Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ЗАВИСИМОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ОТВЕТА ОТ АМПЛИТУДЫ ВАРИАБЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА У ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ

Шерстнева О.Н. 1 Сурова Л.М. 1 Воденеев В.А. 1 Сухов В.С. 1
1 ФГАОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Локальные повреждения вызывают у растений обратимую инактивацию фотосинтеза, которая играет адаптивную роль и обусловлена, по-видимому, генерацией и распространением специфического электрического сигнала – вариабельного потенциала. Однако, остается практически неисследованным вопрос, каким образом фотосинтетический ответ зависит от параметров вариабельного потенциала. В настоящей работе был проведен анализ этой проблемы у проростков пшеницы 14–15-дневного возраста. Электрическую активность регистрировали с использованием стандартной электрофизиологической установки для экстраклеточных измерений. Фотосинтетические процессы исследовали с использованием стандартной системы, включающей в себя инфракрасный газоанализатор и РАМ-флуориметр. Все измерения проводили на втором листе. Было показано, что локальный ожог кончика листа вызывал распространение вариабельного потенциала по листу. В области прохождения вариабельного потенциала наблюдалась обратимая инактивация фотосинтеза, которая включала в себя существенное снижение уровня ассимиляции CO2, небольшое снижение квантовых выходов обеих фотосистем и рост нефотохимического тушения флуоресценции. При этом было показано, что величина снижения ассимиляции и роста нефотохимического тушения линейно зависела от амплитуды вариабельного потенциала. Полученные результаты показывают роль электрических сигналов в формировании фотосинтетического ответа. На их основании обсуждаются возможные пути влияния вариабельного потенциала на фотосинтез.
локальные повреждения
вариабельный потенциал (ВП)
фотосинтез
функциональный ответ
1. Воденеев В.А., Опритов В.А., Пятыгин С.С. Обратимое изменение внеклеточного pH при генерации потенциала действия у высшего растения Cucurbita pepo // Физиология растений. – 2006. – T. 53. – C. 583–545.
2. Опритов В.А., Пятыгин С.С., Ретивин В.Г. Биоэлектрогенез у высших растений. – М.: Наука, 1991. – 216 с.
3. Fromm J., Lautner S. Electrical signals and their physiological significance in plants // Plant, Cell and Environ. – 2007. – Vol. 30. – P. 249–257.
4. Grams T.E.E., Koziolek C., Lautner S., Matyssek R., Fromm J. Distinct roles of electric and hydraulic signals on the reaction of leaf gas exchange upon re-irrigation in Zea mays L. // Plant Cell Environment – 2007 – Vol. 30. – P. 79–84.
5. Grams T.E.E., Lautner S., Felle H.H., Matyssek R., Fromm J. Heat-induced electrical signals affect cytoplasmic and apoplastic pH as well as photosynthesis during propagation through the maize leaf // Plant Cell Environment – 2009 – Vol. 32. – P. 319–326.
6. Mancuso S. Hydraulic and electrical transmission of wound-induced signals in Vitis vinifera // Australian Journal of Plant Physiology – 1999 – Vol. 26. – P. 55-61.
7. Pena-Cortes H., Fisahn J., Willmitzer L. Signals involved in wound-induced proteinase inhibitor II gene expression in tomato and potato plants // Proceedings of the National Academy of Sciences USA – 1995 – Vol. 92. – P. 4106–4113.
8. Sukhov V., Orlova L., Mysyagin S., Sinitsina J., Vodeneev V. Analysis of the photosynthetic response induced by variation potential in geranium // Planta – 2012 – Vol. 235. – P. 703–712.
9. Sukhov V., Sherstneva O., Surova L., Katicheva L., Vodeneev V. Proton cellular influx as a probable mechanism of variation potential influence on photosynthesis in pea // Plant Cell Environment – 2014 – Vol. 37. – P. 2532–2541.
10. Vodeneev V., Orlova A., Morozova E., Orlova L., Akinchits E., Orlova O., Sukhov V. The mechanism of propagation of variation potentials in wheat leaves // Journal of Plant Physiology – 2012 – Vol. 169. – P. 949–954.

Электрогенез, т.е. способность к генерации электрических потенциалов, является универсальным свойством живых организмов, включая растения [2, 3]. При локальном действии неблагоприятных факторов у растений возникают электрические сигналы, проходящие в интактные участки растения [2]. В настоящее время чаще всего выделяют два типа электрических сигналов у высших растений [2, 3]: возникающий при действии неповреждающих стимулов потенциал действия (ПД) и индуцируемый повреждающими воздействиями вариабельный потенциал (ВП).

ПД представляет собой импульсную реакцию, возникающую в ответ на действие умеренных стимулов и способную к активному распространению по проводящим пучкам растения [2]. Основной механизм ПД связан с потоками кальция, хлора и калия, однако участие протонной АТФазы в процессе представляется также возможным [1]. ВП является электрической реакцией вариабельной формы и связан прежде всего с обратимой инактивацией протонной АТФазы [2]. Распространение ВП связано с распространением по проводящим пучкам неэлектрического сигнала гидравлической, химической или комплексной природы [6, 10].

С другой стороны, известно, что при локальном действии неповреждающих и повреждающих стимулов в интактных участках растения могут развиваться разнообразные функциональные ответы, включая изменения фотосинтетической активности [7], т.е. существуют быстрые стрессовые сигналы, распространяющиеся по растительному организму. Электрические сигналы являются наиболее вероятным кандидатом на роль таких сигналов [3], однако экспериментальные доказательства такого участия ограничены. Так, в случае ВП было показано, что инактивация фотосинтеза развивается только при прохождении сигнала в лист [8], а времена начала развития фотосинтетического ответа в разных частях растения отражают динамику распространения вариабельного потенциала [5]. При этом совершенно неисследованной остается зависимость фотосинтетического ответа от параметров электрического сигнала, в первую очередь его амплитуды. Таким образом, целью настоящей работы стало исследование зависимости параметров фотосинтетического ответа от амплитуды вариабельного потенциала у проростков пшеницы.

Материалы и методы исследования

В работе использовались проростки мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.) возрастом 14–15 суток, выращенные гидропонным способом на 50 % среде Хогланда – Арнона в климатической камере KBW-240 («Binder») при температуре 24 °С и 16-часовом световом периоде.

ВП вызывали ожогом открытым пламенем кончика второго листа пшеницы в течение 2 с. Исследования фотосинтетической и электрической активности проводились на втором листе.

Электрофизиологические измерения проводились методом экстраклеточной регистрации с использованием двух пар неполяризующихся хлорсеребряных макроэлектродов ЭВЛ-1M3, высокоомного милливольтметра ИПЛ-113 и ПК. Первый (Э1) и второй (Э2) измерительные электроды располагались на расстоянии 4 и 8 см от места ожога соответственно. Электрод сравнения находился в жидкости, контактировавшей с корнями растения.

Параметры фотосинтеза, включая скорость ассимиляции CO2 (A), нефотохимическое тушение флуоресценции (NPQ) и квантовые выходы фотосистем I (γ(PSI)) и II (γ(PSII)), были определены с использованием стандартной системы для фотосинтетических исследований, включающей в себя газоанализатор GFS-3000, РАМ-флуориметра Dual-PAM-100 и измерительного блока Cuvette 3010-Dual. Измерение проводилось на участке листа, расположенном между электродами. Темновая адаптация перед включением света и время освещения перед ожогом составляли по 30 мин каждое.

Эксперименты проводились в восемнадцатикратной биологической повторности. При анализе связи параметров фотосинтеза и амплитуды ВП все 18 результатов ранжировались по возрастанию амплитуды сигнала под первым или вторым электродом. После этого каждый набор данных делился на три равные группы (по 6 экспериментов для низкой, средней и высокой амплитуды ВП), для каждой из которых оценивались средние значения электрических и фотосинтетических параметров.

Результаты исследования
и их обсуждение

На первом этапе исследования была изучена способность локальных ожогов вызывать распространение электрических сигналов у проростков пшеницы и вызывать у них фотосинтетические ответы. Локальные ожоги вызывали у проростков пшеницы распространение электрических сигналов сложной формы, включающей в себя как быструю деполяризацию, так и более медленные изменения (рис. 1). Амплитуда реакции варьировала в широком пределе и составляла от 10 до 90 мВ, при этом величина амплитуды снижалась по мере удаления от зоны ожога. Скорость распространения сигнала составляла около 2 мм∙с–1 и также характеризовалась высокой вариабельностью (0,5–3 мм∙с–1). Такие признаки – возникновение при действии ожога, сложная форма, уменьшение амплитуды по мере удаления от зоны повреждения, относительно низкая скорость распространения и высокая вариабельность параметров – позволяют идентифицировать обнаруженный сигнал как ВП [2, 10].

Через две-три минуты после распространения ВП в листе начинал развиваться фотосинтетический ответ, который представлял собой инактивацию фотосинтеза (рис. 1). При этом происходило снижение скорости ассимиляции углекислого газа (на 1–3 мкмоль∙м–2∙с–1), рост нефотохимического тушения флуоресценции (на 0,2–0,8 единиц) и небольшое уменьшение квантовых выходов обеих фотосистем. Развитие подобного ответа очень хорошо согласуется с широким спектром работ, в которых показано, что локальные повреждения существенно снижают фотосинтетическую активность у растений различных видов активности [3, 5, 7, 8], что, по-видимому, опосредуется распространением электрических сигналов [5, 8]. Тот факт, что в наших экспериментах развитие фотосинтетического ответа происходило после распространения ВП, свидетельствует в пользу того, что именно распространение вариабельного потенциала может подавлять фотосинтетическую активность.

Однако не может быть полностью исключен и вариант независимого распространения ВП и какого-либо иного сигнала, влияющего на фотосинтетическую активность. Такая возможность была показана, в частности, для кукурузы [4], исследования которой показали, что на фотосинтез помимо электрического сигнала может влиять также гидравлическая волна, вызванная действием повреждающего стимула. В то же время, если распространение ВП и развитие фотосинтетического ответа являются независимыми процессами, то можно ожидать, что зависимость параметров снижения фотосинтеза от параметров вариабельного потенциала будет выражена слабо.

770783.jpg 

Рис. 1. Типичный пример изменений электрической и фотосинтетической активности, вызванных ожогом кончика листа пшеницы. Стрелкой обозначен момент нанесения ожога

770790.jpg 

а б

Рис. 2. Зависимости снижения ассимиляции и возрастания нефотохимического тушения флуоресценции от амплитуды вариабельного потенциала,
измеренной первым (а) и вторым (б) электродами

На следующем этапе работы была проанализирована зависимость уменьшения скорости ассимиляции углекислого газа и возрастания нефотохимического тушения флуоресценции от амплитуд ВП под первым и вторым электродами (рис. 2). Показано, что как величина снижения ассимиляции, так и величина возрастания NPQ повышаются при увеличении амплитуд ВП под первым и вторым электродами. Форма обнаруженных зависимостей близка к линейной, что говорит о существовании прямой пропорциональности между величиной ВП и величиной фотосинтетического ответа. Полученные результаты хорошо согласуются с полученными нами ранее данными о том, что между амплитудой ВП и связанными с ней изменениями вне- и внутриклеточной рН имеется высокая положительная корреляция [9], а также с гипотезой о ключевой роли входа протонов в развитии фотосинтетического ответа при распространении электрических сигналов у высших растений [5, 9].

Заключение

Полученные нами результаты показывают, что локальные повреждения вызывают у проростков пшеницы генерацию ВП, которые распространяются по растению. В свою очередь при распространении ВП вызывают инактивацию фотосинтетических процессов, которая проявляется в уменьшении скорости ассимиляции углекислого газа, росте нефотохимического тушения и небольшом снижении квантовых выходов фотосистем. Между величиной фотосинтетического ответа и амплитудой ВП существует положительная связь: при небольшой амплитуде ВП наблюдаются относительно маленькие изменения фотосинтеза и наоборот. Форма зависимости параметров фотосинтетического ответа от амплитуды ВП вблизи зоны регистрации фотосинтеза близка к линейной.

В целом наши результаты подтверждают, что именно распространение ВП является механизмом, с помощью которого происходит развитие ответа в неповрежденных участках растения при действии на него локальных стимулов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-26-00098).

Рецензенты:

Охапкин А.Г., д.б.н., профессор, зав. кафедрой ботаники биологического факультета, ФГАОУ ВПО «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского» Министерства образования и науки РФ, г. Нижний Новгород;

Бережная Г.А., д.б.н., проф., профессор кафедры ботаники, физиологии и защиты растений, ФГБОУ ВПО «Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия» Министерства сельского хозяйства РФ, г. Нижний Новгород.

Работа поступила в редакцию 28.11.2014.


Библиографическая ссылка

Шерстнева О.Н., Сурова Л.М., Воденеев В.А., Сухов В.С. ЗАВИСИМОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО ОТВЕТА ОТ АМПЛИТУДЫ ВАРИАБЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА У ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 11-12. – С. 2661-2664;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=36041 (дата обращения: 21.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074