CC BY
121
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________________________2011, том 54, №12________________________________
БИОХИМИЯ РАСТЕНИЙ
УДК 571.1:581.132
Т.Д.Гиясов, академик АН Республики Таджикистан М.М.Якубова, Х.Ю.Юлдашев
ОСОБЕННОСТИ ФОТОСИНТЕЗА И АЗОТНОГО ОБМЕНА У ПРОРОСТКОВ ХЛОПЧАТНИКА
Таджикский национальный университет
В статье приведены результаты исследования активности ключевого энзима восстановления азота - нитратредуктазы и интенсивности фотосинтеза у хлопчатника на стадии прорастания.
Ключевые слова: нитратредуктаза - фотосинтез - рост и развитие хлопчатника.
С и N - два главных конструктивных элемента, обеспечивающих рост и развитие растений. Фиксация СО2 за счёт световой энергии происходит исключительно в хлоропластах. Усвоение минерального азота - процесс «делокализованный». Весь поглощаемый аммоний и часть нитрата превращается в азот органических соединений в корнях, но энергией и органическими субстратами ассимиляцию N обеспечивает фотосинтез в виде притока сахаров по флоэме. Азотный обмен на основе продуктов фотосинтеза составляет наиболее развитую сторону метаболизма корней: здесь синтезируются аминокислоты и амиды, уреиды, никотин, нуклеиновые кислоты, цитокинины и другие азотосодержащие органические соединения [1].
Представлялось важным изучить взаимодействие процессов фотосинтеза и азотного обмена у хлопчатника в период формирования фотосинтетической и поглотительной функции, то есть на стадии прорастания.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследований были взяты семена средневолокнистого хлопчатника сорта 108-Ф G.hirsutum. Семена для снятия опушения обрабатывали концентрированной серной кислотой в течение 0.5-1 мин и быстро промывали сначала водопроводной, а затем дистиллированной водой и сушили на сухой фильтровальной бумаге при 40...45°С в течение 24 ч. Обработанные сухие семена замачивали в дистиллированной воде в течение 24 ч при комнатной температуре. Далее набухшие семена проращивали в течение 48 ч в стерилизованных кюветах на влажной фильтровальной бумаге в термостате (в темноте) при 24...25°С. После этого часть проростков брали на определение активности нитратредуктазы (НР), остальную часть пересаживали на раствор Кнопа и дальнейшее выращивание в течение 8-16 суток и далее до фазы 5-6 настоящих листьев проводили в камере искусственного климата при разных режимах освещённости. В течение всего времени температура поддерживалась на уровне день/ночь 23. 25/21... 23°С и аэрации корневой системы.
Адрес для корреспонденции: Гиясов Тавакал Джураевич. 734042, Республика Таджикистан, г.Душанбе, пр.Рудаки, 17, Таджикский национальный университет. E-mail: [email protected]
Интенсивность фотосинтеза определяли полярографическим методом по скорости выделения кислорода в водных эстрактах листьев (1:4 мл) [2].
Активность НР in vivo определяли методом Яворского с небольшой модификацией [3].
Результаты исследований
Определение нитратредуктазной активности (НРА) в корнях и семядольных листьях хлопчатника показало, что активность фермента после 48 ч прорастания в темноте отсутствовала как в семядольных листьях, так и в корнях (рис.). Но после перенесения проростков на свет, через сутки проявляется активность фермента как в семядольных листьях, так и в корне, а на вторые сутки экспозиции проростков на свету активность нитратредуктазы семядольных листьев возрастает в 4-4.5 раза, и сохраняется высокой до 12-дневного возраста. НРА корней по мере развития проростков хлопчатника имеет такую же динамику, однако наибольшая активность фермента достигается на третьи сутки прорастания на свету (рис.).
Ч
I-
J
§
Рис. Динамика НРА и интенсивности фотосинтеза у хлопчатника сорта 108-Ф
по мере прорастания 1 - интенсивность фотосинтеза, 2 - НРА семядольных листьев, 3 - НРА корней.
Интенсивность фотосинтеза (рис.) у семядольных листьев по мере роста постепенно повышается, достигая наибольшей своей величины в возрасте 12 суток. Высокая фотосинтетическая активность сохраняется и у 19-дневных семядольных листьев, хотя растения в этом возрасте уже имеют первые настоящие молодые листья. Сравнительно высокий уровень интенсивности фотосинтеза у 19дневных семядольных листьев, видимо, связан с тем, что у проростков хлопчатника этого возраста фотосинтетическая функция в основном выполняется именно семядольными листьями, так как у настоящих только начинается формирование листовой пластинки.
Это хорошо согласуется с обоснованным фактом, что наиболее фотосинтетически активными являются листья, достигшие около половины своего максимального размера [4,5].
Сравнение кривых динамики НРА и интенсивности фотосинтеза (рис.) показывает, что в первые дни развития ход возрастания активности фермента и интенсивности фотосинтеза одинаков, однако в дальнейшем интенсивность фотосинтеза продолжает расти. У проростков 12-суточного возраста данный показатель выходит на плато и сохраняется на этом высоком уровне, а активность НР в семядольных листьях в этом возрасте существенно снижается. Такая закономерность, по-видимому, связана с тем, что нитрат-восстанавливающая функция быстро переходит к формирующимся настоящим листьям, а семядольные листья утрачивают данную функцию, что приводит к снижению уровня НРА.
Известно, что функции семядольных и настоящих листьев в метаболизме проростков значительно различаются. По литературным данным, вклад в ассимиляцию углекислого газа семядолей огурца в возрасте 16 дней составляет 80% за счёт более высокого уровня поглощения СО2 на единицу площади семядолей [6]. При этом вклад семядолей в общую фотосинтезирующую поверхность составляет только 50%. Такие показатели присущи и для проростков хлопчатника, у которых интенсивность фотосинтеза у семядольных листьев сохраняется на достаточно высоком уровне в 16-дневном возрасте, когда растения уже имеют молодые настоящие листья (2-4-дневного возраста).
Ферменты, катализирующие первичные реакции усвоения азота, на ранних этапах прорастания принимают активное участие в мобилизации запасных веществ семян [7-9]. Можно предполагать, что функция зеленеющих, а затем стареющих семядолей будет значительно меняться. В наших опытах на хлопчатнике показан нарастающий характер активности фермента НР, которая достигает наибольшей своей величины в 14-дневном возрасте, а у 16-дненых растений уровень НРА снижается и вклад НР настоящих листьев и корней увеличивается.
Из результатов, представленных на рисунке видно, что активность фермента у семядольных листьев и корней одного порядка. Однако, по данным литературы, хлопчатник относится к группе растений, у которых активность НР в корнях низкая и восстановление нитрата идет в основном в листьях [10,11].
Одинаковая активность НР в корнях и листьях, полученных в наших опытах, очевидно, обусловлена возрастом хлопчатника (начало развития). На этом этапе фотосинтезирующими органами являются семядольные листья, которые выполняют функции запасного органа, а в корне только начинается формирование систем транслокации, в связи с чем в корневой системе в этом возрасте восстанавливается значительное количество поглощённого нитрата.
Вопрос о распределении активности НР между листьями и корнями тесно связан с вопросом, каковы же потенциальные возможности растения утилизировать нитрат в зависимости от условий среды. В связи с этим нами были поставлены опыты на проростках хлопчатника, выращенных при различных режимах освещённости. Результаты определения активности НР в корнях и листьях проростков разного возраста, выращенных при различных режимах освещённости, позволили выявить следующее: при режиме освещения (140 мкЕ. м-2 сек-1), независимо от возраста, НРА листьев превосходит корневую в 2-4 раза, а при низком освещении (60 мкЕ. м-2 сек-1) более высокая активность на-
блюдалась в листьях только лишь в одно-двухдневном возрасте и в дальнейшем активность фермента в листьях и корнях была одинаковой (табл.1).
При дальнейшем росте растений (при тех же условиях выращивания) до фазы 6-7 настоящих листьев картина распределения активности НР между корнями и надземными органами хлопчатника изменяется. В этой фазе активность фермента в корнях в 7-8 раз ниже (табл.2), чем в начале роста (табл.1). Необходимо отметить, что если НРА семядольных листьев и корней на уровне проростков хлопчатника была практически одинакова, то в фазе 6-7 настоящих листьев, по мере увеличения ассимиляционной поверхности растений, наблюдается повышение НРА как в листьях, так и в других зеленых органах в 4-5 раз по сравнению с активностью фермента в корнях (табл.2). Эти результаты говорят о том, что доля корней в восстановлении нитрата по мере роста хлопчатника постепенно снижается, а доля листьев возрастает.
Таблица 1
Распределение НРА между листьями и корнями проростков хлопчатника по мере их прорастания при
разных режимах освещения
Освещение Орган растения Возраст проростков, дни
1 2 3 4 5
НРА, мкмоль N0-/ г-1 сыр. веса-ч
I режим лист 1.2 1.4 2.3 2.1 1.5
140 мкЕ.м-2 сек-1 корень 0.3 0.7 0.5 0.5 0.45
II режим лист 0.14 0.7 0.7 0.62 0.5
60 мкЕ.м- сек- корень 0.1 0.23 0.7 0.8 0.4
Таблица 2
НРА различных органов хлопчатника сорта 108-Ф в фазе 6-7 настоящих листьев
НРА в мкмоль N02, / г-1 сыр. веса • ч
корень основной стебель черешок листа 6-7 настоящих листьев (средн.)
0.095±0.005 0.5±0.05 0.45±0.07 0.52±0.06
Подобные закономерности перераспределения нагрузки в усвоении нитрата между корнями и надземными органами, в зависимости от условий выращивания и стадий онтогенетического цикла, показаны также и для других растений [12-14].
Таким образом, активность НР может быть использована для характеристики нитрат-восстанавливающей способности тканей и органов. Основываясь на полученных нами результатах, можно полагать, что у хлопчатника активность семядольных листьев и корней, связанная с утилизацией нитрата, затухает с появлением первого настоящего листа (табл.2), к которому, вероятно, и переходит функция ассимиляции азота. В то же время, фотосинтез, обеспечивающий рост молодого листа и корневой системы, продолжает оставаться интенсивным даже у семядолей 20-дневного возраста. Необходимо констатировать, тот факт, что в процессе фотоассимиляции СО2 и N0- не являются конкурентами за источниками восстановителей в хлоропластах. Эта особенность позволяет базовым процессам (ассимиляции СО2 и N0-) находиться в полном соответствии при росте и развитии растения.
Поступило 23.11.2011 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алёхина Н.Д., Балконин Ю.Б. и др. Физиология растений / Под.ред. Ермакова И.П. - М.: Академия, 2007, 640 с.
2. Зеленский М.И. Полярографическое определение углерода в исследованиях по фотосинтезу и дыханию. - Л.: Наука, 1986, 140 с.
3. Jawoski E.G. - Biochem and Biopys. Res. Communs., 1971, v. 43, №6, рр. 1274-1279.
4. Мокроносов А.Т. Онгтогенетический аспект фотосинтеза. - М.: Наука, 1981, 240 с.
5. Якубова М.М., Юлдашев Х.Ю. - ДАН ТаджССР, 1983, №11, с. 664-667.
6. Мокроносов А.Т., Гавриленко В.Ф., Жигалова Т.В. Фотосинтез. Физиолого-экологические и биохимические аспекты. - М.: Издательский центр «Академия», 2006, 446 с.
7. Калинина Л.М., Алёхина Н.Д., Примак А.П. - Биологические науки, 1982, №11, с. 81-84.
8. Гиясов Т.Д. Особенности роста фотосинтеза и восстановление нитратов у различных форм хлопчатника: Автореф. дис... к.б.н. - Душанбе, 1992, 19 с.
9. Гиясов Т.Д., Клюйкова А.И., Якубова М.М. и др. - Физиология растений, 1992, т 39, №4, с. 807813.
10. Измайлов С.Ф. Азотный обмен в растениях. - М.: Наука, 1986, 320 с.
11. Radin J.W. Trelease R.N. - Plant phisiol., 1976, №57, рр. 902-905.
12. Клюйкова А.И, Алёхина Н.Д. - Вестник МГУ, сер. Биол., 1992, №4, с. 42-47.
13. Алёхина Н.Д., Клюйкова А.И. - Физиология растений, 1986, т 33, вып. 2, с. 372-386.
14. Полесская О.Г., Каширина Е.И. и др. - Физиология растений, 2001, т. 48, №6, с. 829-835.
Т.Ч,.Гиёсов, М.М.Якубова, ^.Ю.Юлдошев
МАХСУСИЯТ^ОИ ФОТОСИНТЕЗ ВА МУБОДИЛАИ НИТРОГЕНИ НАВРУСТА^ОИ ПАХТА
Донишго^и миллии Тоцикистон
Дар макола натичах,ои тахдикд фаъолиятнокии ферменти зинаи аввалини баркароргардии нитроген - нитратредуктаза ва интенсивнокии фотосинтези пахта дар зинаи наврустагй дарч гардидаанд.
Калима^ои калиди: нитратредуктаза - фотосинтез - сабзиш - рушд ва нашъунамои пахта.
T.J.Gyasov, M.M,Yakubova, H.U.Uldashev FEATURES OF PHOTOSYNTHESIS AND NITROGEN METABOLISM IN COTTON SEEDINGS
Tajik National University There are results of ferment activity of the first level nitrogen - nitratreductasa restore and cotton fo-tosinthesis intensivity at the sprouting stage
Key word: nitratreductasa - photosinthesis - growth and development of cotton.
