Реферат: Вплив тривалості фотоперіоду на нітратний обмін у рослин різних фотоперіодичних груп
Матеріали, умови і методи проведення досліджень.
У дослідах використані: довгоденні рослини (ДДР) – овес посівний (Avena sativa L. ), сорт Мирний і ярий ріпак Миколаївський місцевий (Brassica napus var . oleifera L . ); короткоденна рослина (КДР) – просо (Panicum miliaceum L. ), сорт Харківське кормове, фотопериодично нейтральна рослина (ФНР) – просо К 3218, ізогенні за генами ЕЕ лінії сої (Glycine max, /L./Merr. ) сортів Harosoy та Clark з короткоденною (ЕЕ) та фотоперіодично нейтральною (ее) реакцією.
Польові досліди проводили на експериментальній ділянці кафедри фізіології та біохімії рослин Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна у ботанічному саду університету (м. Харків). Ґрунт дослідної ділянки – чорнозем опідзолений важкосуглинковий (Гринь, 1955); рН водний ґрунту – 6,7, вміст гумусу – 3, 7%, вміст NO3 - – 41,16 мг/кг ґрунту, валовий вміст азоту – 0,21%, фосфору – 0,12%, калію – 2,8%, азоту, що легко гідролізується – 3,8 мг/100 г ґрунту. Від сходів до фази третього листка рослини вирощували на природному довгому дні (близько 16 годин на широті Харкова). Потім одну частину рослин піддавали дії короткого (10-годинного) фотоперіоду, а іншу продовжували вирощувати на довгому. Фотоперіод скорочували, затемнюючи рослини світлонепроникними камерами з 18 до 8 години. Завдяки наявності системи отворів у камерах підтримувався належний газообмін, коливання температур назовні та всередині камер складало 1-2 °С.
У факторостатній камері рослини вирощували у ґрунтовій культурі у 2-літрових вегетаційних посудинах, по 10-15 рослин на посудину, у 4-5 разовій повторності. Ґрунт –чорнозем у співвідношенні 3:1 з піском. Впродовж двох-трьох тижнів після сходів рослини вирощували на 16-годинному освітленні, потім одну частину із них переводили на 10-годинне освітлення, а іншу – продовжували вирощувати на 16-годинному. Інтенсивність освітлення складала 18-20 клк, температура – 22-25 °С вдень та18-20°С вночі.
Для біохімічних аналізів відбирали другий-третій листок від верхівки, у різні години доби, водночас на довгому та короткому дні. Час відбору проб вказаний на рисунках та у таблицях до відповідних розділів. Активність нітратредуктази (К.Ф. 1.6.6.1-1.6.6.3), фотохімічну активність хлоропластів, вміст НАДФ(Н) і НАД(Н) визначали у нефіксованих листках, а вміст нітратів та хлорофілу – у фіксованому матеріалі. Вміст нітратів визначали за Починком-Гриссом, нітратредуктазну активність – in vivo методом Мульдера(Методы биохимического исследования растений, 1972), фотохімічну активність хлоропластів – спектрофотометричним методом з гексаціано(ІІІ)фератом калію, вміст хлорофілу – за Mac-Kinney, (Гавриленко и др., 1975), вміст НАДФ(Н) і НАД(Н) – за Слайтером у модифікації Телепньової (Методы биохимических исследований, 1982). Експериментальні дані оброблені статистично за критерієм Ст’юдента (Доспехов, 1985). У таблицях та на рисунках наведені середні з визначень та їх похибки.
Результати досліджень та їх обговорення. Динаміка вмісту нітратів у фотоперіодичному циклі. Темпи розвитку довгоденних і короткоденних рослин визначаються співвідношенням тривалості світлового і темнового періодів у добовому циклі (Чайлахян, 1988). Згідно Цибулько (1998), інтенсивність накопичення продуктів асиміляції, переважно вуглеводів, їх перетворення та відтікання до меристем зростає у довгоденних рослин в умовах довгого дня та короткої ночі, а у короткоденних рослин, навпаки, в умовах короткого дня та довгої ночі. Це дало підстави припустити, що і вміст нітратів змінюється у фотоперіодичному циклі. Тому ми вивчали динаміку вмісту нітратів та сумарне їх накопичення за світловий період і зміну вмісту за темновий період довгоденного і короткоденного фотоперіодичного циклу.
Зазначимо, що вміст нітратів у довгоденних рослин у всі години визначення фотоперіодичного циклу, а у короткоденних та фотоперіодично нейтральних – у вранішні години, на короткому дні був вищим, ніж на довгому.
Зміна вмісту нітратів у світловий період. Результати вегетаційних і польових дослідів показали зниження вмісту нітратів у листках всіх досліджуваних рослин в денні години (1500 ), порівняно з їх вмістом у вранішні години (1000 ), за обох фотоперіодів.
Більш інтенсивним це зниження було у довгоденного вівса на довгому, а у короткоденного та фотоперіодично нейтрального проса – на короткому дні (рис.1).
Зміна сумарного вмісту нітратів за світловий період. Листки для аналізів фіксували на початку світлового періоду (вранці) і в кінці (ввечері) в умовах польового досліду. Результати показали, що впродовж світлового періоду у довгоденного вівса відбувалося зниження вмісту нітратного азоту як на довгому, так і на короткому дні. Однак більш істотним воно було в умовах короткого фотоперіоду. У короткоденного та фотоперіодично нейтрального проса впродовж світлового періоду на довгому дні відбувалося накопичення нітратів, в той час, як на короткому дні їх вміст знижувався (рис.2).
Результати визначення зміни вмісту нітратів у довгоденного ріпаку, короткоденних та фотоперіодично нейтральних ізогенних ліній сої сортів Harosoyта Clarkбули подібними до результатів, одержаних у дослідах з довгоденним вівсом, короткоденним та фотоперіодично нейтральним просом.
Сумарне накопичення нітратів за світловий період, вірогідно, може “маскувати” його можливі зміни протягом дня. Тому ми вивчали і денну динаміку вмісту нітратів.
Визначення денної динаміки вмісту нітратів показало, що у ДДР вівса в умовах довгого дня з 8 до 13 години відбувалося більш інтенсивне зниження вмісту нітратів, а з 15 до 18 години – більш інтенсивне їх накопичення, ніж на короткому дні (рис.3).
У КДР та ФНР проса в умовах короткого дня вміст нітратів знижувався протягом всього світлового періоду, але найбільш інтенсивно з 8 до 13 години. На довгому дні вміст нітратів з 8 до 13 години дещо знижувався, а потім – до 18 години зростав (рис.3).
Таким чином, сприятливі фотоперіодичні умови зумовлюють більш інтенсивне зниження вмісту нітратів у ДДР та КДР, що може бути пов’язане з посиленим їх відновленням та включенням у біосинтетичні процеси, інтенсивність яких за цих умов зростає (Цыбулько, 1998).
Односпрямований характер змін вмісту нітратів у КДР та ФНР може бути пов’язаний з тим, що у ФНР метаболічні процеси відбуваються в умовах короткого дня як у КДР (Альдал'ін, 2006). Це може бути пов’язане зі здатністю ФНР інтенсифікувати метаболічні процеси, в тому числі обмін нітратів, при скороченні світлового періоду.
Зміна вмісту нітратів за темновий період. Листки для аналізів фіксували на початку темнового періоду (ввечері) та у його кінці (вранці) за обох фотоперіодів. Результати показали, що у ДДР вівса протягом ночі вміст нітратів зростав за обох фотоперіодичних циклів, проте більшою мірою у короткоденному циклі (рис.4). У КДР та ФНР проса протягом ночі в умовах короткоденного циклу відбувалось підвищення вмісту нітратів, а в умовах довгоденного циклу – зниження їх вмісту (рис.4). Подібні дані одержані нами і у дослідах з ДДР ріпаком, КДР та ФНР ізогенними лініями сої сортів Harosoyта Clark. Тобто, за більш тривалий темновий період короткоденного циклу вміст нітратів зростає у всіх фотоперіодичних груп рослин. Однією з причин цього може бути подовження періоду їх поглинання при зниженому рівні відновлення (Kaiseretal., Mattetal., 2001).
Зростання вмісту нітратів у ДДР протягом ночі короткоденного циклу, може бути пов’язане ще й зі зниженням рівня енергетичного та пластичного забезпечення редукції нітратів та включення відновленого азоту у метаболізм, ніж у довгоденному циклі (Цыбулько, 1998).
У КДР більший вміст нітратів протягом тривалого темнового періоду короткоденного циклу може бути пов’язаний із перевагою їх поглинання і транспорту над відновленням і включенням у метаболізм. Вірогідно, це пов’язане з більш інтенсивним використанням нітратного азоту у біосинтетичних процесах у світловий період короткоденного циклу, коли, за нашими даними, вміст нітратів значно знижується. Зниження вмісту нітратного азоту у листках КДР протягом короткої ночі в умовах довгоденного циклу може бути пов’язане із недостатнім забезпеченням процесу поглинання нітратів енергетичними еквівалентами, або, навіть, виходом нітратів із рослини за несприятливого фотоперіоду (Воробьев, 1988; BenDriss Amraoui, 2000). Причини зміни вмісту нітратів у ФНР, на нашу думку, такі ж, як і у КДР.
Нітратредуктазна активність. Результати вегетаційних та польових дослідів показали, що у ДДР вівса нітратредуктазна активність була більшою на довгому, а у КДР та ФНР проса – на короткому дні, як у вранішні (1000 ) так і у денні (1500 ) години (рис.5).
Результати визначення нітратредуктазної активності у довгоденного ріпаку, короткоденних та фотоперіодично нейтральних ізогенних ліній сої сорту Clarkбули подібними до результатів, одержаних у дослідах з ДДР вівсом, КДР та ФНР просом.
На нашу думку, більш висока нітратредуктазна активність у довгоденних рослин – на довгому, а у короткоденних – на короткому дні, може бути пов’язана з тим, що у цих рослин, як показано Аксеновою та ін. (1973), Кахнович (1980), Цыбулько (1998), за сприятливих фотоперіодичних умов перебіг метаболічних процесів є більш інтенсивним, ніж за несприятливих. В результаті цього, у цих рослин за сприятливої тривалості дня синтезується достатня кількість вуглеводів і, вірогідно, органічних кислот, що забезпечує високий рівень відновлення нітратів та інтенсивне утворення амінокислот, білків і інших азотвмісних сполук. Підвищена нітратредуктазна активність у ФНР на короткому дні може обумовлюватись зростанням у них інтенсивності вуглеводного обміну за цих умов (Альдал'ін, 2006).
Фотохімічна активність хлоропластів. У ряді робіт показано, що на відновлення нітрат-йону використовується близько 20% енергії, яка генерується під час фотосинтезу, тобто цей процес на світлі у енергетичному відношенні є другим за важливістю фотоендергонічним процесом у рослині (Павлова та ін., 1994, Larsson etal., 1982). Тому ми вивчали один із найважливіших показників фотохімічної активності хлоропластів (ФХА) – реакцію Хілла.
Отримані результати показали, що у довгоденного вівса у вранішні (1000 ) та денні (1500 ) години у вегетаційних, та у вранішні години у польових дослідах, швидкість реакції Хілла була більшою в умовах довгого, а у короткоденного та фотоперіодично нейтрального проса – в умовах короткого дня (рис.6). За польових умовФХА хлоропластів визначали такожу короткоденних та фотоперіодично нейтральних ізогенних ліній сої сорту Clark. Одержані щодо них результати були подібними до результатів, одержаних у дослідах з короткоденним та фотоперіодично нейтральним просом.
На нашу думку, більш висока фотохімічна активність хлоропластів у довгоденних рослин на довгому, а у короткоденних – на короткому фотоперіоді свідчить про більшу інтенсивністю біосинтетичних процесів за цих умов (Крекуле, Махчкова, 2002; Берн’є та ін.2002). Вірогідно, що більша фотохімічна активність хлоропластів у довгоденних та короткоденних рослин за цих умов сприяє кращому енергетичному забезпеченню процесу відновлення нітратів.
Можна припустити, що підвищена ФХА у фотоперіодично нейтральних рослин на короткому дні, як і у короткоденних, може бути пов’язана з підвищеною інтенсивністю накопичення вуглеводів (Альдал'ін, 2006).
Вміст хлорофілу. Вміст фотосинтетичних пігментів у листку є одним із важливих показників стану фотосинтетичного апарату за різних екологічних умов вирощування (Кочубей, 2001; Шадчина та ін., 2006).
Результати показали, що у довгоденного вівса вміст хлорофілу а та сума хлорофілів були вищими на довгому дні, тоді як у короткоденного та фотоперіодично нейтрального проса – на короткому дні. Вплив тривалості дня на вміст хлорофілу в у листках досліджуваних рослин не виявлений, що може бути пов’язане з його допоміжною роллю у первинних фотосинтетичних процесах.
Вміст НАДФ(Н) та НАД(Н) у рослинах за різної тривалості дня. Відомо, що НАДФН та НАДН безпосередньо приймають участь у енергетичному забезпеченні відновлення нітратів (Измайлов, 1986). Тому, ми визначали вміст НАДФ(Н) та НАД(Н) у листках рослин за різного фотоперіоду.