1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Физиология растений
  4. T. 70, № 6, 2023

Физиология растений, 2023, T. 70, № 6, стр. 577-587

Возрастные и адаптивные изменения фотосинтетического аппарата листьев зимне-зеленого травянистого растения Ajuga reptans L. в природных условиях таежной зоны

О. В. Дымова a, *, И. Г. Захожий a, Т. К. Головко a

a Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук
Сыктывкар, Россия

* E-mail: dymovao@ib.komisc.ru

Поступила в редакцию 07.03.2023
После доработки 16.03.2023
Принята к публикации 16.03.2023

Аннотация

Формирование и функционирование фотосинтетического аппарата (ФСА) находится под общим контролем растительного организма и постоянно меняющихся условий среды. Исследовали возрастные и адаптивные изменения пигментного комплекса, спектральных свойств и состояния фотосистемы II (ФС II) листьев парциальных побегов летне-зимне-зеленого травянистого многолетника Ajuga reptans L. (живучка ползучая) в связи с перезимовкой. Появляющиеся в мае–июне розеточные листья новой генерации быстро накапливали фотосинтетические пигменты и формировали ФСА с высокой потенциальной (Fv/Fm) и реальной квантовой эффективностью ФС II (ФPSII). Осенью (сентябрь–октябрь) содержание хлорофиллов составляло 10 мг/г сухой массы, величина Fv/Fm равнялась 0.8 отн. ед., а уровень ФPSII при ФАР 130 мкмоль квантов/(м2 с) составлял около 0.7 отн. ед. Перезимовавшие листья содержали вдвое меньше фотосинтетических пигментов, накапливали значительное количество антоцианов, характеризовались низкой фотохимической активностью и высоким уровнем деэпоксидации пигментов виолаксантинового цикла. С возобновлением активной вегетации растений (май) отмечали частичное восстановление пигментного фонда и репарацию ФСА перезимовавших листьев, о чем свидетельствует увеличение показателей квантового выхода ФС II. Завершение жизненного цикла листьев сопровождалось снижением ФPSII до 0.5 отн. ед. и резким увеличением тепловой диссипации энергии возбуждения (NPQ) до 0.9 отн. ед. Сезонные изменения спектральных свойств листьев и индексов фотохимического отражения в целом соответствовали динамике содержания пигментов и эффективности использования света при фотосинтезе. Полученные результаты указывают на существенную трансформацию структурно-функциональной организации ФСА в онтогенезе зимующих листьев. Генетически закрепленное свойство зимне-зеленых растений сохранять листья основано на способности их ФСА к восстановлению функциональной активности после шокового воздействия перезимовки, чему способствует комплекс адаптивных и защитных механизмов.

Ключевые слова: Ajuga reptans, зимне-зеленые листья, фотосинтетический аппарат, фотосинтетические пигменты, антоцианы, спектральные индексы, фотосистема II

Список литературы

  1. Öquist G., Huner N.P.A. Photosynthesis of overwintering evergreen plants // Annu. Rev. Plant Biology. 2003. V. 54. P. 329. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.54.072402.115741

  2. Solanki T., Aphalo P.J., Neimane S., Hartikainen S.M., Pieriste M., Shapiguzov A., Porsar-Castell A., Atherton J., Heikilla A., Robson T.M. UV-screening and spring-time recovery of photosynthetic capacity in leaves of Vaccinium vitis-idaea above and below the snow pack // Plant Physiol. Biochem. 2019. V. 134. P. 40. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.09.003

  3. Verhoeven A.S., Adams lii W.W., Demmig-Adams B. The xanthophyll cycle and acclimation of Pinus ponderosa and Malva neglecta to winter stress // Oecologia. 1999. V. 118. P. 277. https://doi.org/10.1007/s004420050728

  4. Verhoeven A.S., Adams lii W.W., Demmig-Adams B. Two forms of sustained xanthophylls cycle-dependent energy dissipation in overwintering Euonymus kiautschovicus // Plant, Cell Environ. 1998. V. 21. P. 893. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.1998.00338.x

  5. Logan B.A., Grace S.C., Adams lii W.W., Demmig-Adams B. Seasonal differences in xanthophyll cycle characteristics and antioxidants in Mahonia repens growing in different light environments // Oecologia. 1998. V. 116. P. 9.https://doi.org/10.1007/PL00013823

  6. Adams lii W.W., Demmig-Adams B., Rosenstiel T.N., Brightwell A.K., Ebbert V. Photosynthesis and photoprotection in overwintering plants // Plant Biology. 2002. V. 4. P. 545.

  7. Adams W.W., Zarter C.R., Ebbert V., Demmig-Adams B. Photoprotective strategies of overwintering evergreens // Bioscience. 2004. V. 54. P. 41.

  8. Yatsco Y.N., Dymova O.V., Golovko T.K. Violaxanthin cycle pigment de-epoxidation and termal dissipation of light energy in three boreal species of evergreen conifer plants // Russ. J. Plant Physiol. 2011. V. 58. P. 169.

  9. Sofronova V.E., Chepalov V.A., Dymova O.V., Golovko T.K. The role of pigment system of an evergreen dwarf shrub Ephedra monosperma in adaptation to the climate of Central Yakutia // Russ. J. Plant Physiol. 2014. V. 61. P. 246. https://doi.org/10.1134/S1021443714010142

  10. Sofronova V.E., Dymova O.V., Golovko T.K., Chepalov V.A., Petrov K.A. Adaptive changes in pigment complex of Pinus sylvestris needles upon cold acclimation // Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 433. https://doi.org/10.1134/S1021443716040142

  11. Steyn W.J., Wand S.J.E., Holcroft D.M., Jacons G. Anthocyanins in vegetative tissues: a proposed unified function in photoprotection // New Phytologyst. 2002. V. 155. P. 349. https://doi.org/10.1046/j.1469-8137.2002.00482.x

  12. Hughes N.M., Smith W.K. Seasonal photosynthesis and antocyanin production in ten broadleaf evergreen species// Funct. Plant Biol. 2007. V. 34. P. 1072. https://doi.org/10.1071/FP07205

  13. Merzlyak M., Gitelson A., Chivkunova O., Solovchenko A., Pogosyan S. Application of reflectance spectroscopy for analysis of higher plant pigments // Russ. J. Plant Physiol. 2003. V. 50. P. 704. https:// doi: 1021-4437/03/5005

  14. Gitelson A.A., Keydan G.P., Merzlyak M.N. Three-band model for noninvasive estimation of chlorophyll, carotenoids, and anthocyanin contents in higher plant leaves. Geophysical research letters. 2006. V. 33. P. L11402. https://doi.org/10.1029/2006GL026457

  15. Головко Т.К., Яцко Я.Н., Дымова О.В. Сезонные изменения состояния фотосинтетического аппарата трех бореальных видов хвойных растений в подзоне средней тайги на европейском северо-востоке // Хвойные бореальной зоны. 2013. Т. 30. С. 73.

  16. Dymova O., Khrystin M., Miszalski Z., Kornas A., Strzalka K., Golovko T. Seasonal variations of leaf chlorophyll-protein complexes in the wintergreen herbaceous plant Ajuga reptans L. // Funct. Plant Biol. 2018. V. 45. P. 519. https://doi.org/10.1071/FP17199

  17. Дымова О.В., Тетерюк Л.В. Физиологическая и популяционная экология неморальных травянистых растений на Севере. Екатеринбург: Уральское отделение Российской академии наук, 2000. 144 с.

  18. Атлас Республики Коми по климату и гидрологии / Отв. ред. Таскаев А.И. Москва: Издательский дом “Дрофа”, Изд-во “ДиК”, 1997. 115 с.

  19. Dymova O.V., Golovko T.K. Light adaptation of photosynthetic apparatus in Ajuga reptans L., a shade-tolerant plant as an example // Russ. J. Plant Physiol. 1998. V. 45. P. 440.

  20. Lee J., Durst R.W., Wrolsrad R.E. Determination of total monomeric anthocyanin pigment content of fruit juices, beverages, natural colorants, and wines by the pH differential method: collaborative study // Journal of AOAC International. 2005. V. 88. P. 1269.

  21. Gitelson A., Merzlyak M.N. Spectral reflectance changes associated with autumn senescence of Aesculus hippocastanum L. and Acer platanoides L. leaves. Spectral features and relation to chlorophyll estimation // J. Plant Physiol. 1994. T. 143. P. 286.

  22. Gamon J.A., Serrano L., Surfus J.S. The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels // Oecologia. 1997. V. 112. P. 492. https://www.jstor.org/stable/i391072

  23. Gitelson A.A., Zur Y., Chivkunova O.B., Merzlyak M.N. Assessing carotenoid content in plant leaves with reflectance spectroscopy // Photochemistry and photobiology. 2002. V. 75. P. 272. https://doi.org/10.1562/0031-8655

  24. Goltsev V.N., Kalaji H.M., Paunov M., Baba W., Horalzek T., Mojski J., Kociel H., Allakverdiev S.I. Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of plant photosynthetic apparatus // Russ. J. Plant Physiol. 2016. V. 63. P. 869. https://doi.org/10.1134/S1021443716050058

  25. Дымова О.В., Головко Т.К. Морфофизиологические аспекты вегетативного размножения Ajuga reptans L. // Репродуктивная биология растений на европейском Северо-Востоке. Сыктывкар, 1998. С. 72.

  26. Далькэ И.В., Чадин И.Ф., Малышев Р.В., Захожий И.Г., Тишин Д.В., Харевский А.А., Солод Е.Г., Шайкина М.Н., Попова М.Ю., Полюдченков И.П., Тагунова И.И., Лязев П.А., Беляева А.В. Морозоустойчивость борщевика Сосновского по результатам лабораторных и полевых экспериментов // Российский журнал биологических инвазий. 2019. № 4. С. 12. http:// proborshevik.ru/wp-content/uploads/2019/11/Dalke-i-dr.-RZHBI_4_2019.pdf

  27. Ottander C., Campbell D., Qquist G. Seasonal changes in photosystem II organization and pigment composition in Pinus sylvestris // Planta. 1995. V. 197. P. 176.

  28. Martz F., Sutinen M.-L., Derome K., Wingsle G., Julkunen-Tiitto R., Turunen M. Effects of ultraviolet (UV) exclusion on the seasonal concentration of photosynthetic and UV-screening pigments in Scots Pine needles // Global Change Biology. 2007. V. 13. P. 252. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2006.01275.x

  29. Rochaix J.D. Regulation and dynamics of the light-harvesting system // Annu. Rev. Plant Biol. 2014. V. 65. P. 287. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050213-040226

  30. Junker L.V., Ensminger I. Relationship between leaf optical properties, chlorophyll fluorescence and pigment changes in senescing Acer saccharum leaves // Tree Physiology. 2016. V. 36. P. 694. http://doi:https://doi.org/10.1093/treephys/tpv148

  31. Merzlyak M.N., Chivkunova O.B., Solovchenko A.E., Naqvi K.R. Light absorption by anthocyanins in juvenile, stressed, and senescing leaves // J. Exp. Botany. 2008. V. 59. P. 3903. https://doi.org/10.1093/jxb/ern230

  32. Hughes N.M., Burkey K.O., Cavender-Bares J., Smith W.K. Xanthophyll cycle pigment and antioxidant profiles of winter-red (anthocyanic) and winter-green (acyanic) angiosperm evergreen species // J. Exp. Bot. 2012 V. 63. P. 1895. https://doi.org/10.1093/jxb/err362

  33. Pietrini F., Iannelli M.A., Massacci A. Anthocyanin accumulation in the illuminated surface of maize leaves enhances protection from photo-inhibitory risks at low temperature, without further limitation to photosynthesis // Plant, Cell Environ. 2002. V. 25. P. 1251. https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2002.00917.x

  34. Manetas Y., Drinia A., Petropoulou Y. High contents of anthocyanins in young leaves are correlated with low pools of xanthophyll cycle components and low risk of photoinhibition // Photosynthetica. 2002. V. 40. P. 349.

  35. Neill S.O., Gould K.S. Anthocyanins in leaves: light attenuators or antioxidants? // Funct. Plant Biol. 2003. V. 30. P. 865. https://doi.org/10.1071/FP03118

  36. Hoch W.A., Zeldin E.L., McCown B.H. Physiological significance of anthocyanins during autumnal leaf senescence // Tree physiology. 2001. V. 21. P. 1. https://doi.org/10.1093/treephys/21.1.1

  37. Feild T.S., Lee D.W., Holbrook N.M. Why leaves turn red in autumn. The role of anthocyanins in senescing leaves of red-osier dogwood // Plant Physiol. 2001. V. 127. P. 566.

  38. Latowski D., Dymova O., Maslova T., Strzaƚka K. The xanthophyll cycle and its physiological functions // Photosynthetic pigments – chemical structure, biological function and ecology. Syktyvkar: Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2014. P. 183.

  39. Gamon J.A., Serrano L., Surfus R. The photochemical reflectance index: an optical indicator of photosynthetic radiation use efficiency across species, functional types, and nutrient levels // Oecologia. 1997. V. 112. P. 492. https://doi.org/10.1007/s004420050337

  40. Kováč D., Veselovská P., Klem K., Večeřová K., Ač A., Pañuelas J., Urban O. Potential of photochemical reflectance index for indicating photochemistry and light use efficiency in leaves of european beech and Norway Spruce trees // Remote Sensing. 2018. V. 10. P. 1202. https://doi.org/10.3390/rs10081202

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Физиология растений

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал