее пробирки помещали в фитотрон, где они находились в строго контролируемых условиях (температура 18-20 °С, 16-часовой фотопериод).

Источниками освещения служили светодиодные облучатели («ООО Фокус», Россия) (СД) красного (КС, X = 635 нм при полуширине полосы излучения ППИ 45 нм), синего (СС, X = 463 нм, ППИ 23 нм), зеленого (ЗС, X = 521 нм, ППИ 38 нм) и белого света (БС, X = 400-730 нм) с интенсивностью облучения на уровне растений 60-65 мкмоль квантов•м-2•с-1. Часть растений помещали под белые люминесцентные лампы («OSRAM AG», Германия) при той же интенсивности света.

Через 28 сут измеряли площадь листьев, высоту растений. Для учета сухой биомассы в каждом варианте отбирали 6-8 растений, разделяли надземную и подземную части, фиксировали при 105 °С, высушивали при 70 °С и взвешивали.

Скорость СО2-газообмена определяли с помощью переносного инфракрасного газового анализатора LCPro+ («ADC BioScientific Ltd», Великобритания). Кривые зависимости СО2-газообмена листьев от интенсивности света и концентрации углекислого газа в воздухе получали и анализировали согласно описанию (15).

Флуоресценцию хлорофилла измеряли на листьях 2-3-го верхних ярусов, используя флуориметр с импульсно модулированным освещением

(JUNIOR-PAM, «Heinz Walz GmbH», Германия). Параметры флуоресценции регистрировали после 20-минутной темновой адаптации. Определяли эффективный квантовый выход ФС II (фотосистема II), относительную скорость транспорта электронов (ETR), нефотохимическое (NPQ) тушение (18).

Статистическую обработку результатов проводили с помощью программы Statistica 10 («Statsoft Inc.», США). Во всех случаях Р рассчитывали для уровня значимости 0,05. В таблицах и на рисунках приведены средние арифметические значения со стандартной ошибкой ( X ± x ).

Результаты. В задачу нашего исследования входило наблюдение за ростовыми процессами и скоростью фотосинтеза, а также анализ активности световых и темновых реакций фотосинтетического аппарата при укоренении черенков картофеля в зависимости от спектрального состава освещения светодиодными (СД) облучателями.

1. Сухая масса (г) органов растений у картофеля ( Solanum tuberosum L.) сорта Агрия при выращивании in vitro под лампами с разным спектральным составом света ( X ± x )

Тип лампы, спектральный состав света	Лист	Стебель	Корень	Растение
Белые люминесцентные лампы (контроль)	0,55±0,10	0,25±0,02	0,15±0,05	0,94±0,16
Светодиодные лампы:
белый ( λ = 400-730 нм)	0,52±0,03	0,28±0,03	0,06±0,02*	0,86±0,06
синий ( λ = 463 нм)	0,29±0,09*	0,21±0,03	0,02±0,01*	0,52±0,13*
зеленый ( λ = 521 нм)	0,16±0,06*	0,10±0,04*	0,04±0,02*	0,21±0,07*
красный ( λ = 635 нм)	0,13±0,02*	0,14±0,01*	0,02±0,00*	0,28±0,04*

Прим еч ани е. Приведены средние значения для 6-8 растений со стандартной ошибкой. * Различия с контролем достоверны (Р < 0,05).

Спектральный состав света значительно влиял на процессы роста и развития растений (табл. 1). Так, при люминесцентном освещении скорость роста, оцениваемая по накоплению надземной биомассы, оказалась наибольшей. Несколько меньшее накопление биомассы наблюдали при облучении СД белого света. Действие синего света проявлялось в снижении накопления биомассы растениями на 49,5 % по сравнению с вариантом, в котором использовали светодиоды белого света, а при облучении светодиодами ЗС и КС накопление биомассы снижалось соответственно на 75,6 и 67,5 %.

2. Ростовые показатели у растений картофеля ( Solanum tuberosum L.) сорта Агрия при выращивании in vitro под лампами с разным спектральным составом света ( X ± x )

Тип лампы, спектральный состав света	Высота стебля, см	Соотношение биомассы (корни + стебли)/листья	Число междоузлий
Белые люминесцентные лампы (контроль)	16,30±1,83	0,72	8,20±0,55
Светодиодные лампы:
белый ( λ = 400-730 нм)	13,78±0,99	0,65	9,00±0,37
синий ( λ = 463 нм)	19,46±1,18	0,79	9,00±0,30
зеленый ( λ = 521 нм)	24,77±1,53*	0,88	9,30±0,33
красный ( λ = 635 нм)	32,79±1,52*	1,23	10,10±0,31

Прим еч ани е. Приведены средние значения для 6-8 растений со стандартной ошибкой. * Различия с контролем достоверны (Р < 0,05).

Следует также отметить неодинаковый характер распределения сухой биомассы по органам растений в зависимости от типа облучателя и спектрального состава света (табл. 2). Анализ отношения массы стеблей и корней к массе листьев показал, что ее высокое накопление у растений под люминесцентными лампами и СД белого света связано с большим накоплением сухого вещества в листьях по сравнению с корнями и стеблем. При облучении СД КС больше сухой биомассы накапливалось в аттрагирую-щих органах — стебле и корнях.

Выявленные изменения в накоплении сухого вещества при различ- ных спектральных режимах облучения растений связаны с более высокой активностью фотосинтетического аппарата при выращивании под СД БС и СД СС (табл. 3). Скорость фотосинтеза в расчете на единицу площади листовой поверхности в этих вариантах была выше по сравнению с аналогичным показателем при использовании СД ЗС или КС. Для растений в условиях люминесцентного облучения и СД белого света отмечали также высокие значения проводимости устьиц и скорости транспирации.

3. Показатели функционального состояния фотосинтетического аппарата и транспирации у растений картофеля (Solanum tuberosum L.) сорта Агрия при выращивании in vitro под лампами с разным спектральным составом света (X±x)

	Спектральный режим
	ЛС	СД БС СД СС СД КС	СД ЗС

Скорость фотосинтеза, мкмоль СО2•м-2•с-1 9,6±0,8 9,0±0,8 7,8±0,7 5,7±0,5* 4,7±0,5* Скорость транспирации, ммоль Н2О•м-2•с-1 Эффективность использования воды, 4,9±0,2 4,7±0,2 4,6±0,2 2,6±0,1* 3,1±0,2* мкмоль СО2/ммоль Н2О 2,0±0,1 1,9±0,2 2,2±0,1 2,2±0,1 1,5±0,1* Проводимость устьиц, моль H2O•м-2 0,41±0,02 0,38±0,02 0,36±0,03 0,14±0,02* 0,17±0,02* Y (II) 0,51±0,03 0,53±0,02 0,49±0,03 0,47±0,02 0,53±0,02 NPQ 0,51±0,03 0,53±0,03 0,49±0,02 0,47±0,02 0,53±0,03 ETR 61,2±1,6 63,2±2,1 58,2±1,2 56,3±1,7 63,3±2,0 П р и м е ч а н и е. ЛС — люминесцентные лампы (контроль); СД — светодиодные лампы (СД БС — белый свет, λ = 400-730 нм; СД СС — синий свет, λ = 463 нм; СД КС — красный свет, λ = 635 нм; СД

ЗС — зеленый свет, λ = 521 нм); Y (II) — эффективный квантовый выход фотосистемы II, отн. ед.; NPQ — нефотохимическое тушение, отн. ед.; ETR — относительная скорость электронного транспорта. Приведены средние значения для 6-8 растений со стандартной ошибкой.

* Различия с контролем достоверны (Р < 0,05).

Показатели, характеризующие скорость световых и темновых реакций фотоситнеза у растений картофеля ( Solanum tuberosum L.) сорта Агрия при выращивании in vitro под лампами с разным спектральным составом света. ЛС — люминесцентные лампы, БС — белые светодиоды ( λ = 400730 нм), СС — синие светодиоды ( λ = 463 нм), КС — красные светодиоды ( λ = 635 нм), ЗС — зеленые светодиоды ( λ = 521 нм). Аппроксимация углекислотных кривых СО 2 газообмена с использованием модели G.D. Farquhar с соавт. (1980).

Оценка функционального состояния фотосинтетического аппарата показала, что у исследованных растений эффективный квантовый выход ФС II варьировался незначительно (в пределах от 0,47 до 0,53), при этом бóльшие значения отмечались в вариантах с освещением люминесцентным лампами, а также СД с белым и зеленым светом. Скорость электронного транспорта (ЕТР) и нефотохимическое тушение (NPQ) менялись подобным образом в зависимости от условий выращивания растений. В результате в культуре in vitro при малой интенсивности света наблюдаемая низкая скорость фотосинтеза в случае СД КС и СД ЗС связана прежде всего с активностью темновых реакций фотосинтеза и низкой проводимостью устьиц.

Для определения потенциальной активности световых и темновых реакций фотосинтеза были построены углекислотные кривые. Их анализ с использованием биохимической модели (19) показал, что в условиях, когда скорость фотосинтеза не лимитирована по СО2, поглощение углекислоты листьями снижалось в ряду люминесцентные лампы > белые СД > красные СД > синие СД > зеленые СД (рис.).

Максимальная скорость карбоксилирования и большая эффективность реакции наблюдались при облучении растений люминесцентным светом и СД белого света. В вариантах с СД СС, СД КС и особенно СД ЗС скорость карбоксилирования снижалась до величин, составляющих 77,9; 67,9 и 11,1 % от значений под люминесцентными лампами. Эффективность карбоксилирования резко уменьшалась при облучении СД КС и СД ЗС — соответственно до 37,5 % и 6,7 % от максимума. Скорость электронного транспорта при облучении люминесцентными лампами была наибольшей, и в вариантах СД БС, СД КС, СД СС и СД ЗС составила соответственно 97,3; 75,1; 68,0 и 20,8 % относительно этого показателя. Одновременно имело место снижение скорости утилизации триозофосфатов — соответственно до 88,9; 48,7; 28,2 и 9,4 % от величины, наблюдаемой при люминесцентном освещении (100 %).

Полученные результаты показывают, что разный спектральный состав света неодинаково влияет на активность реакций световой и темновой стадии фотосинтеза. В условиях естественной концентрации СО2 при облучении светодиодами, излучающими в разных участках спектра, скорость первичных процессов фотосинтеза изменялась незначительно, но при этом растения формировали фотосинтетический аппарат с модифицированным потенциалом функциональной активности. При повышенной концентрации СО2, когда ограничение скорости фотосинтеза за счет активности темновых процессов снижается, максимальная скорость карбоксилирования и эффективность карбоксилирования мало изменялись при облучении люминесцентными лампами, СД белого и синего света, но значительно снижались в вариантах с СД КС и СД ЗС. В результате данные, полученные нами с использованием модели, подтверждают заключение о влиянии снижения проводимости устьиц на уменьшение скорости фотосинтеза при облучении растений СД КС и особенно СД ЗС за счет торможения потока СО2 к центрам карбоксилирования (см. табл. 3). Наряду со скоростью световых и темновых реакций фотосинтеза дыхательный газообмен также был подвержен влиянию спектрального состава излучения. При освещении растений СД СС отмечалась наибольшая скорость дыхания по сравнению с таковой в других вариантах. Облучение растений СД КС приводило к снижению интенсивности дыхательного газообмена.

Представленные нами данные о действии разных источников облучения на растения при их размножении в культуре in vitro показывают, что в условиях низкой интенсивности света, независимо от его спектрального состава и типа облучателя (люминесцентны лампы или светодиоды), активность световых реакций фотосинтеза существенно не изменяется, а наблюдаемые различия в накоплении сухого вещества растениями обусловлены процессами, связанными с активностью реакций темновой фазы фотосинтеза (скоростью и эффективностью реакции карбоксилирования, 684

скоростью утилизации триозофосфатов), а также со снижением устьичной проводимости. При этом отмечались значительные различия в дыхательном газообмене, в результате чего изменялось соотношение между активностью дыхания и фотосинтеза.

Наблюдаемые изменения в активности фотосинтетического аппарата — не единственная ответная реакция растений на действие света различного спектрального состава (20-22). Данные литературы свидетельствуют о важной роли фоторецепторов в регуляции роста и морфогенеза растений, активности фотосинтетического аппарата (23-25). Большую роль в проявлении действия света играют регуляторные фоторецепторы в разных световых диапазонах (26-28). Так, спектральный состав света не оказывал значительного влияния на первичные ростовые процессы, однако красный свет способствовал интенсивному формированию осевых органов, вероятно, вследствие стимуляции фоторецептора красного света — фитохрома. Напротив, в условиях облучения растений синим светом происходило ингибирование роста, что могло быть обусловлено действием криптохома. Влияние света проявляется также в изменении гормонального статуса растений (содержание и соотношение гиберелинов и ауксинов) и регуляции активности физиологических процессов (22).

Таким образом, исследование функциональных характеристик фотосинтетического аппарата и ростовых процессов у картофеля в культуре in vitro показало сложный характер изменения активности отдельных процессов световой и темновой стадии фотосинтеза в зависимости от типа облучателя и спектрального состава света. При низкой интенсивности светового потока разного спектрального состава изменения в накоплении сухого вещества растениями обусловлены процессами, связанными с разной активностью реакций темновой фазы фотосинтеза. Полученные результаты позволяют подойти к выяснению роли отдельных монохроматических светодиодных облучателей на функционирование фотосинтетического аппарата и направленно использовать светодиодные облучатели при выращивании растений.