УДК 581.1
УСТЬИЧНЫЙ КОНТРОЛЬ ФОТОСИНТЕЗА У ОТДЕЛЕННЫХ ЛИСТЬЕВ ДРЕВЕСНЫХ И ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ
© 2012 г. П. Ю. Воронин*, Г. П. Федосеева**
*Государственное учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, Москва
**Ботанический сад Уральского государственного университета им. А.М. Горького, Екатеринбург
Поступила в редакцию 01.04.2011 г.
У ряда древесных (Pinus sibirica Du Tour, P. sylvestris L., Larix sibirica Ledeb., Betula pendula Roth., Quercus robur L.), а также травянистых однолетних (Amaranthus cruentus L. cv. Tampala, Celosia argentea L. f. cristata (L.), Gomphrena dispersa Standl., Solanum tuberosum L., Helianthus annuus L. и H. tuberosus L.) и многолетних (Inula helenium L., Poligonum Weyrichii F. Schmidt, Polymnia sonchifolia Poepp. & Endl.) видов растений с помощью высокоточной портативной факторостатной газоизмерительной системы GFS-3000 определяли фотосинтез и транспирацию листьев и хвои до и после их отделения от побега при оптимальных для фотосинтеза условиях: ФАР 2000 мкЕ/(м2 с), температура 2225°С и относительная влажность воздуха 6570%. Для стационарного газообмена листа на свету у всех обследованных в данной работе видов было характерно прямолинейное пропорциональное соотношение между фотосинтезом и транспирацией (R2 = 0.87). Это означает, что временной ход Н2О/СО2-газообмена после отделения листа вполне характеризовал статус устьичного контроля фотосинтеза. Общая для травянистых растений и деревьев закономерность проявления эффекта отделения листа заключалась в том, что в первые 35 мин после его отделения устьичный контроль над фотосинтезом сохранялся. Напротив, увеличение транспирации сразу после отделения листа было видоспецифичным. Вследствие этого у некоторых видов измеренные быстрым весовым способом значения транспирации могут быть на 1015% завышены по сравнению с соответствующими значениями стационарного газообмена их неотделенных листьев.
-------------------------------------
Сокращение: Хл  хлорофилл.
Адрес для корреспонденции: Воронин Павел Юрьевич. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН. Электронная почта: pavel@ippras.ru
Ключевые слова: древесные и травянистые виды  отделенный лист  устьичный контроль фотосинтеза

ВВЕДЕНИЕ
Интерес к возможно более точному определению транспирации растения вызван необходимостью рационального ведения сельского хозяйства и природопользования. Так, весьма дорогостоящим мероприятием является орошение, на которое тратится более половины расходуемой в сельском хозяйстве пресной воды. Одним из условий рационального использования воды при орошении должно быть знание “запросов” растения и подбор адаптивных и высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных растений, наиболее экономно расходующих почвенную влагу [1, 2]. В настоящее время в сельскохозяйственной практике и при экологических исследованиях транспирацию листьев традиционно определяют методом быстрого взвешивания [3].
Несмотря на простоту, весовой метод имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, раневой эффект, начиная с момента отделения листа, может существенно влиять на временной ход транспирации. Во-вторых, при определении транспирации у отделенных листьев весовым способом нельзя исключать изменение состояния листа в ходе самой процедуры измерения. Как правило, может меняться освещенность, влажность окружающего воздуха, температура листа и гидравлическое давление в водных тяжах проводящей системы. В-третьих, имеются сведения, что эффект отделения листа на транспирацию и фотосинтез проявляется видоспецифично [4]. Введение в экспериментальную практику дорогостоящих портативных газо-измерительных систем со специализированными факторостатными листовыми камерами-прищепками отчасти снимает эту проблему, но не решает вопрос доверия к огромному массиву экспериментальных данных по транспирации, полученных весовым способом. Стоит отметить, что отделенный лист как экспериментальная модель газообмена до сих пор широко используется в физиологических и биофизических экспериментах, так как не всегда можно использовать листовые камеры-прищепки в связи с их конструктивными особенностями [4, 5]. Поэтому возникает вопрос о сопоставимости данных, полученных на отделенных листьях (метод быстрого взвешивания), с показателями фотосинтетического газообмена у неотделенного листа в естественных условиях (камера-прищепка). В литературе нам удалось обнаружить лишь единичные данные, позволяющие количественно оценить возможные систематические ошибки при измерении газообмена, связанные с процедурой отделения листа [4].
Учитывая вышеизложенные обстоятельства, целью настоящей работы была оценка возможной погрешности, связанной с отделением листа, при определении транспирации методом быстрого взвешивания. В задачу исследования входило сравнительное изучение транспирации и фотосинтеза у интактных и отделенных листьев травянистых и древесных растений.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Растительный материал. В опытах использовали однолетние (Amaranthus cruentus L. cv. Tampala, Celosia argentea L. f. cristata (L.), Gomphrena dispersa Standl., Solanum tuberosum L., Helianthus annuus L. и H. tuberosus L., ) и многолетние (Inula helenium L., Poligonum Weyrichii F. Schmidt, Polymnia sonchifolia Poepp. & Endl.) травянистые растения, а также 4050-летние древесные (Pinus sibirica Du Tour, P. sylvestris L., Larix sibirica Ledeb., Betula pendula Roth., Quercus robur L.) виды. Необходимо отметить, что взятые в опыт многолетние 810-летние травянистые виды, являющиеся интродуцентами в условиях Урала, сохранили способность к интенсивному росту.
Условия выращивания травянистых видов. Травянистые растения выращивали в естественных условиях на среднеподзолистой почве на территории Ботанического сада Уральского государственного университета на Среднем Урале. Средний Урал является зоной неустойчивого увлажнения. Средняя многолетняя (за 80 лет) сумма осадков за вегетационный период составляет примерно 230 мм. Измерения проводили во второй половине июля и первой декаде августа в 2010 г. В июле на территории области наблюдалась неустойчивая, преимущественно сухая погода. В среднем за месяц температура воздуха составила 1820°С, что близко к норме. При этом сумма осадков за месяц составила на большей части территории области 2045 мм (т.е. 2555% от месячной нормы). Первая половина августа отличалась жаркой, преимущественно сухой погодой. Так, в период с 1 по 13 августа средняя за сутки температура воздуха в основном находилась в пределах 2123°С, временами достигая 2427°С, что на 511°С выше нормы. В дневные часы температура иногда повышалась до 2833°С, а в отдельные дни и до 3437°С. Общая метеорологическая характеристика вегетационного сезона на месте проведения опытов представлена в табл. 1.
Измерения газообмена листьев проводили в период с 15 июля по 3 августа в течение светового дня с 10:00 до 16:00. Для древесных видов в опыт брали полностью сформированные листья или хвою текущего периода вегетации. У травянистых видов измерения проводили на завершившем рост листе среднего яруса в фазу цветения. Фотосинтетический СО2-газообмен и транспирацию листьев измеряли с помощью высокоточной портативной газоизмерительной системы GFS-3000 (“Walz”, Германия) при оптимальных для фотосинтеза условиях. Неотделенные от побега листья помещали в камеру-прищепку с искусственным источником света (светоизлучающий диод, ФАР 2000 мкЕ/(м2 с)) при температуре 2225°С и относительной влажности воздуха 6570%. Измерительная процедура включала три последовательных этапа: (1) 10-минутная адаптация интактного листа к условиям в камере-прищепке; (2) измерение стационарного газообмена листа в течение последующих 10 мин; (3) отделение листа от побега и измерение временнóго хода газообмена в течение последующих 2035 мин. Полученные значения газообмена рассчитывали на хлорофилл. Содержание хлорофилла в расчете на сырой вес листа определяли спектрофотометрическим методом [7].
Статистическую выборку образовывали от одного до трех листьев, взятых с трех растений. В таблицах и на рисунках представлены средние значения и их стандартные ошибки. Экспериментальные значения газообмена после отделения листа представлены в % к соответствующему значению стационарного газообмена неотделенного листа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В табл. 2 приведены экспериментальные данные измерений содержания хлорофилла, фотосинтеза и транспирации. Содержание хлорофилла в листьях находилось в пределах (1.5–3.5 мг Хл/г сырой массы), обычных для мезофитных растений. Для стационарного газообмена неотделенных листьев у всех опытных объектов была характерна пропорциональная связь между фотосинтезом и транспирацией (R2 = 0.87) (табл. 2). Группа травянистых растений характеризовалась наивысшими показателями стационарного фотосинтеза и транспирации. У деревьев отмечали примерно вдвое меньшие значения фотосинтеза и транспирации (табл. 2). В первые минуты после отделения листа у них наблюдали как возрастание, так и снижение фотосинтетического газообмена (рис. 1а, 1б) и транспирации (рис. 2а, 2б). Напротив, у большинства травянистых видов растений на отделенных листьях отмечали однотипную временную динамику фотосинтеза (рис. 1в, 1г) и транспирации (рис. 2в, 2г). Так, после отделения листа непродолжительный период поддержания постоянного газообмена сменялся его временным возрастанием, а затем необратимым снижением. На восходящей ветви газообмена отмечали синхронное возрастание фотосинтеза (рис. 1в, 1г) и транспирации (рис. 2в, 2г). Однако на нисходящей его ветви снижение транспирации было менее выражено по сравнению со снижением фотосинтеза. Такая сложная временнáя динамика отражает переходный процесс потери листом устьичного контроля газообмена после отделения листа от побега.
В ходе всего опыта интенсивность фотосинтеза не зависела ни от температуры, ни от освещенности. Следовательно, прямая пропорциональная связь между фотосинтезом и транспирацией была обусловлена лимитированием газообмена за счет устьичной проводимости листа. В этом случае временной ход Н2О/СО2-газообмена характеризовал статус устьичного контроля фотосинтеза, а нарушение постоянства Н2О/СО2-газообмена означало его потерю (рис. 3). Для последующего анализа в качестве малого показателя возмущающего воздействия приняли время достижения Н2О/СО2-газообменом 10% отклонения от его стационарного значения (100%). Время выхода Н2О/СО2-газообмена за пределы 15% отклонения от уровня стационарного состояния газообмена интактного листа приняли в качестве показателя полной потери отделенным листом устьичного контроля фотосинтеза. Значения этих показателей получили в результате анализа временнóго хода изменения Н2О/СО2-газообмена у отделенного листа (рис. 3).
Поскольку на первой стадии переходного процесса газообмена отделенного листа значения транспирации и фотосинтеза одновременно возрастали (рис. 1 и 2), то выявили вполне ожидаемую пропорциональную связь между временными характеристиками потери листом устьичного контроля (рис. 4). Рисунок демонстрирует, что как минимум в первые 5 мин после отделения от побега листья всех обследованных видов сохраняли устьичный контроль над фотосинтетическим газообменом. Отделенные листья некоторых видов поддерживали устьичный контроль в течение даже более продолжительного срока. Поэтому, например, данные для H. tuberosus, P. sonchifolia и C. argentea на рис. 4 не представлены. Отделенные листья этих видов не теряли устьичный контроль на протяжении всего периода наблюдений. Данные рис. 2 свидетельствуют также в пользу видовой специфичности эффекта увеличения транспирации после отделения листа. Это означает, что у некоторых видов уже в первые минуты после отделения листа, при сохранении им устьичного контроля над фотосинтезом, измеренная весовым способом транспирация может быть на 1015% завышена по сравнению с соответствующими значениями стационарного газообмена у неотделенного листа.
Авторы выражают благодарность Рымарю В.П. за активное участие в проведении измерений фотосинтетического газообмена.
Работа выполнена частично за счет средств проекта 6.3 Программы Президиума Российской академии наук “Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы”.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Багаутдинова Р.И., Филлиппова Т.Л., Федосеева Г.П. Транспирационные коэффициенты и продуктивность растений картофеля // С-х. биология. 1985. № 3. С. 60-62.
  2. Филиппова Т.Л., Федосеева Г.П., Багаутдинова Р.И. Продуктивность использования транспирационной воды у разных сортов картофеля // Фотосинтез и продукционный процесс // Под ред. Мокроносова А.Т. Свердловск: изд-во Урал. ун-та, 1988. С. 155-158.
  3. Иванов Л.А., Силина А.А., Цельникер Ю.Л. О методе быстрого взвешивания для определения транспирации в естественных условиях // Ботан. журн. 1950. Т. 35. С. 171-185.
  4. Пярник Т.Р., Кээрберг О.Ф., Юрисма Э.Я. Быстродействующая экспозиционная камера для изучения фотосинтеза при помощи 14СО2 // Физиология растений. 1987. Т. 34. С. 837-845.
  5. Оя В.Я. Быстродействующая газометрическая установка для исследования кинетики фотосинтеза листьев // Физиология растений. 1983. Т. 30. С. 1045-1052.
  6. Каплун Л.И. Агрометеорологические условия на территории Свердловской области // Бюлл. Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. 2010. Вып. 16. С. 1-21.
  7. Vernon L.P. Spectrophotometric Determination of Chlorophylls and Pheophytins in Plant Extracts // Anal. Chem. 1960. V. 32. P. 1185-1188.

Подписи к рисункам
Рис. 1. Временной ход фотосинтетического газообмена листьев после их отделения от побега.
а  хвойные древесные растения: Pinus sibirica (1), P. sylvestris (2) и Larix sibirica (3); б  листопадные древесные растения: Betula pendula (4), Quercus robur (5); в  травянистые растения интенсивного роста: Inula helenium (6), Poligonum Weyrichii (7), Helianthus tuberosus (8), H. annuus (9); г  травянистые растения: Polymnia sonchifolia (10), Solanum tuberosum (11), Gomphrena dispersa (12), Amaranthus cruentus cv. Tampala (13), Celosia argentea f. cristata (14). За 100% приняты значения стационарного (видимого) газообмена неотделенных листьев (см. табл. 2). Момент отделения листа отмечен стрелкой.

Рис. 2. Временной ход транспирации листьев после их отделения от побега.
Обозначения см. на рис. 1.

Рис. 3. Временной ход Н2О/СО2-газообмена листьев после их отделения от побега. Обозначения см. на рис. 1.

Рис. 4. Временнáя характеристика потери листом устъичного контроля над фотосинтетическим газообменом.
Обозначения см. на рис. 1.