CC BY
61
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2009, № 3
УДК 635.152:581.1
РЕАКЦИЯ РЕДИСА НА КРАТКОСРОЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ И ПОСЛЕДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ*
П. ДУХОВСКИС1, Р. ЮКНИС2, Ю. САКАЛАУСКАЙТЕ1, А. БРАЗАЙТИТЕ1, Л. ДУХОВСКЕНЕ1, Ю. ШИКШНЯНЕНЕ1, Г. САМУОЛЕНЕ1, А. УРБОНАВИЧЮТЕ1,
K. БАРАНАУСКИС1, Р. УЛИНСКАЙТЕ1, Г. ШАБАЕВЕНЕ1, Д.И. БАШМАКОВ3,
А.С. ЛУКАТКИН3
В условиях фитотрона при обработке 10-суточных растений редиса (Raphanus sativus
L. ) сорта Жара разными дозами ультрафиолетового (УФ) В-излучения изучали его влияние на морфометрические показатели, содержание фотосинтетических пигментов и чистую продуктивность фотосинтеза в 5-суточный период УФ-воздействия, а также эффект последействия. Показано, что растения редиса относительно устойчивы к УФ-В-излучению: верхний предел толерантности — 7 кДж • м-2 • сут-1; более высокие дозы угнетают рост и активность фотосинтетического аппарата.
Ключевые слова: Raphanus sativus, УФ-В-излучение, толерантность, параметры роста, пигменты, чистая продуктивность фотосинтеза.
Key words: Raphanus sativus, UV-B-radiation, tolerance, growth parameter, pigments, net photosynthetic productivity.
Начиная с 1980-х годов, отмечается быстрое разрушение слоя озона в стратосфере и увеличение потока ультрафиолетового (УФ) излучения (1). Известно, что его влияние на живые организмы усиливается с уменьшением длины волны. Излучение делится на длинно-, средне- и коротковолновое (соответственно A — 315-400 нм, B — 280-315 нм и C — 100-280 нм). Наиболее опасные короткие УФ-С-лучи практически полностью поглощаются стратосферным слоем озона. Длинные, наименее опасные УФ-A-лучи проходят через него почти полностью. Наибольшее воздействие на растения оказывают УФ-В-лучи, поток которых зависит от толщины озонового слоя (2). Поэтому при его разрушении в большей степени изменяется именно эта часть спектра. В средней полосе России и Литве поток УФ-В-излучения также зависит от времени суток, сезона и метеорологических условий. Среднесуточная доза в солнечные летние дни достигает
2,5 кДж - м-2 (3).
Отрицательное влияние УФ-В-излучения на растения (повреждение молекул ДНК, мембран, фотосинтетических систем, нарушение обмена фитогормонов) показано давно (4, 5). Некоторые гены, идентифицированные как регулируемые УФ-В-излучением, кодируют белки, ответственные за биосинтез защитных пигментов, репарацию повреждений ДНК и активность антиоксидантных ферментов (6).
Снижение интенсивности фотосинтеза под воздействием УФ-В-излучения (наряду с другими причинами) связывают с уменьшением содержания фотосинтетических пигментов (7). Подавление фотосинтеза часто сопровождается депигментацией, изменением анатомии и толщины листа, у растений тормозятся рост и накопление биомассы (7, 8).
В других работах сообщается, что УФ-В-излучение не подавляет накопление биомассы и синтез фотосинтетических пигментов либо наблюдаемое снижение соответствующих показателей незначительно (9-11). Подобные расхождения обычно объясняются неодинаковыми условиями
* Исследования выполнены при поддержке АВЦП Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект № 624) и Государственного фонда науки и образования Литвы в рамках научного проекта APLICOM.
98
эксперимента. Так, в климатических камерах, где величина ФАР ниже, влияние УФ-В-лучей сильнее (12), при оптимальных значениях ФАР растения формируют более толстые листья, активнее накапливая флавоноиды и другие фенольные соединения, защищающие от УФ-лучей (2).
Имеющиеся в литературе данные о физиологических и биохимических реакциях редиса (Raphanus sativus L.) на УФ-В-излучение, полученные с использованием разных методологических подходов, не дают достаточно четкого представления об УФ-устойчивости этого растения (13, 14), что затрудняет оценку возможностей его культивирования при прогрессирующем нарушении озонового слоя.
Целью нашей работы было изучение динамики изменения физиологических показателей растений редиса при действии и последействии УФ-В-излучения в контролируемых условиях фитотрона.
Методика. Вегетационные опыты проводили в фитотронном комплексе Литовского института садоводства и овощеводства в 2005 году. Семена редиса (Raphanus sativus L.) сорта Жара (по 25 шт.) высевали в 5литровые вегетационные сосуды с торфяным субстратом (pH 6,00-6,25). В течение 10 сут после появления всходов растения выращивали в теплице, затем переносили в фитокамеры, где 2 сут адаптировали к изменившимся условиям, затем в течении 5 сут подвергали УФ-В-облучению (лампы TL 40W/12 RS УФ-B Medical с максимумом излучения при 310 нм, «Philips», США). Изучали влияние следующих доз: 0 (контроль), 1, 3, 5, 7 и 9 кДж • м-2 • сут-1.
После УФ-В-воздействия растения продолжали выращивать в климатических камерах фитотрона в течение 2 нед при 14-часовом фотопериоде и температуре 21/17 °С (день/ночь). В теплицах и фитокамерах для освещения применяли лампы SON-T Agro («Philips», США) (величина светового потока — 120 мкмоль • м-2 •с-1).
Морфометрические и биохимические показатели определяли сразу после окончания воздействия УФ-В-излучения на растения, а также после 1 и 2 нед выращивания. Учитывали высоту растения, диаметр корнеплода, площадь листовой поверхности (с использование измерителя CI-202, «CID», США), сырую и сухую массу растений, содержание фотосинтетических пигментов в зеленых листьях (по Ветштейну) (15), рассчитывали чистую продуктивность фотосинтеза.
Повторность опыта 3-кратная, определения в каждом опыте проводили в 5 биологических повторностях (индивидуальные растения). Статистическую обработку данных осуществляли с помощью программы MS Excel. На рисунках представлены средние арифметические значения по всем опытам со стандартными ошибками.
Результаты. УФ-облучение растений редиса в течение 5 сут изменяло их морфологические показатели. Непосредственно после облучения увеличивалась площадь листовой поверхности (дозы 1-7 кДж^м-2^сут-1, рис. 1, А). Через 1 нед после обработки площадь ассимилирующей поверхности уменьшалась по мере возрастания УФ-доз, однако через 2 нед ее величина в вариантах с дозами 5 и 7 кДж • м-2 • сут-1 была значительно выше, нежели в других, а при дозе 9 кДж • м-2 • сут-1 оказалась достоверно ниже (см. рис. 1, А).
Непосредственно после УФ-воздействия в дозах 1-7 кДж • м-2 • сут-1 масса растений имела тенденцию к увеличению (см. рис. 1, Б) (различия были недостоверными). Через 1 нед наблюдали уменьшение этого показателя при повышении доз УФ-облучения, а через 2 нед, наоборот, отмечалась тенденция к его увеличению при дозах облучения 1-5 кДж^ м-2 • сут-1
99
(см. рис. 1, Б).
Высота растений за 5-суточный период УФ-B -воздействия достоверно не изменялась, хотя имела тенденцию к увеличению при дозах 1-3 кДж • м-2 • сут-1 (см. рис. 1, В). Через 1 нед после УФ-облучения различий между вариантами по интенсивности роста растений не обнаружили, однако через 2 нед растения, получившие дозу облучения 5 и 7 кДж • м-2 • сут-1, были достоверно выше контрольных (см. рис. 1, В).
К окончанию периода УФ-воздействия наблюдалась тенденция к увеличению диаметра корнеплода при дозах 1-7 кДж • м-2 • сут-1; наибольшая доза (9 кДж • м-2 • сут-1) вызывала угнетение роста корнеплода (см. рис. 1, Г). Через 1 нед отмечалось подавление радиального роста корнеплода, усиливающееся при увеличении дозы облучения. Через 2 нед в вариантах 1-7 кДж^м-2^сут-1 развитие корнеплода редиса восстанавливалось и соответствовало контролю, при 9 кДж • м-2 • сут-1 — угнеталось (см. рис. 1, Г).
Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений редиса, измеренное после окончания УФ-В-воздействия в дозах 1 и 3 кДж • м-2 • сут-1, было достоверно выше, чем в контроле (рис. 2, А-В). Количество более устойчивых к УФ-излучению хлорофилла b и каротиноидов повышалось также в варианте 9 кДж м-2 • сут-1. При увеличении дозы облучения соотношение между содержанием хлорофиллов а и b проявляло тенденцию к уменьшению, каротиноидов и хлорофиллов — наоборот, к увеличению (см. рис. 2, Г, Д).
После завершения УФ-облучения растения в фитотроне формировали новые листья, содержание фотосинтетических пигментов в которых повышалось относительно контроля при увеличении УФ-дозы до 7 кДж • м-2 • сут-1 (на фоне общего возрастного снижения). Последействие УФ-облучения в дозе 9 кДж • м-2 • сут-1 проявлялось в уменьшении количества фотосинтетических пигментов после 2 нед выращивания (см. рис. 2, А, В). Количественное соотношение хлорофиллов а и b в этот период повышалось, каротиноидов и хлорофиллов — снижалось по сравнению с контролем (см. рис. 2, Г, Д).
Рис. 1. Площадь листовой поверхности (А), сухая масса (Б), высота растения (В) и диаметр корнеплода (Г) у растений редиса сорта Жара после 5-суточного периода воздействия разными дозами ультрафиолетового (УФ) B-излучения (I), а также через 1 (а) и 2 (б) нед после УФ-В-обработки (II).
100
s
=я
1,20'
0,80'
0,40'
O'
0,35-
0,25-
0,15-
0,05-
0-
* ib
А lb
0,40-
0,30-
0,20'
0,10-
o:
|f|
й 4,0-]
R Щ 3,0:
f-e Щ &| 1,0 й I o:
| я °-30'
- Г±1
S r©H
I a o.io-i
A
1,200,80-ОДО-| 0-Б
0,350,250,150,05’ oB
0,40 0,30' 0,20' 0,10 1 o:
Г
4,03,0: 2,0' 1,0
o:
Д
0,50' 0,40' 0,30: 0,20: 0,10: i 0:
hi
i A
i pH,
*1 ft
№ ft
К 1 3 5 7 9 К 1 3 5 7 9
Доза УФ-облучения, кЛж-м 2-сут
Рис. 2. Содержание хлорофилла а (А), хлорофилла b (Б), каротиноидов (В), количественное соотношение хлорофиллов а и b (Г), каротиноидов и хлорофиллов (Д) у растений редиса сорта Жара после 5-суточного периода воздействия разными дозами ультрафиолетового (УФ) B-из-лучения (I), а также через 1 (а) и 2 (б) нед после УФ-В-обработки (II).
Чистая продуктивность фотосинтеза непосредственно после воздействия УФ-излучения, как и другие показатели, имела тенденцию к увеличению при невысоких дозах облучения (рис. 3, А). Через 1 нед после воздействия в дозах 3-9 кДж"м-2,сут-1 ее величина не изменялась, составляя 1/4 от контроля, через 2 нед при дозах 3-7 кДж • м-2 • сут-1 — восстанавливалась до контроля или даже несколько превышала его (см. рис. 3, Б).
Известно, что культурные растения высокочувствительны к разнообразным стрессорам, поскольку стратегия создания сортов направлена главным образом на улучшение пищевкусовых характеристик. Наши эксперименты выявили у растений редиса относительную устойчивость к УФ-В-излучению: только после 5-суточного воздействия в дозе 9 кДж • м-2 • сут-1 изученные физиологические показа-
тели устойчиво снижались, тогда как более низкие дозы эффекта не оказали (см. рис. 1-3). У многих других растений толерантность к УФ-В-излучению значительно ниже (16, 17). Некоторое увеличение (по сравнению с контролем) показателей, характеризующих рост растений и чистую продуктивность фотосинтеза, которое наблюдалось при дозах облучения 17 кДж^м-2^сут-1 (см. рис. 1, 3), может быть обусловлено действием механизмов гомеостаза, а уменьшение через 1 нед по мере увеличения дозы облучения (см. рис. 1, 3), на наш взгляд, отражает повреждение (обратимое или необратимое) биологических систем растительных клеток. Негативные проявления УФ-стресса отмечались ранее на других растениях (4, 5, 16, 18). В период длительного последействия (2 нед) восстановление многих показателей и даже превышение их контрольных значений (особенно при близких к пределу толерантности дозах облучения 5 и 7 кДж • м-2 • сут-1), видимо, было обусловлено быстрой регенерацией листового аппарата растений редиса, при том что образовавшиеся листья обладают повышенной устойчивостью к УФ-В-лучам, степень которой зависит от дозы предшествующего облучения. Считается, что увеличение скорости роста и площади листовой поверхности в период последействия УФ-В-излучения представляет собой компенсаторную стимуляцию за счет
101
снижения скорости нетто-ассимиляции (19).
Рис. 3. Чистая продуктивность фотосинтеза у растений редиса сорта Жара после 5-суточного периода воздействия разными дозами ультрафиолетового (УФ) B-излучения (А), а также через 1 (а) и 2 (б) нед после УФ-В-обработки (Б).
В то же время после облучения в минимальной и максимальной дозе (1 и 9 кДж • м-2 • сут-1) отмечалось снижение чистой продуктивности фотосинтеза (см. рис. 3, Б). Если высокая доза, как было показано, находится за пределами толерантности редиса к стрессу и полученный результат закономерен, то эффект наи-
меньшей дозы представляется парадоксальным.
Динамика повышения содержания фотосинтетических пигментов и их соотношения после воздействия на растения различными дозами УФ-B-излучения указывает на активное участие пигментной системы в защитных реакциях. Известна также роль каротиноидов при УФ-В-стрессе (20). При этом сообщалось о снижении содержания хлорофиллов в листьях. В наших опытах отмечалось повышение этого показателя через 2 нед после облучения по мере увеличения дозы. Отметим, однако, что эффект выявлен в регенерированных листьях, которые отрастали в период 5-суточного УФ-воздействия и содержали повышенное количество фотосинтетических пигментов по сравнению с контролем (за исключением варианта с дозой облучения 9 кДж • м-2 • сут-1).
Таким образом, в условиях фитотрона установлен верхний предел толерантности растений редиса к ультрафиолетовому излучению (УФ-В) — доза 7 кДж^м-2^ сут-1. Более интенсивное УФ-В-излучение снижает ростовые показатели, содержание пигментов, чистую продуктивность фотосинтеза в период УФ-обработки и ее последействия (доза 9 кДж • м-2 • сут-1 вызывает необратимые повреждения). При дозах 5 и 7 кДж • м-2 • сут-1 растения быстро восстанавливают и даже усиливают фотосинтетический аппарат благодаря активизации компенсаторных механизмов.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. K r i z e k D.T., В r i t z S.J., M i r e c k i R.M. Inhibitory effects of ambient levels of solar
UV-A and UV-B radiation on growth of cv. New Red Fire lettuce. Physiol. Plant., 1998,
103(1): 1-7.
2. K r i z e k T.D. Influence of PAR and UV-A in determining plant sensitivity and photomorpho-genic responses to UV-B radiation. Photochem. Photobiol., 2004, 79: 307-315.
3. J o n a v i c i e n e R. Ultravioletines Saules spinduliuotes matavimai Lietuvos hidrometeo-rologijos tarnyboje. «Meteorologija ir hidrologija Lietuvoje: raida ir perspektyvos». Respublikine moksline konferencija, 23 March 2005. Palanga, Lietuva, 2005: 48-49.
4. J a n s e n M.A.K., G a b aV., G r r e e b e r g B.M. Higher plants and UV-B radiation: balancing damage, repair and acclimation. Trends in Plant Sci., 1998, 3: 131-135.
5. H o l l o s y F. Effects of ultraviolet radiation on plant cell. Micron, 2002, 33: 179-197.
6. В r o s c h e M., S t r i d A. Molecular events following perception of ultraviolet-B radiation
by plants. Physiol. Plant., 2003, 117: 1-10.
7. A m b a s h t N.K., A g r a w a l M. Influence of supplemental UV-B radiation on photosynthetic characteristics on rice plants. Photosynthetic, 1997, 34: 401-408.
8. M a z z a C.A., В a t t i s t a D., Z i m a A.M. e.a. The effects of solar ultraviolet-B radiation on the growth and yield of barley are accompanied by increased DNA damage and antioxidant responses. Plant Cell Environ., 1999, 22: 61-70.
9. H a k a l a K., J a u h i a i n e n L., K o s k e l a T. e.a. Sensitivity of crops to increased ultraviolet radiation in northern growing conditions. J. Agronomy & Crop Sci., 2002, 188: 8-12.
10. S c h m i t z - H o e r n e r R., W e i s s e n b o c k G. Contribution of phenolic com-
102
pounds to the UV-B screening capacity of developing barley primary leaves in relation to DNA damage and repair under elevated UV-B levels. Phytochemistry, 2003, 64: 243-255.
11. V a l k a m a E., K i v i m a e n p a a M., H a r t i k a i n e n H. e.a. The combined effects of enhanced UV-B radiation and selenium on growth, chlorophyll fluorescence and ultrastructure in strawberry (Fragaria x ananassa) and barley (Hordeum vulgare) treated in the field. Agricult. Forest Meteorol., 2003, 120: 267-278.
12. C a l d w e l l M., T e r a m u r a A.H., T e v i n i M. e.a. Effects of increased solar ultraviolet radiation on terrestrial plants. Ambio, 1995, 24: 166-173.
13. T e v e n i M., I w a n z i k W. Inhibition of photosynthetic activity by UV-B radiation in radish seedlings. Physiol. Plant., 1983, 58: 395-400.
14. N i t h i a S.M.J., S h a n t h i H., K u l a n d a i v e l u G. Different responses to UV-B enhanced solar radiation in radish and carrot. Photosynthetica, 2005, 43(2): 307-311.
15. Г а в р и л е н к о В.Ф., Л а д ы г и н а М.Е., Х а н д о б и н а Л.М. Большой практикум по физиологии растений. М., 1975.
16. S k у r s k a E. Responses of pea and triticale photosynthesis and growth to long-wave UV-B radiation. Biol. Plant., 2000, 43: 129-131.
17. Б о р и с о в а Т.А., Б у г а д ж е С.М., М е ш к о в а Н.В. и др. Тепловой шок повышает устойчивость растений к УФ-Б облучению. 1. Рост, развитие и водообеспеченность тканей. Физиол. раст., 2001, 48: 589-595.
18. А н Л.Ж., Л и у К., Ц а н г М.К. и др. Влияние повышенных доз УФ-Б радиации на содержание полиаминов и проницаемость мембран листьев огурца. Физиол. раст., 2004, 51: 732-736.
19. Е р м а к о в Е.И., К а н а ш Е.В. Современные проблемы УФ-В-радиации в экофизиологии и растениеводстве. С.-х. биол., 2005, 1: 3-19.
20. F a r o o q M., S u r e s h B a b u G., R a y R.S. e.a. Sensitivity of duckweed (Lemna major) to ultraviolet-B radiation. Biochem. Biophys. Res. Commun., 2000, 276: 970-973.
Литовский институт садоводства и овощеводства, Поступила в редакцию
LT 54333 Kauno 30, Babtai, Lithuania, 19 ноября 2007 года
e-mail: [email protected];
2Университет Витаутаса Великого,
LT 1300, LT1300, Vileikos 8, Kaunas, Lithuania, e-mail: [email protected];
3ФГОУ ВПО Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева,
430000 г. Саранск, ул. Большевистская, 68, e-mail: [email protected]; [email protected]
RADISH RESPONSES AND AFTEREFFECTS ON SHORT-TERM UV RADIATION INFLUENCE
P. Duchovskis1, R Yuknys2, J. Sakalauskaite1, A. Brazaityte1, L. Duchovskiene1,
J. Shikshnianiene1, G. Samuoliene1, A. Urbonaviciute1, K. Baranauskis1,
R Ulinskaite1, G. Shabajeviene1, D. Bashmakov3, A. Lukatkin3
S u m m a r y
The authors investigated the biometric measurements, pigment concentration and photosynthesis productivity in radish plants (Raphanus sativus L.) the Zhara variety of 10-days age after their treatment by different UV-B radiation dosages during 5 days period at the conditions of phyto-tron complex. The physiological measurements were determined at the end of treatment, one week and two weeks after treatment. It was shown that radish was quite resistant to the impact of UV-B radiation: tolerance peak of radish to UV-B radiation was 7 kJ • m-2 • day -1, the higher UV-B radiation dosages depressed growth and performance of photosynthesis apparatus of radish.
Новые книги
К о м о в В.П., Ш в е д о в а В.М. Биохимия. М.: изд-во «Дрофа», 2008, 640 с.
В учебнике на современном научно-теоретическом уровне изложен материал по структурной и метаболической биохимии. Особое внимание уделено полифункциональности белков и их роли в обеспечении специфических биохимических процессов и физиологических функ-
ций организма, а также динамическим аспектам ферментативного катализа. Приведены новые данные о регуляции метаболизма и экспрессии генов, биохимии иммунитета, а также клеточной и генной инженерии. Для проверки усвоения материала и самоконтроля представлены тесты. Книга предназначена для студентов ВУЗов по специальностям химического, биологического, биотехнологического и фармацевтического профилей.
103
