ОСОБЕННОСТИ ФОТОСИНТЕЗА И АЗОТНОГО ОБМЕНА У

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 счѐт 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 освещѐнности. 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: mukhiba@mail.ru
1012
Биохимия растений
Т.Д.Гиясов, М.М.Якубова, Х.Ю.Юлдашев
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.).
возраст листа, дни
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.
1013
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2011, том 54, №12
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, чтo 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 счѐт 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 HP 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 HP 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 поглощѐнного нитрата.
Вопрос о распределении активности HP 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 освещѐнности. Результаты определения активности HP в корнях и листьях проростков разного возраста, выращенных при различных режимах освещѐнности, 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-
1014
Биохимия растений
Т.Д.Гиясов, М.М.Якубова, Х.Ю.Юлдашев
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 HPА 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
1
2
Возраст проростков, дни
3
4
НРА, мкмоль NO г
1.4
2.3
0.7
0.5
0.7
0.7
0.23
0.7
2
I режим
140 мкЕ.м-2 сек-1
II режим
60 мкЕ.м-2 сек-1
лист
корень
лист
корень
1.2
0.3
0.14
0.1
-1
сыр. веса·ч
2.1
0.5
0.62
0.8
5
1.5
0.45
0.5
0.4
Таблица 2
HPА различных органов хлопчатника сорта 108-Ф в фазе 6-7 настоящих листьев
корень
0.095±0.005
HPА в мкмоль NO-2 г -1 сыр. веса · ч
основной стебель
черешок листа
6-7 настоящих листьев (средн.)
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 HP может быть использована для характеристики нитратвосстанавливающей 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 NO -2 не являются конкурентами за источниками восстановителей в хлоропластах. Эта особенность позволяет базовым процессам (ассимиляции СО2 и NO3- ) находиться в полном соответствии при росте и развитии
растения.
1015
Доклады Академии наук Республики Таджикистан
2011, том 54, №12
Поступило 23.11.2011 г.
Л И Т Е РАТ У РА
1. Алѐхина 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., Алѐхина 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, Алѐхина Н.Д. – Вестник МГУ, сер. Биол., 1992, №4, с. 42-47.
13. Алѐхина 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.Љ.Ѓиёсов, М.М.Якубова, Њ.Ю.Юлдошев
МАХСУСИЯТЊОИ ФОТОСИНТЕЗ ВА МУБОДИЛАИ НИТРОГЕНИ
НАВРУСТАЊОИ ПАХТА
Донишгоњи миллии Тољикистон
Дар
маќола
натиљањои
тањќиќи
фаъолиятнокии
ферменти
зинаи
аввалини
барќароргардии нитроген - нитратредуктаза ва интенсивнокии фотосинтези пахта дар зинаи
наврустагї дарљ гардидаанд.
Калимањои калидї: 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 fotosinthesis intensivity at the sprouting stage
Key word: nitratreductasa – photosinthesis – growth and development of cotton.
1016