Взаимосвязьдыхания и фотосинтеза

 ВЗАИМОСВЯЗЬ ДЫХАНИЯ И ФОТОСИНТЕЗА В НОРМЕ И ПРИ СТРЕССЕ У РАЗНЫХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ

.

Для активного  роста растительный организм должен часть синтезированных в ходе фотосинтеза субстратов окислять в  процессе дыхания для получения  интермедиатов и энергии с  целью поддержания биосинтеза и связанных с ним процессов, в частности транспорта субстратов. Дыхание также необходимо для поддержания биомассы в активном состоянии. Отсюда следует, что всестороннее изучение связей между фотосинтезом, дыханием и ростом необходимо для определения потенциальной продуктивности растений и для понимания морфофизиологических механизмов лежащих в основе реакции растений на неблагоприятные воздействия окружающей среды.

Одной из причин слабой разработки этой проблемы является трудность, а в некоторых случаях невозможность, непосредственного измерения и дифференциации составляющих газообмена, а именно – истинного фотосинтеза, темнового дыхания на свету, отдельных функциональных составляющих темнового дыхания на интактных растениях. В частности, трудность в оценке темнового дыхания на свету заключается в том, что его необходимо дифференцировать от фотодыхания. Экстраполяцию ночного дыхания на дневное время, для оценки темнового дыхания на свету также нужно производить крайне осторожно, поскольку эти процессы имеют следующие отличия 1) разные углеродные источники - на свету “молодые” ассимиляты, в темноте - резервные; 2) биохимические модификации (или ингибирование) отдельных этапов темнового дыхания на свету; 3) разная реакция на неблагоприятные условия. Необходимо также учитывать степень заполненности метаболических и резервных пулов. Что зависит от продолжительности предыдущего светового периода и внешних условий. Кроме этого нужно помнить, что в определенных условиях фотосинтез может снабжать АТФ, НАДФ и С-скелетами процессы, которые в норме поставляет дыхание, и таким образом, уменьшать долю дыхания и улучшать энергетический баланс в целом [1].

Для характеристики энергетического баланса целого растения часто используют соотношение  суммарного темнового дыхания и гроссфотосинтеза. Показано, что величина этого соотношения колеблется в пределах 0,3-0,6 [2], 0,35-0,45 [3]. По мнению М.Канела и Дж.Торнли это соотношение консервативно, но вариабельно [3]. В неблагоприятных условиях среды доля дыхательных затрат от фотосинтеза, как правило, увеличивается [2], реже наблюдается снижение [1].

Итак, остаются открытыми следующие вопросы:

1. Какова  величина темнового дыхания на  свету и с помощью каких  методов его можно измерить?

2. Как  изменяется энергетический баланс (доля суммарного темнового дыхания от гроссфотосинтеза) в зависимости от вида растений и условий окружающей среды?  

За последние 50 лет представления о функциональной значимости темнового дыхания на свету неоднократно менялись, от полного отрицания существования окислительных процессов в фотосинтезирующих тканях до значительного усиления их на свету. В 50-е годы общепринятой была точка зрения, что темновое дыхание на свету и в темноте одинаково [4]. В 70-80-е годы господствовали взгляды, согласно которым, темновое

дыхание ингибируется светом и все функции  по энергетическому обеспечению  берет на себя фотосинтез [5]. В тоже время появились работы, показывающие наличие темнового дыхания на свету, но с некоторыми модификациями [6, 7, 8]. За последние 10-15 лет большая работа была проведена Мамушиной и др.[9], которые показали, что 80-90-е годы на смену представлениям о конкурентном характере взаимосвязи фотосинтеза и дыхания пришло представление о взаимном дополнении при соучастии этих двух функций в общем метаболизме клетки.

Для оценки функционирования отдельных этапов дыхания на свету, как правило, используются меченые субстраты дыхания и  анализ кинетических и регуляторных свойств ключевых ферментов. Н.С. Мамушиной  с соавт. [9] был обобщен и проанализирован большой и достаточно противоречивый экспериментальный материал, полученный за последние 30 лет с помощью данных методов и авторы пришли к следующим выводам: 1) начальные этапы дыхания на свету - гликолиз и окислительный пентозофосфатный путь (ОПФП) активно функционируют в молодых, растущих листьях и частично ингибированы в донорных листьях. Отсюда следует, что при изучении вопроса о работе темнового дыхания на свету необходимо учитывать возраст листа и особенности жизненной стратегии растения; 2) Окислительная электронно-транспортная цепь (ЭТЦ) митохондрий, на свету активно функционирует; 3) Относительно работы цикла Кребса на свету высказываются две противоположные точки зрения: а) на свету цикл Кребса модифицирован [6,7,8,10] или подавлен [11, 12,,13]; б) цикл Кребса функционирует на свету в полном объеме, а при активной метаболической нагрузке стимулирован и выполняет амфиболитическую функцию, поставляя углеродные субстраты для синтеза аминокислот и других соединений [9,14]. Противоречивые выводы можно объяснить, как методическими трудностями, так и физиологическими особенностями организации темнового дыхания на свету. Поэтому при проведении исследований необходимо учитывать, что:

1) в  первые моменты освещения имеет  место временное ингибирование цикла Кребса, которое затем сменяется адаптацией к новым условиям, при которых скорость цикла снова возрастает [6];

2) наличие  пулов, куда поступает вновь  фиксированный [14С], и поэтому темновое дыхание на свету не может за короткое время утилизировать первые ассимиляты из углеродного источника. Для получения достоверной оценки необходимо представить полную динамику изотопного насыщения пулов;

3) измерение  интенсивности темнового дыхания  на свету желательно производить  на целом растении (без нарушения целостности самого растения), что невозможно при проведении биохимических исследований;

4) для  получения достоверной оценки  темнового дыхания на свету  исследуемые растения должны  быть длительное время адаптированы  к стационарным, желательно оптимальным для данного вида внешним условиям, т.е. все физиологические процессы в растениях должны быть сбалансированы и согласованы.

На наш  взгляд одним из методов наиболее полно соответствующих этим требованиям, является изучение составляющих газообмена на свету с помощью анализа кинетических кривых СО2-газообмена, измеренных после выключения света на интактных растениях, выращенных в строго контролируемых условиях фитотрона [7, 8, 15, 16, 20].

Итак, в  ходе анализа полученных кинетических кривых были выявлены следующие закономерности:

1. Если  в каждом отдельном опыте текущие  значения скорости дыхания отнести  к максимальной скорости дыхания  для этого опыта, то полученные  экспериментальные данные и по  подсолнечнику и по кукурузе  достаточно точно укладываются  на одну кривую, что свидетельствует об их видонеспецифичности

2. Анализ  кинетических кривых показал,  что доля суммарного темнового  дыхания от истинного фотосинтеза  (Pg) у исследуемых растений независимо  от типа фотосинтетического метаболизма,  очень близка по значению и составила в фазу активного роста 38-40 %.

3. Доля  темнового дыхания на свету  связанного с экспортом ассимилятов  из донорного листа составила  половину общей суммы, т.е. 19-20 % от истинного фотосинтеза [7,8]. Следует подчеркнуть, что речь  идет не об абсолютных, а об относительных величинах, отражающих соотношение физиологических процессов, измеренных на растениях, у которых нивелированы суточные ритмы, т.е. резервные пулы пустые. А возможность сохранения стационарных, строго контролируемых, оптимальных внешних условий в течение всего эксперимента позволяет получать достаточно точные соотношения основных физиологических процессов отражающих закономерности организации целого растения.

Подобные  значения доли суммарного темнового  дыхания от истинного фотосинтеза в ассимилирующих тканях были получены и другими исследователями [1, 3, 17].

Проведенные нами измерения величины темнового  дыхания в темноте на разных видах  диких травянистых растений, выращенных как лабораторных, так и тепличных (приближенных к естественным) условиях показали, что отношение темнового дыхания к истинному фотосинтезу в фазу активного роста - у 30-дневных растений составляет 38-45 %. В ходе дальнейшего роста наблюдается увеличение данного соотношения до 50-53 % [18]. Полученные нами данные согласуются с данными других авторов [19].

Как следует  из представленных данных темновое дыхание  на свету и в темноте соизмеримо и составляет в среднем в фазу активного роста 40-50 % от истинного  фотосинтеза у растений адаптированных к оптимальным внешним условиям. При этом необходимо учитывать, что а) будут задействованы разные пулы ассимилятов – в случае темнового дыхания на свету – метаболические, а темнового дыхания в темноте – резервные [20, 21]; б) возможны биохимические модификации отдельных этапов темнового дыхания на свету [6, 10, 7, 8]; в) в стрессовых условиях возможно усиление альтернативных путей – ОПФП и цианидрезистентного дыхания [22], при чем в разной степени в случае темнового дыхания на свету и в темноте.

Одной из наиболее удачных классификаций комплексов адаптаций разных видов растений к неблагоприятным условиям является выделение трех основных типов адаптивных стратегий: эксплеренты (рудералы), виоленты (конкуренты) и патиенты (стресс-толеранты) (по Л.Г.Раменскому - J.P.Grime). Данная классификация учитывает различия растений по конкурентоспособности, устойчивости к стрессам и продуктивности [23, 24]. Мы использовали представителей разных адаптивных стратегий, в том числе с разным типом фотосинтетического метаболизма, в модельных экспериментах для изучения адаптационных особенностей на уровне энергетического баланса на растениях с заведомо различной реакций на стрессовое воздействие. Опыты проводились на разных видах

травянистых растений и разных сортах (отличающихся по продуктивности и устойчивости) яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) в фазу активного роста. В результате проведенных экспериментов получили, что при стрессе (различные уровни минерального питания, водный дефицит) у менее устойчивых сортов и видов соотношение суммарного темнового дыхания к гроссфотосинтезу увеличивается в среднем в 2,4 раза, у более устойчивых в 1,3 раза [18, 25].

Итак, подводя  итог вышесказанному можно сделать  следующие выводы:

1) Анализ  кинетических кривых СО2-газообмена, измеренных после выключения света на интактных растениях, выращенных в строго контролируемых оптимальных условиях показал, что доля суммарного темнового дыхания от истинного фотосинтеза (R/Pg) невидоспецифична и в вегетативную фазу роста составляет 38-40 %. Константные соотношения отражают состояние растения, когда приход (ассимиляция в процессе фотосинтеза) максимизирован, а расход (окисление в процессе дыхания) минимизирован. Соотношения процессов фотосинтеза и дыхания, определяющих материальный и энергетический баланс системы, будут отражать закономерности количественной организации целого растения.

2) При  изучении темнового дыхания на  свету необходимо учитывать наличие  пулов, куда поступает вновь  фиксированный [14С] и поэтому окислительные процессы на свету не могут за короткое время утилизировать первые ассимиляты из углеродного источника.

3) Основные  методы, которые используются для  изучения темнового дыхания на  свету - газометрические, биохимические  с использованием меченых субстратов  дыхания, а также изучение кинетических или регуляторных свойств ключевых ферментов. Все эти методы имеют свои недостатки и достоинства. Вероятно, оптимальным будет использование сочетание нескольких методов, для решения поставленной задачи.

4) Темновое  дыхание на свету и в темноте  соизмеримо и составляет в среднем в фазу активного роста 40 %-50 % от истинного фотосинтеза у растений адаптированных к оптимальным внешним условиям. При стрессе R/Pg увеличивается, причем это увеличение тем больше, чем менее устойчиво растение к данному виду стресса.

5) Отношение  R/Pg является показателем физиологического  состояния и сбалансированности  основных физиологических процессов  – фотосинтеза, дыхания, транспорта  ассимилятов, роста и т.д. в  растениях Данный показатель  может быть использован для  оценки адаптационных затрат при стрессе, а также для прогнозирования потенциальной продуктивности и устойчивости разных видов растений.

Вышеизложенный  взгляд на энергетический баланс растений позволяет с единых энергетических позиций рассмотреть ряд задач  прикладной физиологии растений, селекции, генетики, экологической физиологии, таких как сравнительная оценка устойчивости видов к стрессу, интенсивности стресса, продукционного процесса, физиологическая интерпретация адаптивных стратегий, обсуждение моделей сортов для конкретных условий и т.д.