Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов

Изучены параметры углекислотного газообмена флагового листа, а также содержание в нем хлорофилла и растворимых углеводов при блокировании проводящей функции флоэмы в период налива зерна у растений озимой пшеницы, выращенных при высоком и пониженном уровнях минерального питания....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автори:	Киризий, Д.А., Франтийчук, В.В., Стасик, О.О.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України 2015
Назва видання:	Физиология растений и генетика
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159492
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов / Д.А. Киризий, В.В. Франтийчук, О.О. Стасик // Физиология растений и генетика. — 2015. — Т. 47, № 2. — С. 136-146. — Бібліогр.: 31 назв. — рус.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-159492
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1594922019-10-06T01:25:38Z Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов Киризий, Д.А. Франтийчук, В.В. Стасик, О.О. Изучены параметры углекислотного газообмена флагового листа, а также содержание в нем хлорофилла и растворимых углеводов при блокировании проводящей функции флоэмы в период налива зерна у растений озимой пшеницы, выращенных при высоком и пониженном уровнях минерального питания. Вивчено параметри вуглекислотного газообміну прапорцевого листка, а також вміст у ньому хлорофілу і розчинних вуглеводів при блокуванні провідної функції флоеми в період наливання зерна у рослин озимої пшениці, вирощених за високого і зниженого рівнів мінерального живлення. The carbon dioxide gas exchange parameters and contents of chlorophyll and soluble sugars after occluding phloem of flag leaf of winter wheat plants grown at high and reduced level of mineral nutrition were studied at grain filling. 2015 Article Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов / Д.А. Киризий, В.В. Франтийчук, О.О. Стасик // Физиология растений и генетика. — 2015. — Т. 47, № 2. — С. 136-146. — Бібліогр.: 31 назв. — рус. 2308-7099 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159492 581.132 ru Физиология растений и генетика Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Изучены параметры углекислотного газообмена флагового листа, а также содержание в нем хлорофилла и растворимых углеводов при блокировании проводящей функции флоэмы в период налива зерна у растений озимой пшеницы, выращенных при высоком и пониженном уровнях минерального питания.
format	Article
author	Киризий, Д.А. Франтийчук, В.В. Стасик, О.О.
spellingShingle	Киризий, Д.А. Франтийчук, В.В. Стасик, О.О. Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов Физиология растений и генетика
author_facet	Киризий, Д.А. Франтийчук, В.В. Стасик, О.О.
author_sort	Киризий, Д.А.
title	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
title_short	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
title_full	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
title_fullStr	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
title_full_unstemmed	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
title_sort	содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов
publisher	Iнститут фізіології рослин і генетики НАН України
publishDate	2015
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/159492
citation_txt	Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов / Д.А. Киризий, В.В. Франтийчук, О.О. Стасик // Физиология растений и генетика. — 2015. — Т. 47, № 2. — С. 136-146. — Бібліогр.: 31 назв. — рус.
series	Физиология растений и генетика
work_keys_str_mv	AT kirizijda soderžanierastvorimyhuglevodovistarenieflagovogolistapšenicypriéksperimentalʹnomblokirovaniiottokaassimilâtov AT frantijčukvv soderžanierastvorimyhuglevodovistarenieflagovogolistapšenicypriéksperimentalʹnomblokirovaniiottokaassimilâtov AT stasikoo soderžanierastvorimyhuglevodovistarenieflagovogolistapšenicypriéksperimentalʹnomblokirovaniiottokaassimilâtov
first_indexed	2025-07-14T12:02:26Z
last_indexed	2025-07-14T12:02:26Z
_version_	1837623722137092096
fulltext	ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И ГЕНЕТИКА. 2015. Т. 47. № 2 УДК 581.132 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ПШЕНИЦЫ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ БЛОКИРОВАНИИ ОТТОКА АССИМИЛЯТОВ Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК Институт физиологии растений и генетики Национальной академии наук Украины 03022 Киев, ул. Васильковская, 31/17 e-mail: phot-ecol@ifrg.kiev.ua Изучены параметры углекислотного газообмена флагового листа, а также содер- жание в нем хлорофилла и растворимых углеводов при блокировании проводя- щей функции флоэмы в период налива зерна у растений озимой пшеницы, вы- ращенных при высоком и пониженном уровнях минерального питания. Блокирование оттока ассимилятов на следующие сутки повышало содержание в листе растворимых углеводов, вызывало резкое снижение интенсивности фото- синтеза, усиление активности фото- и темнового дыхания, индуцировало дест- рукцию хлорофилла. Снижение уровня минерального питания усиливало эти тенденции. Интенсивность фотосинтеза у опытных и контрольных растений тес- но отрицательно коррелировала с уровнями сахарозы и моносахаридов (соответ- ственно r = —0,96 и —0,98). Через 6 сут после начала эксперимента содержание хлорофилла снижалось на 60 и 80 % соответственно при высоком и низком уров- нях питания. Предполагается, что наблюдаемое при торможении оттока ассими- лятов снижение активности фотосинтеза и деградация фотосинтетического ап- парата, связанная с уровнем растворимых углеводов, лежат в основе механизма, индуцирующего процессы старения листьев, когда в них начинает уменьшаться содержание азота в результате ремобилизации азотсодержащих соединений при наливе зерна. Ключевые слова: Triticum aestivum L., фотосинтез, блокирование оттока ассимиля- тов, старение листьев, сахара. Одним из основных факторов дальнейшего повышения урожайности зерновых культур, в частности пшеницы, считается увеличение активно- сти фотосинтетического аппарата [4, 26]. При этом важное значение придается сохранению высокой фотосинтетической активности листьев на поздних этапах вегетации, что обеспечивает лучшие условия налива зерна и формирование высокого урожая. Сорта и генотипы пшеницы, характеризующиеся замедленным старением листьев (признак функцио- нальной ремонтантности), большей частью являются высокопродуктив- ными [18, 31]. Снижение ассимиляционной активности листьев, сопряженное с процессами старения, обычно начинается практически сразу после об- разования зерновок и резко усиливается в период молочно-восковой— восковой спелости зерна. Ключевой составляющей старения листьев яв- ляется ремобилизация питательных элементов, прежде всего азота [17]. Повышение обеспеченности растений азотом замедляет эти процессы, способствуя сохранению ферментных и структурных белков фотосинте- © Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК, 2015 136 тического аппарата, а при недостатке азота ускоряются его деградация и ремобилизация азотсодержащих веществ в зерно. Именно конкуренция за азот между вегетативными и генеративными органами, в которой по- следние имеют более высокий приоритет, лежит в основе старения лис- тьев у монокарпических растений. Многие исследователи придают важное значение соотношению со- держания в листьях растворимых углеводов и азотсодержащих соедине- ний как одному из регуляторных механизмов, запускающих процессы старения [6]. Так, в работах, выполненных на растениях арабидопсиса, показано, что индукция онтогенетического старения листьев может вы- зываться повышенными концентрациями растворимых углеводов, в ча- стности гексоз — глюкозы и фруктозы [30]. При этом эффект высокого содержания углеводов сильнее проявляется при низкой обеспеченности растений азотом, т.е. при повышении соотношения С/N. В работах с са- харной свеклой было отмечено, что экзогенная глюкоза индуцировала процессы старения только взрослых, закончивших рост листьев, но сти- мулировала рост как трофический фактор у молодых листьев [6]. Ранее нами было установлено, что интенсивность фотосинтеза флаговых лис- тьев двух сортов озимой пшеницы в конце вегетации и степень ее сни- жения в ходе онтогенетического старения тесно отрицательно коррели- ровали с содержанием в листьях редуцирующих сахаров, причем эффект зависел от уровня обеспеченности растений элементами минерального питания, преимущественно азотом [11]. Поэтому представляло интерес провести модельный эксперимент по искусственному повышению со- держания в листьях углеводов для уточнения характера их влияния на ассимиляционную деятельность и индукцию старения при различных уровнях минерального питания растений. Целью настоящей работы было изучение изменений параметров углекислотного газообмена и содержания хлорофилла как показателей старения в связи с уровнем растворимых сахаров при блокировании про- водящей функции флоэмы флагового листа пшеницы в период налива зерна. Методика В эксперименте использовали растения озимой мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) cорта Достаток селекции Института физиологии растений и генетики НАН Украины. После перезимовки в полевых ус- ловиях растения в фазу кущения пересаживали в вегетационные сосуды Вагнера емкостью 10 кг почвы. Количество растений в сосуде составля- ло 15 шт. Растения выращивали на вегетационной площадке при естест- венных освещении и температуре на разном фоне основных элементов питания (NPK): высоком — N300P160K160 (мг действующего вещества на 1 кг почвы) и пониженном — N80P32K32. Влажность почвы поддержива- ли на уровне 60—70 % полной влагоемкости (ПВ). В фазу молочно-восковой спелости зерна был проведен экспери- мент по блокированию оттока ассимилятов из флагового листа главного побега. Для этого у части растений в сосуде на основание флагового ли- ста возле стебля накладывали тонкие ватные пояски, смоченные 5 %-м раствором йода. Суть метода состояла в том, что йод прекращает про- цессы жизнедеятельности в клетках флоэмы и транспорт ассимилятов по ним становится невозможным, поскольку является энергозависимым и 137 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 тесно связан с метаболизмом этих клеток. В то же время клетки ксиле- мы, не содержащие цитоплазму, продолжали проводить воду и раство- ренные в ней минеральные вещества в листья, которые не теряли тургор [7]. Через 1 сут пояски снимали, регистрировали показатели углекислот- ного газообмена и транспирации интактных и подвергнутых обработке флаговых листьев. Параллельно отбирали пробы для определения содер- жания в листьях хлорофилла, редуцирующих сахаров и общей суммы растворимых углеводов. Еще через 5 сут (6-е сутки после начала экспе- римента) измерения повторяли. Показатели газообмена регистрировали в контролируемых условиях на установке, смонтированной на базе оптико-акустического инфра- красного газоанализатора ГИАМ-5М, включенного по дифференциаль- ной схеме. Неотделенные от растений флаговые листья размещали в тер- мостатированной (+25 °С) камере и освещали лампой накаливания КГ-2000 через водяной теплофильтр для поглощения инфракрасной ра- диации в спектре ее излучения. Плотность лучистого потока на уровне листьев составляла 400 Вт/м2 ФАР. Через камеру продували атмосфер- ный воздух со скоростью 1 л/мин. Интенсивность фотосинтеза регистрировали через 40—50 мин после начала освещения листьев в камере, когда показатели газообмена выхо- дили на стационарный уровень. Интенсивность транспирации измеряли термоэлектрическим микропсихрометром по разнице влажности воздуха на входе и выходе из камеры, полученные данные использовали при рас- чете листовой проводимости для СО2. Интенсивность фотодыхания оце- нивали по уровню выброса СО2 листом в течение 1 мин после выклю- чения света. Расчеты показателей газообмена проводили согласно стандартной методике [10]. Содержание хлорофилла определяли спектрофотометрически после экстракции диметилсульфоксидом (ДМСО) по методике, приведенной в работе [29]. Для определения содержания углеводов отобранные образ- цы листьев немедленно фиксировали при температуре 105 °С в течение 30 мин и высушивали при 65 °С до постоянной массы. Анализ проводи- ли по методике, описанной Починком [5]. Повторность опыта шестикратная, аналитическая повторность оп- ределений — двух-трехкратная. Данные обработаны статистически с по- мощью электронных таблиц Microsoft Excel. На рисунках представлены среднеарифметические значения и их стандартные погрешности. Результаты и обсуждение На рис. 1 приведены результаты измерений газообмена флаговых листь- ев. Экспериментальные данные пересчитаны в % контроля, чтобы ми- нимизировать влияние погодных условий и онтогенетических вариаций на исследуемые параметры. В качестве контроля принимали значения показателя интактных листьев в варианте с высоким фоном минераль- ного питания. Установлено, что интенсивность углекислотного газооб- мена (фотосинтез, фотодыхание, темновое дыхание) интактных листьев на пониженном фоне была меньше в оба срока измерения, чем на вы- соком. Это вызвано, в первую очередь, недостатком азота, необходимо- го для синтеза ферментных и структурных белков фотосинтетического аппарата [15]. Блокирование оттока ассимилятов из листьев привело к резкому снижению интенсивности видимого фотосинтеза (рис. 1, а). При этом 138 Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 через 1 сут после начала эксперимента на высоком фоне минерального питания интенсивность фотосинтеза снизилась примерно в 3 раза, а на пониженном — в 6 раз по отношению к интактным листьям. На 6-е сут- ки эксперимента этот показатель на высоком фоне составлял лишь 3 % контрольного значения, а на пониженном — был близок к нулю (< 1 %). Интенсивность фотодыхания интактных листьев на пониженном фоне минерального питания была меньше, чем на высоком (см. рис. 1, б). Это объясняется тесным сопряжением фотодыхания с фотосинтезом, поскольку оно в значительной степени связано с оксигеназной функци- ей ключевого фермента цикла Кальвина РБФК/О [9]. Однако в отличие от фотосинтеза интенсивность фотодыхания листьев с блокированным оттоком через 1 сут после начала эксперимента была заметно выше, чем интактных. И лишь на 6-е сутки этот показатель упал ниже контроль- ных значений, хотя его снижение было гораздо менее значительным, чем фотосинтеза (на 40—50 %). Интенсивность темнового дыхания интактных листьев растений на пониженном фоне минерального питания, как и показатели газообмена на свету, была меньше, чем на высоком (см. рис. 1, в). Блокирование от- тока привело к заметному увеличению интенсивности темнового дыха- ния на обоих уровнях питания по сравнению с интактными листьями, причем превышение сохранилось и на 6-е сутки после начала экспери- мента, чего не наблюдалось для фотодыхания. 139 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 Рис. 1. Интенсивности фотосинтеза (а), фотодыхания (б), темнового дыхания (в) и листо- вая проводимость для СО2 (г) флаговых листьев пшеницы (% контроля) на 1- и 6-е сутки после блокирования оттока ассимилятов. Здесь и на рис. 2, 3: 1 — высокий фон питания, интактные листья; 2 — высокий фон, отток блокирован; 3 — низкий фон, интактные листья; 4 — низкий фон, отток блокирован Листовая проводимость для СО2, большую часть которой составля- ет проводимость устьиц, гораздо меньше зависела от применяемых экс- периментальных воздействий, чем интенсивность фотосинтеза (см. рис. 1, г). Так, у интактных листьев различия этого показателя на высоком и пониженном фонах минерального питания были несущественными. Следовательно, функционирование устьичного аппарата меньше зависит от снабжения азотом, чем фотосинтезирующих клеток мезофилла, что отмечалось в других наших работах [1]. Хотя замыкающие клетки усть- иц содержат хлоропласты, их количество меньше, чем в клетках листо- вой паренхимы. Эти органеллы в устьицах выполняют скорее вспомога- тельные функции, среди которых могут быть и сигнальные, в отличие от преимущественно трофических в клетках мезофилла, а также обеспечи- вают замыкающие клетки энергией для движений [22]. Блокирование оттока ассимилятов привело к снижению листовой проводимости для СО2, однако в значительно меньшей степени, чем ин- тенсивности фотосинтеза, что особенно заметно на 6-е сутки экспери- мента. Следовательно, падение интенсивности фотосинтеза в большей мере было обусловлено процессами, происходящими в клетках мезофил- ла, чем изменением проницаемости устьиц для СО2. Наиболее вероят- ной причиной частичного закрытия устьиц при блокировании оттока ас- симилятов (снижение проводимости) было именно уменьшение интенсивности поглощения СО2 клетками мезофилла из межклетников листа. Это привело к повышению концентрации СО2 в межклетниках, что в условиях достаточного влагообеспечения, как правило, является сигналом к уменьшению размеров устьичной щели для поддержания оп- тимального баланса между фотосинтезом и транспирацией, в чем и со- стоит основная функция устьиц [23]. Содержание хлорофилла в массе листовой ткани растений на по- ниженном фоне минерального питания мало отличалось от высокого фона (рис. 2). По-видимому, это связано с тем, что пониженный фон в данном опыте был все же достаточным для синтеза необходимого коли- чества фотосинтетических пиг- ментов. Через 1 сут после бло- кирования оттока ассимилятов данный показатель на высоком фоне практически не изменил- ся, а на низком уменьшился примерно на треть. На 6-е сут- ки эксперимента на обоих фо- нах минерального питания на- блюдалось сильное (в 3—4 раза) уменьшение содержания хлоро- филла в листьях опытных вари- антов по сравнению с интакт- ными. Итак, блокирование отто- ка ассимилятов из флагового листа пшеницы в фазу молоч- но-восковой спелости приводи- ло к значительному снижению интенсивности фотосинтеза и усилению дыхательных процес- 140 Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 Рис. 2. Содержание хлорофилла (% контроля) во флаговых листьях растений пшеницы на 1- и 6-е сутки после блокирования оттока ас- симилятов (контроль — интактные листья рас- тений на высоком фоне минерального пита- ния) сов как на высоком, так и на низком фоне минерального питания. Не- достаток питания усиливал негативное влияние блокирования оттока. Изменение изученных показателей по сравнению с интактными листья- ми наблюдалось уже через 1 сут после начала эксперимента. На 6-е сут- ки различия усугублялись, проявляя характерные признаки старения. Листья теряли большую часть хлорофилла, видимое поглощение СО2 стремилось к нулю. Вместе с тем на свету еще осуществлялось фотоды- хание, хотя его интенсивность уже была меньшей, чем у интактных ли- стьев, а темновое дыхание по-прежнему оставалось выше контрольного уровня. Проводимость устьиц для СО2 также была подвержена влиянию блокирования оттока ассимилятов, однако ее изменения вызывались, очевидно, снижением ассимиляционной активности. Особенно это за- метно на 6-е сутки эксперимента. Несомненно, угнетение фотосинтеза и деградация фотосинтетиче- ских пигментов были вызваны накоплением избытка ассимилятов в ли- стьях в результате блокирования их оттока по флоэме в другие части и органы растения. Вообще история опытов с торможением или полным блокированием оттока ассимилятов из листьев насчитывает не один де- сяток лет [2]. Цели применения такого методического подхода могут быть самыми различными, но их можно разделить на две большие, ино- гда взаимопересекающиеся группы. С одной стороны, это изучение до- норно-акцепторных отношений в растительном организме и механизмов регуляции интенсивности фотосинтеза спросом на ассимиляты, с дру- гой — авторегуляция фотосинтетических процессов на уровне клетки продуктами ее метаболизма, начиная от структуры хлоропластов и про- исходящих в них фото- и биохимических процессов и заканчивая экс- прессией генома. К этой проблеме также тесно примыкают вопросы, связанные с запуском процессов старения и программируемой гибели (апоптоза) клеток листьев в онтогенезе [28]. Последнее объясняется тем, что по мере роста и развития растений, особенно монокарпических, к которым относятся все зерновые культуры, с появлением репродуктив- ных органов резко усиливается спрос на азот в связи с ростом семян и накоплением в них запасных белков. Показано, что в донорно-акцеп- торной системе растения органы размножения имеют наивысший при- оритет как акцепторы ассимилятов. Поэтому в период налива зерна на- чинается реутилизация азота из листьев, в них увеличивается соотношение между содержанием углеводов и соединений азота, что многими авторами рассматривается как один из ключевых моментов за- пуска процессов старения [13, 17]. При этом экспрессируется большое количество специфических, связанных со старением генов, кодирующих различные белки, в том числе участвующих в процессах протеолиза, мо- дификации и транспорта его продуктов [14]. Поскольку блокирование оттока ассимилятов из активно функци- онирующего листа как правило приводит к накоплению в нем избыточ- ного количества углеводов, этот прием можно рассматривать в качестве экспериментального подхода к моделированию процесса ускоренного старения. Основное отличие от интактного листа заключается в том, что азотсодержащие продукты не оттекают из листа, поскольку представля- ют собой органические соединения — аминокислоты и амиды — в нор- мальных условиях также передвигающиеся по флоэме. О значительном повышении содержания растворимых сахаров в листьях пшеницы уже через 1 сут после блокирования флоэмы свиде- 141 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 тельствуют полученные нами данные, представленные на рис. 3. Так, со- держание редуцирующих сахаров в листьях на высоком фоне минераль- ного питания увеличивалось почти в 3 раза, сахарозы — в 2,5 раза. На пониженном фоне содержание редуцирующих сахаров в интактных лис- тьях было больше, чем на высоком, а блокирование оттока приводило к его дальнейшему росту на 50 %. По содержанию сахарозы интактные ли- стья растений на разных фонах минерального питания не отличались, а блокирование флоэмы приводило к 2—3-кратному увеличению этого по- казателя. Как уже упоминалось, в литературе неоднократно описывалось ин- гибирование фотосинтеза избытком сахаров в листьях. Этот избыток в эксперименте можно создать не только блокированием оттока из листа, но и удалением аттрагирующих центров или усилением снабжения рас- тения углеводами, например выращиванием на питательной среде с са- харозой. В таких условиях обычно обсуждают снижение карбоксилиру- ющей активности, содержания РБФК/О и уровня ортофосфата вследствие торможения использования триозофосфатов для синтеза са- харозы, а также угнетение интенсивности транспорта электронов [6, 12]. Вместе с тем показано, что компоненты электронтранспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов характеризуются большей стабильностью, чем РБФК/О [12]. Выявленное в нашей работе повышение интенсивности фотодыха- ния листьев с блокированной флоэмой (см. рис. 1, б) является характер- ной реакцией на избыток ассимилятов. Это было показано и в других наших работах при экспериментальном снижении аттрагирующей силы акцепторов у таких разных культур, как пшеница [8] и сахарная свекла [2]. Подобное усиление фотодыхания мы считаем защитной реакцией фотосинтетического аппарата, которая в условиях избытка ассимилятов выполняет двоякую функцию. Во-первых, играет роль «предохранитель- ного клапана», утилизируя часть избыточных ассимилятов до СО2. Во- вторых, фотодыхание является альтернативным акцептором электронов из ЭТЦ хлоропластов, которая в начале стресса (каковым, несомненно, является блокирование оттока) еще сохраняет свою функциональную активность. Однако вследствие торможения работы цикла Кальвина (ин- гибирование активности РБФК/О) расход продуктов ЭТЦ (АТФ и НАДФ·Н2) сокращается и ее компоненты перевосстанавливаются. Это приводит к образованию активных форм кислорода (АФК), в первую 142 Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 Рис. 3. Содержание во флаговом листе редуцирующих сахаров (а) и сахарозы (б) через 1 сут после блокирования оттока ассимилятов % ба % очередь супероксидных анион-радикалов. И хотя фотодыхание само является источником такой АФК, как Н2О2, супероксидный анион- радикал гораздо более вреден для клетки. Забирая на себя часть элек- тронов из ЭТЦ в стрессовых условиях, фотодыхание снижает его ко- личество и защищает фотосинтетический аппарат от фотоповреждения [9]. Резкое снижение содержания хлорофилла в листьях с блокирован- ным оттоком на 6-е сутки эксперимента (см. рис. 2) свидетельствует о деградации фотосинтетического аппарата во всех звеньях и является признаком старения листа. Фактическое исчезновение к этому времени видимого фотосинтеза и начавшееся снижение интенсивности фотоды- хания связаны с деградацией РБФК/О, вероятно, вследствие активиза- ции протеолиза хлоропластных белков, чему способствует усиление об- разования АФК [21]. Вместе с тем необходимость обеспечения энергией АТФ процессов протеолиза и ремобилизации, по-видимому, была при- чиной интенсификации митохондриального дыхания по сравнению с интактными листьями. Обнаружено, что в клетках стареющего флагово- го листа пшеницы уровень экспрессии фотосинтетических генов падает, а генов, кодирующих ферменты цикла Кребса и компонентов ЭТЦ ми- тохондрий, повышается или остается неизменным [19]. В нашем эксперименте трудно разделить влияние на фотосинтети- ческий аппарат фотоповреждения и окислительного стресса — с одной стороны, и активизации процессов старения — с другой. В опытах с яч- менем блокирование оттока ассимилятов из листьев вызвало деградацию хлорофилла, РБФК/О и экспрессию специфических, связанных со ста- рением генов, что подтверждает надежность использования эксперимен- тального блокирования флоэмного транспорта как модельной системы для изучения индукции старения [25]. Несомненно, что в индукции ста- рения в качестве сигнальных молекул могли выступать АФК и раствори- мые углеводы. О сигнальной роли Н2О2 в растительной клетке в послед- нее время появилось огромное количество литературных источников, которые хорошо проанализированы в монографии [3]. В данном случае нас больше интересовала роль сахаров, в частности моносахаридов, оп- ределяемых как редуцирующие сахара. Вопрос участия сахаров в метаболическом сигналинге в раститель- ной клетке активно дискутируется в литературе. Показано, что глюкоза может участвовать в регуляции экспрессии почти 1000 генов [24]. Наи- более вероятным сенсором считается гексокиназа [20]. В последнее вре- мя еще одним возможным сенсором при регуляции метаболизма сахара- ми называют трегалозофосфатсинтазу и продуцируемый ею сигнальный метаболит трегалозо-6-фосфат [27]. Выявлено, что сигнальные системы с участием сахаров задействованы в процессах роста и развития расте- ний, стрессовых реакциях, запуске процессов старения [16]. Несомненно, что обнаруженное в проведенных нами эксперимен- тах повышение содержания растворимых сахаров в тканях листьев с бло- кированным оттоком ассимилятов оказывало влияние регуляторного и сигнального характера на клеточный метаболизм и в первую очередь — на фотосинтетический. Нами обнаружена тесная отрицательная корре- ляция (r = —0,98) между содержанием редуцирующих сахаров и интен- сивностью фотосинтеза для всех вариантов опыта через 1 сут после на- чала эксперимента (рис. 4). Аналогичная корреляция (r = —0,96) была найдена и для содержания сахарозы. Сахароза — основная транспортная 143 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 форма углеводов как по симпласту, так и по флоэ- ме, поскольку метаболи- чески более инертна, чем редуцирующие моносаха- риды глюкоза и фруктоза. Вместе с тем сахароза яв- ляется осмотически ак- тивным веществом, и ее чрезмерное накопление может привести к нару- шению осмотического равновесия клетки, если не сопровождается ком- партментализацией, на- пример, в вакуоль, как это происходит в запаса- ющих тканях. В любом случае сахарозе приписы- вают преимущественное участие в регуляции рос- товых процессов, тогда как моносахариды связаны с сигнальными системами, получившими название «гексокиназного негативного эф- фекта» [6]. Характерно, что при естественном, онтогенетическом старе- нии снижение интенсивности фотосинтеза в листьях озимой пшеницы тесно коррелировало с содержанием моносахаридов, но не сахарозы [11]. Таким образом, показано, что экспериментальное блокирование оттока ассимилятов из флагового листа пшеницы в период налива зерна вызывает повышение содержания в листьях растворимых углеводов, что приводит к резкому снижению интенсивности фотосинтеза, усилению дыхания, а также индуцирует деструкцию хлорофилла. Снижение уров- ня минерального питания усиливало эти тенденции. Найдена тесная отрицательная корреляция между содержанием в листе растворимых углеводов и интенсивностью фотосинтеза уже через 1 сут после блокирования флоэмы, что дает основание утверждать учас- тие этих веществ в регуляции ассимиляции СО2 при изменении угле- водно-азотного баланса клеток мезофилла. Можно предположить, что аналогичный механизм участвует в запуске процессов старения листьев, когда в них начинает снижаться содержание азота в результате ремоби- лизации азотсодержащих соединений при наливе зерна пшеницы. 1. Кірізій Д.А., Веселовська Л.І., Коць С.Я. Вплив посухи на газообмін листків сої, іноку- льованої ризобіями із застосуванням насіннєвого лектину // Физиология растений и генетика. — 2014. — 46, № 6. — С. 498—506. 2. Киризий Д.А. Фотосинтез и рост растений в аспекте донорно-акцепторных отноше- ний. — Киев: Логос, 2004. — 192 с. 3. Колупаев Ю.Е., Карпец Ю.В. Формирование адаптивных реакций растений на действие абиотических стрессоров. — Киев: Основа, 2010. — 350 с. 4. Моргун В.В., Кірізій Д.А. Перспективи та сучасні стратегії поліпшення фізіологічних оз- нак пшениці для підвищення продуктивності // Физиологи и биохимия культ. расте- ний. — 2012. — 44, № 6. — С. 463—483. 5. Починок Х.Н. Методы биохимического анализа растений. — Киев: Наук. думка, 1976. — 334 с. 144 Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 Рис. 4. Зависимость интенсивности видимого фото- синтеза от содержания в листе редуцирующих сахаров у растений пшеницы, выращенных на разном фоне минерального питания, через 1 сут после блокирова- ния оттока ассимилятов 6. Романова А.К., Новичкова Н.С., Игнатьев А.Р. и др. Вариабельность ключевых биохими- ческих параметров при дефиците нитрата и избыточном накоплении глюкозы в старе- ющих листьях сахарной свеклы // Физиология растений. — 2014. — 61, № 4. — С. 536— 545. 7. Сакало В.Д., Курчий В.М. Роль эндогенной сахарозы в регуляции активности сахаро- зометаболизирующих ферментов в сахарной свекле // Физиология и биохимия культ. растений. — 2007. — 39, № 1. — С. 73—81. 8. Соколовська-Сергієнко О.Г., Кірізій Д.А., Стасик О.О. Роль антиоксидантних ферментів хлоропластів і фотодихання у захисті фотосинтетичного апарату за порушення до- норно-акцепторного балансу рослин озимої пшениці // Там же. — 2012. — 44, № 2. — С. 140—146. 9. Стасик О.О. Фотодыхание: метаболизм и физиологическая роль // Современные про- блемы фотосинтеза. Т. 2 / Под ред. С.И. Аллахвердиева, А.Б. Рубина, В.А. Шувало- ва. — М.; Ижевск: Ин-т компьют. исследований, 2014. — С. 505—535. 10. Фотосинтез и биопродуктивность: методы определения / Под ред. А.Т. Мокроносова, А.Г. Ковалева. — М.: Агропромиздат, 1989. — 460 с. 11. Франтийчук В.В., Стасик О.О., Киризий Д.А., Рыжикова П.Л. Зависимость между фо- тосинтетической активностью и содержанием сахаров во флаговом листе в конце на- лива зерна у контрастных по продуктивности сортов озимой пшеницы при разном уровне минерального питания // Физиология растений и генетика. — 2014. — 46, № 6. — С. 473—481. 12. Araya T., Noguchi K., Terashima I. Effects of carbohydrate accumulation on photosynthesis differ between sink and source leaves of Phaseolus vulgaris L. // Plant Cell Physiol. — 2006. — 47, N 5. — P. 644—652. 13. Avni R., Zhao R.R., Pearce S. et al. Functional characterization of GPC-1 genes in hexaploid wheat // Planta. — 2014. — 239, N 2. — P. 313—324. 14. Buchanan-Wollaston V., Page T., Harrison E. et al. Comparative transcriptome analysis reveals significant differences in gene expression and signalling pathways between develop- mental and dark/starvation-induced senescence in Arabidopsis // Plant J. — 2005. — 42. — P. 567—585. 15. Cabrera-Bosquet L., Albrizio R., Araus J.L., Noques S. Photosynthetic capacity of field-grown durum wheat under different N availabilities: A comparative study from leaf to canopy // Environ Exp. Bot. — 2009. — 67, N 1. — P. 145—152. 16. Eveland A.L., Jackson D.P. Sugars, signalling, and plant development // J. Exp. Bot. — 2012. — 63, N 9. — P. 3367—3377. 17. Gaju O., Allard V., Martre P. et al. Nitrogen partitioning and remobilization in relation to leaf senescence, grain yield and grain nitrogen concentration in wheat cultivars // Field Crops Res. — 2014. — 155. — P. 213—223. 18. Gregersen P.L., Culetic A., Boschian L. et al. Plant senescence and crop productivity // Plant Mol. Biol. — 2013. — 82, N 6. — P. 603—622. 19. Gregersen P.L., Holm P.B. Transcriptome analysis of senescence in the flag leaf of wheat (Triticum aestivum L.) // Plant Biotechnol. J. — 2007. — 5, N 1. — P. 192—206. 20. Harrington G.N., Bush D.R. The bifunctional role of hexokinase in metabolism and glucose signaling // Plant Cell. — 2003. — 15, N 11. — P. 2493—2496. 21. Khanna-Chopra R. Leaf senescence and abiotic stresses share reactive oxygen species-medi- ated chloroplast degradation // Protoplasma. — 2012. — 249. — P. 469—481. 22. Lawson T. Guard cell photosynthesis and stomatal function // New Phytol. — 2009. — 181, N 1. — P. 13—34. 23. Lawson T., Simkin A.J., Kelly G., Granot D. Mesophyll photosynthesis and guard cell meta- bolism impacts on stomatal behaviour // Ibid. — 2014. — 203, N 4. — P. 1064—1081. 24. Lee E.-J., Koizumi N., Sano H. Identification of genes that are up-regulated in concert du- ring sugar depletion in Arabidopsis // Plant Cell Environ. — 2004. — 27. — P. 337—345. 25. Parrit D.L., McInnerney K., Feller U., Fisher A.M. Steam-girdling of barley (Hordeum vulgare) leaves leads to carbonate accumulation and accelerated leaf senescence, facilitating trans- criptomic analysis of senescence-assosiated genes // New Phytol. — 2007. — 176, N 1. — P. 56—69. 26. Parry M., Reynolds M. Raising yield potential of wheat. II. Increasing photosynthetic capa- city and efficiency // J. Exp. Bot. — 2011. — 62, N 2. — P. 453—467. 27. Schluepmann H., Berke L., Sanchez-Perez G.F. Metabolism control over growth: a case for trehalose-6-phosphate in plants // Ibid. — 2012. — 63, N 9. — P. 3379—3390. 28. Srivalli S., Khanna-Chopra R. Delayed wheat flag leaf senescence due to removal of spikelets is associated with increased activities of leaf antioxidant enzymes, reduced glutathione/oxi- dized glutathione ratio and oxidative damage to mitochondrial proteins // Plant Physiol. Biochem. — 2009. — 47. — P. 663—670. 145 СОДЕРЖАНИЕ РАСТВОРИМЫХ УГЛЕВОДОВ И СТАРЕНИЕ ФЛАГОВОГО ЛИСТА ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2 29. Wellburn A.R. The spectral determination of chlorophylls a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution // J. Plant Physiol. — 1994. — 144, N 3. — P. 307—313. 30. Wingler A., Roitsch T. Metabolic regulation of leaf senescence: interactions of sugar signalling with biotic and abiotic stress responses // Plant Biol. — 2008. — 10, Suppl. 1. — P. 50—62. 31. Wu X.Y., Kuai B.K., Jia J.Z. et al. Regulation of leaf senescence and crop genetic improve- ment // J. Integr. Plant Biol. — 2012. — 54, N 12. — P. 936—952. Получено 31.01.2015 ВМІСТ РОЗЧИННИХ ВУГЛЕВОДІВ І СТАРІННЯ ПРАПОРЦЕВОГО ЛИСТКА ПШЕНИЦІ ПРИ ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ БЛОКУВАННІ ВІДТОКУ АСИМІЛЯТІВ Д.А. Кірізій, В.В. Франтійчук, О.О. Стасик Інститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України, Київ Вивчено параметри вуглекислотного газообміну прапорцевого листка, а також вміст у ньо- му хлорофілу і розчинних вуглеводів при блокуванні провідної функції флоеми в період наливання зерна у рослин озимої пшениці, вирощених за високого і зниженого рівнів мінерального живлення. Блокування відтоку асимілятів на наступну добу підвищувало вміст у листку розчинних вуглеводів, зумовлювало різке зниження інтенсивності фотосин- тезу, посилення активності фото- і темнового дихання, індукувало деструкцію хлорофілу. Зниження рівня мінерального живлення посилювало ці тенденції. Інтенсивність фотосин- тезу в дослідних і контрольних рослинах тісно негативно корелювала з рівнями сахарози і моносахаридів (відповідно r = —0,96 і —0,98). Через 6 діб після початку експерименту вміст хлорофілу знижувався на 60 і 80 % відповідно за високого і низького рівнів живлення. Припускається, що зниження активності фотосинтезу, яке спостерігається при гальму- ванні відтоку асимілятів, і деградація фотосинтетичного апарату, пов’язана з підвищенням вмісту розчинних вуглеводів, лежать в основі механізму, що індукує процеси старіння листків, коли в них починає зменшуватися вміст азоту в результаті ремобілізації азо- товмісних сполук при наливанні зерна. CONTENT OF SOLUBLE CARBOHYDRATES AND SENESCENCE OF WHEAT FLAG LEAF INDUCED BY EXPERIMENTAL ASSIMILATES OUTFLOW INTERRUPTION D.A. Kiriziy, V.V. Frantiychuk, O.O. Stasik Institute of Plant Physiology and Genetics, National Academy of Sciences of Ukraine 31/17 Vasylkivska St., Kyiv, 03022, Ukraine The carbon dioxide gas exchange parameters and contents of chlorophyll and soluble sugars after occluding phloem of flag leaf of winter wheat plants grown at high and reduced level of mineral nutrition were studied at grain filling. Blocking outflow of assimilates increased the content of sol- uble carbohydrates in the leaf on the next day and caused a sharp decline in the rate of photo- synthesis, increased activity of photo- and dark respiration and induced chlorophyll degradation. These changes were greater at lower mineral nutrition. The rate of photosynthesis in the treated and control plants was closely negatively correlated with the level of sucrose and monosaccharides (r = —0.96 and —0.98, respectively). After 6 days following the treatment chlopophyll content dropped by 60 and 80 % at high and low nutrition respectively. The data suggested that increase in the content of soluble sugars due to phloem occlusion provoke the reduction of photosyn- thetic activity and degradation of the photosynthetic apparatus and this is the mechanism under- lying the leaf senescence induction when the nitrogen content drops as a result of remobilization of nitrogen-containing compounds to the grain. Key words: Triticum aestivum L., photosynthesis, blocking assimilates outflow, leaf senescence, sugars. 146 Д.А. КИРИЗИЙ, В.В. ФРАНТИЙЧУК, О.О. СТАСИК ISSN 2308-7099. Физиология растений и генетика. 2015. Т. 47. № 2

Содержание растворимых углеводов и старение флагового листа пшеницы при экспериментальном блокировании оттока ассимилятов

Репозитарії

Схожі ресурси