Сезонная динамика относительной фотоабсорбции в зеленых листьях растений

Климатические изменения и антропогенные воздействия сопровождаются трансформацией растительного покрова, в связи с этим особое значение приобретает прогноз состояния растений в различных экологических условиях. Адаптация растений связана с перестройками высокочувствительного к внешним воздействиям ассимилирующего аппарата. При этом показательными и значимыми оценками состояния растений могут служить изменения фотосинтетических процессов. Исследование их адаптационных изменений представляет особый интерес для выяснения общих закономерностей, связанных с формированием устойчивости биоценозов, а также их возможных вариаций в изменяющихся условиях. Кроме того, эти данные могут послужить дальнейшему развитию представлений о модифицирующей роли возрастной изменчивости растений и новых взглядов на оценку биологического разнообразия [1].

Как известно [2], фоторецепторная система зеленого листа строится на основе двух важнейших типов химических соединений: тетрапирролов, образующих циклические структуры хлорофиллов и открытую структуру пигментов фикобилинов, а также полиизопреноидов, порождающих большой и разнообразный класс каротиноидов. В каждой из этих групп веществ путем видоизменения основной структуры, образуется несколько химически различных соединений с максимумами поглощения в видимой части оптического диапазона от 400 до 800 нм в так называемом диапазоне фотосинтетически активной радиации. Вместе с тем, в утилизации энергии света участвуют также разнообразные пигменты листьев, имеющие в своей структуре хромофорные группы, - антоцианы, флавоноиды, алкалоиды и др., поглощающие световую энергию обычно в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне 220-360 нм.

Соотношения поглощения световой энергии хлорофиллами и другими пигментами могут использоваться как показатели напряженности фотосинтетических процессов, что имеет практическое значение, например, для характеристики влияния среды на

состояние растительных ресурсов. Сравнительно простым и достаточно точным методом оценки указанных соотношений служит спектрофотометрия извлечений из зеленого листа. Ранее нами было показано [3], что растения по спектральным показателям спиртовых экстрактов из листьев подразделяются на несколько групп в зависимости от длины волны наиболее высокого максимума (НВМ) в спектре поглощения. В экстрактах из листьев одной группы НВМ находятся в коротковолновой части УФ диапазона от 250 до 300, другой – от 320 до 360 и третьей в видимом диапазоне от 410 до 450 нм. Экстракты из листьев растений, относящихся к той или иной группе, различаются и относительным поглощением хлорофиллов по сравнению с другими пигментами. Приведенные данные, характеризующие соотношения поглощения света, вполне вероятно, можно использовать и для оценки состояния растений в различных экологических условиях.

Цель работы: изучение относительное поглощательной способности хлорофиллов растений Приморья, исследование её суточной и сезонной изменчивости в зависимости от фаз вегетации и факторов среды.

Материалом исследований служили листья смородины черной ( Ribes nigrum L.) сорта 'Чемпион Приморья' и смородины красной ( Ribes rubrum L.) сорта 'Ранняя сладкая' (семейства Grossulariaceae), боярышника перистонадрезанного ( Crataegus pinnatifida Bunge., Rosaceae), сирени обыкновенной ( Syringa vulgaris L., Oleaceae), жимолости Маака ( Lonicera maackii (Rupr.) Herd., Capriofoliaceae) и калужницы болотной ( Caltha palustris L., Ranunculaceae), произрастающих на территории юга Приморского края.

От растений с использованием рандомизации случайными числами отбирали пробы по 3 листа. Из каждого листа тотчас вырезали в средней трети симметрично осевой жилке два фрагмента 1x1 см, которые растирали в ступке с кварцевым песком, небольшим количеством углекислого магния и 10-ю мл 95% этанола, затем фильтровали во флаконы темного стекла. Спектры поглощения (СП) фильтратов регистрировали на цифровом спектрофотометре UV-2501PC (Shimadzu, Япония) в диапазоне 220-710 нм с шагом 1 нм, обрабатывали по описанной ранее авторской методике [4], находили длину волны и оптическую плотность НВМ. Относительную поглощательную способность хлорофиллов сравнительно с другими пигментами оценивали по коэффициенту относительной фотоабсорбции (КОФ), равному отношению оптической плотности (A664) на аналитической длине волны 664 нм, соответствующей максимуму поглощения хлорофилла, к оптической плотности (AНВМ) на длине волны наиболее высокого максимума КОФ = A664/AНВМ. Предварительно было выявлено, что КОФ в течение суток варьирует в пределах 7-10%, достигая максимума в 14.0016.00 (рис. 1). В эти часы в дальнейшем от растения каждого вида отбирали 15 проб 20-го числа с апреля по сентябрь. Материал обрабатывали статистически методами малой выборки и линейной парной корреляции [5].

Температуру воздуха измеряли ртутным термометром типа ТТ (ГОСТ 2823-73) при заборе проб. Продолжительность светового дня (ПСД) брали на сайте г. Владивостока. Для удобства сопоставлений и анализа фазам вегетации (ФВ) присвоили условные баллы: набухание почек и появление первых листьев, или начало вегетации – 0, бутонизация – 1, полное цветение – 2, плодоношение – 3, созревание – 2, диссеменация – 1 и окончание вегетации – 0.

Зарегистрированные АОС имели от 6 до 8 максимумов разной оптической плотности, или высоты в УФ и видимом диапазонах. Например, СП спиртового извлечения из листьев черной смородины (рис. 2, кривая 2), собранных в июле, включает 7 максимумов.

Рис. 1. Суточная вариация относительной фотоабсорбции в листьях черной смородины. По вертикали – значения КОФ, отн. ед.; по горизонтали – время t суток, час.

Первый максимум (267 нм), имеющий наибольшее значение оптической плотности (AНВМ), второй и третий (336 и 337 нм) с оптическими плотностями на 37% меньше расположены в УФ, а остальные максимумы в видимом диапазонах. Четвертый (434 нм, пурпурно-синий) на 33, пятый (466 нм, синий) на 60, шестой (618 нм, красновато-оранжевый) на 90,3 и седьмой (664 нм, красный) на 59% меньше первого по высоте. Последний максимум выше предыдущего в 4,22 раза. Наименьший минимум приходится на «зеленую» волну 525 нм. (Градации цветов даны по графику цветностей Международной комиссии по освещению [6].) В приведенном примере совокупность максимумов видимой области, соответствующих поглощению хлорофиллами и каротиноидами, составляет типичный для этанольных извлечений из зеленых листьев спектральный комплекс, а максимумы УФ диапазона обусловлены поглощением хромофорами антоцианов, флавоноидов и др. пигментов листа, что согласуется с данными литературы [7, 8].

Данные на примере черной смородины показывают, что в СП извлечений из листьев в начале и в конце вегетации (рис. 2, кривые 2 и 3) высота «хлорофилловых» максимумов в 1,35-1,95 и «каротиноидных» в 1,71-1,83 раза меньше, чем в фазе плодоношения, а длины волн соответствующих максимумов не изменяются. Аналогичные тенденции наблюдались в СП извлечений из листьев всех исследованных растений. Судя по полученным данным, в спектрах поглощения, зарегистрированных для извлечений из листьев в разных фазах вегетации, положения максимумов практически неизменны, а их оптическая плотность, отображающая концентрацию веществ, значительно изменяется.

Рис. 2. Спектры поглощения спиртовых извлечений из листьев черной смородины:

1 - в начале вегетации (май), 2 - в период плодоношения (июль), 3 – в заключительном этапе вегетации (сентябрь). По вертикали – оптическая плотность A , отн. ед.; по горизонтали – длина волны λ , нм

Рис. 3. Изменения относительной фотоабсорбции в течение вегетационного периода в экстрактах из: листьев калужницы болотной (1), черной (2) и красной (3) смородины, боярышника перистонадрезанного (4). Звездочкой отмечено начало цветения. По вертикали - КОФ, отн. ед.; по горизонтали – время t наблюдения, дни

Величина КОФ по мере вегетационного развития растения также претерпевает соответствующие изменения. Так, КОФ возрастает после начала цветения, достигая максимума в фазе плодоношения: у боярышника в 2,09, черной смородины в 2,05, красной смородины 1,84, жимолости Маака в 1,64, сирени в 1,14

и калужницы в 1,03 раза по сравнению с начальной фазой (рис. 3). На заключительных фазах вегетации созревания и диссеменации КОФ уменьшается, приближаясь к значениям, полученным в начале вегетации.

Неизменность положения максимумов в СП экстрактов из зеленых листьев, собранных в разные фазы вегетации, и существенные изменения высоты максимумов, особенно соответствующих поглощению хлорофиллов, свидетельствует о стабильности качественного набора веществ и изменчивости их концентраций, достигающей максимума в фазе плодоношения, что и отображается сезонной динамикой КОФ. Сказанное не противоречит литературным данным [10, 11], полученным при изучении структурно-функциональных сдвигов фотосинтетического аппарата, ультраструктуры клеток мезофилла и пигментного комплекса хлоропластов на примере лиственницы сибирской.

Поскольку важнейшими внешними факторами, влияющими на фотосинтез, служат температура окружающей среды и продолжительность светового дня [9], то, вероятно, их изменения могли сказываться на величине КОФ. Как показали результаты корреляционного анализа (табл. 1), наиболее высокий коэффициент корреляции (R) относительной фотоабсорбции отмечается у черной смородины с ФС, а с температурой среды и ПСД в 1,16-1,41 раза меньше. Аналогичные корреляции получены и для красной смородины. У боярышника наибольшая сила связи КОФ прослеживается также с

ФВ, а с температурой и ПСД в 1,14-1,46 раза меньше. Напротив, у сирени R имеет наибольшие значения для связи КОФ с ПСД, для связи с ФВ в 1,2 раза меньше, а с температурой корреляция недостоверна. Примерно одинаковые взаимосвязи КОФ прослеживаются у жимолости Маака и калужницы - с ФВ наибольшие, а с температурой и ПСД недостоверные. Таким образом, в среднем для всех исследованных растений выявлена наиболее сильная связь КОФ с ФВ и несколько меньшей силы с ПСД и температурой.

КОФ, как относительный показатель фотосинтетических процессов, проявляет связь с факторами среды температурой воздуха и продолжительностью светового дня. Поскольку КОФ является интегрированным показателем состояния важнейших фотосинтетических процессов, безусловно, представляет интерес проведение исследований его изменчивости под влиянием различных антропогенных загрязнений среды, что планируется провести в дальнейшем. Изменения КОФ в процессе вегетации характерны для растений всех выделенных нами трех групп [12, 13] в зависимости от принадлежности НВМ к тому или иному оптическому диапазону. Так, боярышник перистонадрезан-ный , жимолость Маака и сирень обыкновенная входят в первую группу (длины волн НВМ от 250 до 310 нм), черная и красная смородина во вторую (320-360) и калужница болотная в третью (410-450), соответственно у калужницы КОФ достигает наибольших значений, смородины средних и у боярышника наименьших.

Таблица 1. Температура (Т,ºС), продолжительность светового дня (ПСД, часы), фазы вегетации (ФВ, условные баллы) при наблюдении разных растений и коэффициент корреляции (R) между относительной фотоабсорбцией и факторами (* - недостоверно при p > 0,05)

Растение	Фак тор	Дни наблюдений						R
		20	50	81	111	142	173
		апрель	май	июнь	июль	август	сентябрь	Фактор
	Т	8±1	14±1	20±1	22±1	17±1	15±1
	ПСД	13,6	14,1	15,4	14,9	13,8	12,3	Т	ПСД	ФВ
черная смородина	ФВ	0	1	2	3	1	0	0,79 ±0,15	0,65 ±0,23	0,92 ±0,06
красная смородина	ФВ	1	2	3	2	1	0	0,81 ±0,14	0,85 ±0,11	0,79 ±0,15
боярышник	ФВ	0	1	2	3	2	1	0,69 ±0,21	0,54 ±0,19	0,79 ±0,14
сирень	ФВ	0	2	2	3	1	0	0,14* ±0,08	0,78 ±0,16	0,65 ±0,23
жимолость	ФВ	0	2	3	2	1	0	0,34* ±0,12	0,38* ±0,09	0,68 ±0,21
калужница	ФВ	2	2	3	1	0	0	0,27* ±0,06	0,31* ±0,11	0,93 ±0,05

Выводы: результаты работы дополняют представления о вариабельности фотосинтетических процессов на различных фазах вегетации и могут служить основой при разработке методов оценки устойчивости растений в условиях изменяющейся среды обитания. Следует заметить, что получение значений КОФ для одной пробы занимает примерно 15 мин., включая подготовку экстракта, регистрацию спектра и другие сопутствующие манипуляции. При этом не требуется дополнительных реактивов, а погрешность современного цифрового спектрофотометра, как известно [14], не превышает ±0,004 A. Описанная методика определения относительной поглощательной способности хлорофиллов зеленого листа довольно проста и мало трудоемка (по сравнению, скажем, с тонкослойной хроматографией), что немаловажно в полевой практике, имеет достаточно высокую точность. КОФ можно использовать в качестве спектрофотометрического теста фотосинтетических процессов при экспресс-анализе, контроле, мониторинге состояния растений и других задачах, связанных с экологией растительных ресурсов.