Физиология растений, 2023, T. 70, № 6, стр. 588-600

ВВЕДЕНИЕ

В ближайшие годы прогнозируется возрастание частоты экстремальных явлений и климатических колебаний, что окажет серьезное влияние на стабильность и безопасность производства продуктов питания [1]. Увеличение атмосферной концентрации CO₂ (eCO₂, elevated CО₂) и потепление (eT, elevated temperature) являются значимыми проявлениями изменения климата и факторами, определяющими продуктивность ценных пищевых и кормовых культур [2, 3].

Наблюдаемый стремительный рост атмосферной концентрации СО₂ по-разному влияет на интенсивность фотосинтеза, биопродуктивность и устойчивость С₃- и С₄-растений [4, 5]. Долгое время считалось, что C₃-фотосинтез более чувствителен к изменениям концентрации СО₂ в атмосфере и что ее увеличение оказывает положительное влияние на интенсивность фотосинтеза и продуктивность С₃-видов посредством активации карбоксилирования в цикле Кальвина и повышения эффективности использования воды благодаря снижению устьичной проводимости в растениях [6]. Однако позже было показано, что увеличение биомассы С₃-растений может быть лишь кратковременным эффектом, который теряется в течение более длительного периода времени [4, 7] и может сопровождаться снижением пищевой ценности кормовых культур из-за подавления фотодыхания высоким уровнем CO₂ за счет снижения оксигеназной функции рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (РБФК/О), что может отрицательно сказываться на азотном обмене растений [8, 9]. C₄-растения, благодаря наличию углерод-концентрирующего механизма (УКМ), ранее рассматривались как менее зависимые от концентрации CO₂ в окружающей среде, чем C₃-виды, и предполагалось, что они будут меньше реагировать на еCO₂ [6, 7]. Эта концепция глубоко укоренилась в климатических и экологических моделях воздействия меняющегося климата на растения [7]. Однако за последние годы появилось много противоречивой информации по этому вопросу [2, 3]. Было показано, что у С₄-видов еСО₂ более эффективно стимулирует фотосинтетический метаболизм [10] и накопление биомассы, связанное с повышением эффективности использования воды (WUE) [11]. В то же время есть информация, что высокие и сверхвысокие концентрации СО₂ приводят к снижению интенсивности фотосинтеза как у С₃-, так и у С₄-видов [9, 12]. Таким образом, вопрос о влиянии еСО₂ на растения с разным типом фотосинтеза в настоящее время остается открытым.

Известно, что условия, которые сопровождают повышение концентрации СО₂ в атмосфере, в частности повышенные температуры, могут стать лимитирующими факторами для роста растений [13]. Исследования совместного комплексного воздействия нескольких климатических факторов представляют особый интерес, поскольку они вызывают более сложные ответные реакции растений, по сравнению с действием одиночных стрессов [14]. Было установлено, что способность к температурной акклимации фотосинтеза у C₃- и C₄-видов различается [15]. На С₃-виде киноа показано, что реакция растений на высокие температуры разнообразна и зависит от генотипа и фенологической стадии [16]. На С₃-видах, пшенице и рисе, высокие температуры снижали урожай зерна, причем еCO₂ не компенсировал это негативное воздействие, что в результате приводило к снижению урожая до 35% [17]. У С₃-видов основными причинами снижения фотосинтеза при совместном действии еСО₂ и еТ являются тепловая лабильность РБФК/О-активазы и снижение фотосинтетического электронного транспорта [18]. В то же время установлено, что еСО₂ может положительно влиять на термоустойчивость некоторых С₃-видов, и у них наблюдается активация чувствительных к повышенной температуре фотосинтетических параметров (видимый фотосинтез, устьичная проводимость и эффективность ФС II) [19]. Предполагается, что смягчающий эффект eCO₂ при комплексном воздействии климатических факторов у С₃-растений связан с активацией антиоксидантной защитной системы, снижением фотодыхания [20], уменьшением отрицательного влияния стрессовых факторов на метаболизм сахаров и аминокислот [21], а также с положительным влиянием еСО₂ на интенсивность карбоксилирования и водный баланс растений [2, 22]. Таким образом, в настоящее время однозначно сказать о влиянии eCO₂ на термоустойчивость ростовых и фотосинтетических параметров С₃-растений нельзя [22].

C₄-растения демонстрируют другую, по сравнению с С₃-видами, и достаточно противоречивую картину биохимических ограничений при действии повышенных температур. Это объясняется сложностью биохимической модели C₄-фотосинтеза. Можно сказать, что фотосинтетический С₄-УКМ, является адаптацией С₃-пути к низкой концентрации СО₂, которая за счет снижения оксигеназной функции РБФК/О ограничивает фотодыхание, способствуя повышению эффективности фотосинтеза и минимизируя потери воды в жарких и засушливых условиях [23]. На примере C₄-трав установлено, что активация биосинтеза белков и метаболитов в результате усиления метаболических процессов при еCO₂ может способствовать улучшению термостойкости растений, связанной с усилением дыхательных метаболических путей в условиях теплового стресса [24]. Действие еСО₂ на С₄-НАД-растения способствует повышению клеточной устойчивости к тепловому шоку, стимулирует рост растений [25]. С другой стороны, показано, что при еСО₂ у С₄-растений наблюдается снижение чувствительных к повышенной температуре фотосинтетических параметров (видимый фотосинтез, устьичная проводимость и эффективность ФС II) [19]. Предполагается, что неоднозначность ответов на совместное действие еСО₂ и еТ у С₄-видов связана с видоспецифичностью [26] и с противоположным действием этих факторов на транспирацию [27]. Итак, на сегодняшний день данные о влиянии еСО₂ на механизмы термоустойчивости растений с разным типом фотосинтетического метаболизма противоречивы и фрагментарны [3, 10, 11, 22]. В то же время исследования комбинированного действия еСО₂ и еТ на отдельные этапы С₃- и С₄-фотосинтеза важны для создания реалистичной картины влияния изменяющегося климата на растения, необходимой для прогнозирования продуктивности растений [4, 10, 11, 22].

В данной работе исследовали однолетние окультуренные растения одного семейства Амарантовые с разным типом фотосинтеза – киноа (С₃, подсем. Chenopodiaceae) и амарант (С_4, Amaranthaceae). Они относятся к группе культур, известных как псевдозерновые. Киноа (Chenopodium quinoa Willd.) – cтрессоустойчивое растение, из-за высокой питательной ценности и адаптируемости было предложено в качестве культуры, используемой для повышения продовольственной безопасности в условиях климатических изменений [1, 16]. Амарант запрокинутый (Amaranthus retroflexus L.) – теплолюбивый, устойчивый к засухе вид, произрастающий почти во всех районах России. В настоящее время амарант используется повсеместно: выведены кормовые, декоративные и овощные сорта растения [28, 29].

Целью данной работы являлось исследование влияния повышенной концентрации СО₂ (800 ppm) на термоустойчивость растений с разным типом фотосинтеза: Chenopodium quinoa (С₃) и Amaranthus retroflexus (С₄-НАД) к кратковременной повышенной температуре (35°С).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объект исследования и условия выращивания. Семена Chenopodium quinoa Willd., сорт “Vakhdat”, и Amaranthus retroflexus L. (интродуцированный вид) получены из Центра генетических ресурсов Таджикской академии сельскохозяйственных наук (CGR TAAS).

Семена киноа проращивали в дистиллированной воде и 3–4-дневные проростки высаживали на перлит, пропитанный 50% раствором Хогланда. Семена Amaranthus retroflexus проращивали в перлите без предварительного замачивания. Растения выращивали в течение 30 дней под люминесцентными лампами (плотность потоков квантов ФАР 200 мкмоль/(м² с)), при 16-часовом фотопериоде, в двух раздельных камерах при естественной (400 ppm, аСО₂) и повышенной (800 ppm, еСО₂) концентрации СО₂ при температуре 25°С. Затем растения в обеих камерах подвергали 4-дневному воздействию повышенной температуры (35°С, еТ).

Определение сухой биомассы, содержания воды, пролина и МДА. Для определения сухой биомассы листья высушивали при 80°С до постоянной массы. Содержание воды (W) рассчитывали по формуле и выражали в г Н₂О/г сухой массы:

где FW – сырая биомасса, DW – сухая биомасса.

Содержание свободного пролина определяли с помощью кислого нингидринового реактива по методу Bates [30] с модификациями. В качестве анализируемых экстрактов использовали водные вытяжки высушенных и растертых листьев. Результаты рассчитывали на 1 г сухой массы.

Скорость перекисного окисления липидов оценивали спектрофотометрически по реакции с тиобарбитуровой кислотой (ТБК), основанной на взаимодействии ТБК с малоновым диальдегидом (МДА). Содержание МДА определяли по Heath и Packer [31]. Навеску листьев (0.5 г) растирали в ступке с 2 мл 0.5% трихлоруксусной кислоты (ТХУ). Гомогенат центрифугировали при 10 000 g в течение 10 мин и к 0.3 мл супернатанта добавляли 1.2 мл 0.5% ТБК в 20% ТХУ. Смесь нагревали на кипящей водяной бане в течение 30 мин, затем быстро охлаждали во льду и центрифугировали при 10 000 g в течение 10 мин. После этого измеряли оптическую плотность проб при 532 и 600 нм (Multiskan Sky Spectrophotometer, “Thermo Scientific”, США). Концентрацию МДА рассчитывали после вычитания неспецифического поглощения при 600 нм (ε = 1.56 × 10⁵ М^–1 см^–1) и выражали в нмоль/г сырой массы.

Измерение СО₂/Н₂О газообмена. Для определения интенсивности видимого фотосинтеза (А) и транспирации (Е) лист помещали в термостатируемую при комнатной температуре листовую камеру и освещали оптоволоконным световодом от осветителя (KL 1500 LCD, “Shott”, Германия) с галогеновой лампой (150 Вт, “Philips”, Нидерланды) с интенсивностью ФАР в поле объекта 2000 мкмоль/(м² с). Стационарный СО₂/Н₂О газообмен листа измеряли с помощью одноканального ИК-газоанализатора (LI-820, “LICOR”, США) в открытой схеме. Транспирацию листа рассчитывали на основании разности влажности газа на входе и выходе из листовой камеры. В данной установке в опорном газовом потоке на входе в листовую камеру поддерживали известную постоянную влажность с помощью увлажнителя LI-610 (“LICOR”, США). Для определения влажности на выходе из листовой камеры использовали психрометрический датчик HMP50 (“Vaisala INTERCAP”, Финляндия). Эффективность использования воды (WUE) рассчитывали, как отношение скорости видимого фотосинтеза к транспирации (А/Е). Интенсивность темнового дыхания (Rd) оценивали через 20 мин после выключения света.

Измерение функционирования фотосистем I и II. Изменение окислительно-восстановительного потенциала Р700 измеряли путем мониторинга оптической плотности листьев при 820 нм с использованием двухволновой системы импульсной модуляции ED-P700DW (“Heinz-Walz, Effeltrich”, Германия) в сочетании с PAM-101 (“Heinz-Walz”, Германия). Кинетика окисления P700 измерялась при освещении дальним красным светом (720 нм, 17.2 Вт/м²). Максимальное окисление P700 определяли с использованием ксеноновой газоразрядной лампы (50 мс, 1500 Вт/м², “Heinz-Walz”, Германия) в присутствии дальнего красного света.

Определение квантового выхода флуоресценции ФС II адаптированного к темноте (20 мин) фрагмента листа осуществляли с помощью РАМ-флуориметра (PAM-101, “Heinz-Walz”, Германия). Измеряли темновой максимальный квантовый выход флуоресценции ФС II (F_v/F_m). Измерение проводили с досветкой образца слабым модулированным потоком красного света, которое осуществлялось АЦП (PDA-100, “Walz”, Германия), преобразующим первичный сигнал от PAM-101 на компьютер со стандартным программным интерфейсом. Расчет показателей проводили на основании текущих значений минимальной (F₀) и максимальной (F_m) флуоресценции адаптированного к темноте листа по формуле:

Максимальную квантовую эффективность (${{F_{{\text{v}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{v}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$) и эффективный квантовый выход (Ф_ФСII) фотохимии ФС II при заданной интенсивности света рассчитывали по формулам:

где $F_{{\text{q}}}^{'}$ – фотохимическое тушение флуоресценции открытым реакционным центром ФС II, а $F_{{\text{0}}}^{'}$ и $F_{{\text{m}}}^{'}$ – минимальная и максимальная флуоресценция хлорофилла после световой адаптации.

Нефотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла (NPQ) рассчитывали по формуле:

Определение содержания белков рибулозо-1,5-бисфосфаткарбоксилазы/оксигеназы (РБФК/О), фосфоенолпируваткарбоксилазы (ФЕПк) и глициндекарбоксилазы (ГДК) проводили с помощью вестерн-блоттинга. Тотальный белок выделяли из листьев (0.5 г) экстракционным буфером (50 мМ Tрис-HCl (pH 8.0), 10 мМ MgCl₂, 0.3 мМ ЭДТА, 2% поливинилпирролидон и 5 мМ дитиотреитол). Содержание белка определяли по методу Бредфорд, используя бычий сывороточный альбумин (“Sigma-Aldrich”, США) в качестве стандарта.

Вестерн блоттинг. Анализ содержания белков РБФК/О, ФЕПк и ГДК проводили с помощью иммуноферментного анализа, как было описано ранее [32] с использованием коммерческих поликлональных антител против белков большой субъединицы (L) (БС) РБФК/О (RbcL, AS03037, “Agrisera”, Швеция), ФЕПк (PEPC, AS09458, “Agrisera”, Швеция) и ГДК (GLDP, AS204370, “Agrisera”, Швеция). Разделение суммарных белков (5–15 мкг тотального белка в слоте) проводили с помощью 10% денатурирующего гель-электрофореза (SDS-PAGE). После проведения электрофореза белки переносили на нитроцеллюлозную мембрану (“Amersham, GE Healthcare”, Великобритания), используя прибор для мокрого блоттинга (“BioRad”, США) согласно стандартному протоколу. Анализ взаимодействия антител с антигеном проводили обработкой вторичными антителами (anti-rabbit IgG horse radish antibodies (Agrisera, AS09 602)) с помощью смеси люминола и кумаровой кислоты в присутствии перекиси водорода. Хемилюминесцентный сигнал на мембранах регистрировали с помощью пленки Retina XBE (Германия). Интенсивность полос в вестерн-блоттинге оценивали с помощью программы ImageJ 1.37v (США) и выражали относительно среднего уровня (n = 3) для контрольных растений, который был взят за 100%. Анализ проводили не менее 3 раз.

Статистический анализ. Во всех экспериментах было пять биологических повторностей. Для корреляционного и факторного (ANOVA) анализа использовали программу SigmaPlot 12.0. На графиках приведены средние арифметические значения полученных величин и их стандартные ошибки. Различия считались достоверными при Р < 0.05 (тест Тьюки). Для многофакторного анализа методом главных компонент (РСА) было использовано программное обеспечение R (версия 3.6.1).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Ростовые параметры, содержание воды, пролина и малонового диальдегида

34-дневные растения C. quinoa (С₃) и A. retroflexus (С₄-НАД) отличались по продуктивности и устойчивости. Сухая биомасса растений A. retroflexus, выращенных в контрольном варианте, была в 1.5 раза больше контрольных растений C. quinoa. Отдельное воздействие еТ и еСО₂ не вызывало изменений в росте растений обоих видов, а совместное действие еСО₂ и еТ снижало биомассу только у C. quinoa на 28% (рис. 1а).

Рис. 1.

Накопление сухой биомассы (а), содержание воды (б), пролина (в) и МДА (г) у растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при разных концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С, еТ). (1) Контрольные растения, выращенные при естественной (400 ppm) концентрации СО₂ (аСО₂); (2) растения, выращенные при аСО₂ и 4-дневном воздействии еТ; (3) растения, выращенные при повышенной (800 ppm) концентрации СО₂ (еСО₂); (4) растения, выращенные при еСО₂ и 4-дневном воздействии еТ (еСО₂ и еТ). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия на уровне P < 0.05.

При совместном действии факторов (еСО₂ и еТ) исследуемые растения отличались также по содержанию воды: у C. quinoa наблюдалось его снижение на 42%, а у A. retroflexus возрастание на 52%, по сравнению с контролем (рис. 1б).

Содержание пролина при всех видах воздействия у C. quinoa снижалось на 30–50%, а у A. retroflexus повышалось при температурном воздействии и совместном действии факторов (еСО₂ и еТ) в 3 раза, по сравнению с контролем (рис. 1в).

Содержание МДА, которое является показателем окислительного стресса, у C. quinoa возрастало при совместном действии еСО₂ и еТ на 34%, а у A. retroflexus – в 2 раза при действии еСО₂ и на 61% при совместном действии факторов (еСО₂ и еТ) (рис. 1г).

Интенсивность параметров СО₂/Н₂О газообмена

Интенсивность видимого фотосинтеза (А) в контроле была более значительной у растений A. retroflexus (на 28%) по сравнению с растениями C. quinoa. Интенсивность видимого фотосинтеза C. quinoa снижалась при действии повышенной температуры как при обычном, так и при повышенном уровне СО₂ на 28 и 18%, соответственно, а у A. retroflexus при всех видах воздействий в среднем на 33% по сравнению с контролем (рис. 2а).

Рис. 2.

Интенсивность видимого фотосинтеза (а), транспирации (б), темнового дыхания (в) и эффективность использования воды (г) у растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при разных концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С, еТ). (1) Контрольные растения, выращенные при естественной (400 ppm) концентрации СО₂ (аСО₂); (2) растения, выращенные при аСО₂ и 4-дневном воздействии еТ; (3) растения, выращенные при повышенной (800 ppm) концентрации СО₂ (еСО₂); (4) растения, выращенные при еСО₂ и 4-дневном воздействии еТ (еСО₂ и еТ). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия на уровне P < 0.05.

У обоих видов C. quinoa и A. retroflexus значения интенсивности транспирации (Е) при повышении температуры снижались на 23 и 45% соответственно. Кроме того, снижение Е на 20%, по сравнению с контролем, происходило у растений A. retroflexus при действии еСО₂ и совместном действии факторов (еСО₂ и еТ) (рис. 2б).

Интенсивность темнового митохондриального дыхания (Rd) у обоих видов возрастала при действии повышенной температуры и повышенной концентрации СО₂: на 36% у C. quinoa и на 83% у A. retroflexus. У A. retroflexus Rd также увеличивалась на 39% при действии повышенной температуры и на 86% в условиях повышенной концентрации СО₂ по сравнению с контролем (рис. 2в).

Эффективность использования воды (WUE) у обоих видов снижалась при совместном действии факторов (еСО₂ и еТ): на 26% у C. quinoa и на 13% у A. retroflexus по сравнению с контролем. У A. retroflexus происходило снижение WUE и при действии повышенного уровня СО₂ при обычной температуре на 13% по сравнению с контролем (рис. 2г).

Активность ФС I и эффективность функционирования ФС II

Эффективность функционирования ФС I и циклического транспорта электронов была более значительной у растений A. retroflexus. При всех вариантах воздействий данный параметр достоверно не изменялся у обоих видов (рис. 3а).

Рис. 3.

Фотосинтетические параметры у растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при разных концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С, еТ). (а) Активность циклического транспорта электронов ФС I; (б) максимальный квантовый выход флуоресценции ФС II (F_v/F_m); (в) максимальная квантовая эффективность фотохимии ФС II при заданной интенсивности света (${{F_{{\text{v}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{v}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$); (г) эффективный квантовый выход фотохимии ФС II при заданной интенсивности света (Ф_ФСII); (д) нефотохимическое тушение флуоресценции ФС II (NPQ). (1) Контрольные растения, выращенные при естественной (400 ppm) концентрации СО₂ (аСО₂); (2) растения, выращенные при аСО₂ и 4-дневном воздействии еТ; (3) растения, выращенные при повышенной (800 ppm) концентрации СО₂ (еСО₂); (4) растения, выращенные при еСО₂ и 4-дневном воздействии еТ (еСО₂ и еТ). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия на уровне P < 0.05.

Эффективность максимального квантового выхода фотосинтеза ФС II (F_v/F_m) у растений обоих видов снижалась при совместном действии еСО₂ и еТ в среднем на 20%. У C. quinoa она также снижалась на 20% при действии только eT (рис. 3б). Снижение F_v/F_m у обоих видов при совместном действии еСО₂ и еТ и у C. quinoa при еТ сопровождалось аналогичным снижением на ~20% максимальной квантовой эффективности фотохимии ФС II при заданной интенсивности света (Y  ' = ${{F_{{\text{v}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{v}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$) и на ~14% эффективного квантового выхода фотохимии ФС II при заданной интенсивности света (Ф_ФСII (${{F_{{\text{q}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{q}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$)) (рис. 3в, г). В контрольных условиях нефотохимическое тушение (NPQ) было более значительным (почти в 3 раза) у растений A. retroflexus по сравнению с растениями C. quinoa, у которых при действии еТ и при совместном действии еСО₂ и еТ NPQ снижалось на 38% (рис. 3д).

Содержание фотосинтетических ферментов

Содержание фермента РБФК/О достоверно не изменялось в результате воздействия всех вариантов факторов ни у растений C. quinoa, ни у A. retroflexus (рис. 4а).

Рис. 4.

Результаты вестерн-блоттинга белков БС РБФК/О (большая субъединица) (а, б), ФЕПк (а, в) и ГДК (а, г) в листьях растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при разных концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С, еТ). (1) Контрольные растения, выращенные при естественной (400 ppm) концентрации СО₂ (аСО₂); (2) растения, выращенные при аСО₂ и 4-дневном воздействии еТ; (3) растения, выращенные при повышенной (800 ppm) концентрации СО₂ (еСО₂); (4) растения, выращенные при еСО₂ и 4-дневном воздействии еТ (еСО₂ и еТ). Разными латинскими буквами отмечены достоверные различия на уровне P < 0.05.

Содержание фермента ФЕПк было снижено только у растений C. quinoa, выращенных при действии еСО₂ и при совместном действии еСО₂ и еТ на 44 и 51% по сравнению с контролем соответственно. У растений A. retroflexus, выращенных при совместном действии еСО₂ и еТ, наблюдалось возрастание содержания ФЕПк на 20% (рис. 4в).

Содержание ГДК снижалось в среднем в 2 раза только у растений C. quinoa при всех исследованных вариантах воздействия (рис. 4г).

Многофакторный анализ физиологических и биохимических параметров

Для оценки степени изменений характеристик фотосинтетического аппарата и механизмов устойчивости в условиях повышенной температуры и концентрации СО₂ был проведен многофакторный анализ методом главных компонент (РСА) биохимических и физиологических параметров C. quinoa (С₃) и A. retroflexus (С₄). На рис. 5а видно, что у растений C. quinoa первой основной компонентой (PC1) четко отделяются от контроля два варианта с повышенной температурой: еТ и совместным действием еСО₂ и еТ. Разделение составляет 41.15% от общей вариации. Основными элементами PC1 были характеристики функционирования ФС II (табл. 1). Полученные результаты свидетельствуют о значительном воздействии повышенной температуры на данный С₃-вид. Вторая главная компонента (PC2) разделила контроль и вариант еСО₂ (рис. 5а). Разделение составило 18.63% от общей вариации. В данном случае основными значимыми параметрами явились содержание ферментов ГДК и ФЕПк (ключевых ферментов фотодыхательного гликолатного цикла и УМК), а также интенсивность транспирации (табл. 1). Первых двух PC компонент достаточно для объяснения 59.78% изменений от общей вариации. На рисунке 5б приведены результаты РСА-анализа данных С₄-вида A. retroflexus. У данного вида первой основной компонентой (PC1) разделяются только варианты контроль и совместное действие факторов (еСО₂ и еТ). Разделение составляет 30.02% от общей вариации. Основными элементами PC1 были характеристики функционирования ФС II и содержание ФЕПк (табл. 1).

Рис. 5.

Многофакторный анализ методом главных компонент (PCA) биохимических и физиологических параметров, участвующих в процессе адаптации растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при разных концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С, еТ). (1) Контрольные растения, выращенные при естественной (400 ppm) концентрации СО₂ (аСО₂); (2) растения, выращенные при аСО₂ и 4-дневном воздействии еТ; (3) растения, выращенные при повышенной (800 ppm) концентрации СО₂ (еСО₂); (4) растения, выращенные при еСО₂ и 4-дневном воздействии еТ (еСО₂ и еТ).

Таблица 1.

Факторные нагрузки биохимических и физиологических параметров на главные компоненты (PC1 и PC2) многофакторного анализа (PCA) растений Chenopodium quinoa и Amaranthus retroflexus, выращенных при естественной (400 ppm) и повышенной (800 ppm) концентрациях СО₂ и кратковременном действии повышенной температуры (35°С)

Параметры	C. quinoa		A. retroflexus
	PC1	PC2	PC1	PC2
Сухая биомасса	−0.198	0.052	−0.143	0.274
Содержание воды	0.255	−0.270	0.314	−0.085
Содержание пролина	−0.213	−0.143	0.308	−0.171
Содержание МДА	0.245	0.139	0.069	0.152
А	−0.265	0.325	0.049	0.496
Rd	−0.133	0.364	0.251	0.040
E	−0.223	0.375	0.029	0.467
WUE	−0.233	0.204	0.066	0.459
ФС I	−0.178	0.116	0.071	−0.147
Fv/Fm	−0.349	−0.203	−0.400	−0.118
${{F_{{\text{v}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{v}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$	−0.335	−0.236	−0.325	−0.187
ФФСII	−0.325	−0.122	−0.391	0.047
NPQ	−0.296	−0.054	−0.219	0.108
Содержание РБФК/О	−0.295	0.026	−0.324	−0.142
Содержание ФЕПк	−0.108	−0.374	0.330	−0.271
Содержание ГДК	−0.143	−0.442	−0.160	−0.108

Примечание. Полужирным шрифтом показаны наиболее значимые параметры. А – интенсивность видимого фотосинтеза; Rd – интенсивность темнового дыхания; Е – интенсивность транспирации; WUE – эффективность использования воды; F_v/F_m – максимальный квантовый выход флуоресценции ФС II; ${{F_{{\text{v}}}^{'}} \mathord{\left/ {\vphantom {{F_{{\text{v}}}^{'}} {F_{{\text{m}}}^{'}}}} \right. \kern-0em} {F_{{\text{m}}}^{'}}}$ – максимальная квантовая эффективность фотохимии ФС II при заданной интенсивности света; Ф_ФСII –эффективный квантовый выход фотохимии ФС II при заданной интенсивности света; NPQ – нефотохимическое тушение.

ОБСУЖДЕНИЕ

В контрольных условиях исследуемые растения C. quinoa (С₃) и A. retroflexus (С₄) отличались по ряду биохимических и физиологических параметров: у С₄-вида, по сравнению с С₃-видом, были более высокие значения прироста сухой биомассы, интенсивности видимого фотосинтеза (А) и транспирации (Е), активности ФС I и содержания пролина (рис. 1–3). Эти данные свидетельствуют о более эффективном функционировании фотосинтетического аппарата и УКМ у A. retroflexus, которые обеспечили более значительный прирост биомассы, по сравнению с С₃-видом. Низкие значения WUE в контрольных условиях у A. retroflexus можно объяснить видоспецифичностью данного параметра [3]. Более высокие значения активности ФС I у С₄-вида свидетельствуют о более интенсивном циклическом транспорте электронов ФС I. Как известно, две дополнительные молекулы АТФ требуются для каждой молекулы CO₂, фиксированной в результате действия C₄-цикла [33, 34]. Полученные нами данные согласуются с результатами других авторов [3].

Увеличение температуры влияет почти на все биологические процессы в растении, включая морфогенез, текучесть мембранных липидов и их состав, камбиальную активность [4]. Одним из наиболее термочувствительных процессов растений считается фотосинтез. На С₃-видах показано, что термолабильными лимитирующими этапами фотосинтеза являются световые реакции (компоненты ФС II) и темновые реакции (на уровне РБФК/О-активазы) [35, 36]. При высокой температуре РБФК/О-активаза может образовывать неактивные агрегаты, что приводит к замедлению активности карбоксилазной функции РБФК/О [8, 18]. Проведенный нами РСА-анализ морфофизиологических и биохимических параметров C. quinoa подтвердил, что для данного С₃-вида значимыми параметрами в условиях повышенной температуры были показатели эффективности функционирования ФС II (рис. 5а; табл. 1). РСА-анализ С₄-вида A. retroflexus не выявил значимой реакции на температурное воздействие. Однако некоторые параметры при действии еТ достоверно изменялись. Наблюдалось значительное снижение интенсивностей А и Е, которые сопровождались признаками осмотического стресса, о чем свидетельствует значительное увеличение содержания пролина (рис. 1, 2).

Неоднозначность реакции С₃-растений на высокий уровень CO₂ может быть связана со сложным и комплексным характером воздействия еСО₂ на углеводный обмен растений. Так, еCO₂, снижая устьичную проводимость, влияет на динамику как углеродного, так и водного обмена растений. С одной стороны, низкие значения устьичной проводимости отрицательно действуют на интенсивность поступления CO₂ в растения, что частично компенсируется стимуляцией скорости карбоксилирования РБФК/О высоким содержанием CO₂ [9, 37]. С другой стороны, они могут привести к значительной экономии воды в растениях, снижая уровень транспирации, что приводит к увеличению эффективности использования воды [6, 9]. В наших экспериментах у растений C. quinoa не наблюдалось возрастания WUE, вследствие снижения Е при действии еСО₂ (рис. 2). Для С₃-видов характерно подавление интенсивности фотодыхания высоким уровнем CO₂ за счет снижения оксигеназной функции РБФК/О [9]. При удвоении уровня CO₂ снижение фотодыхания может составить более ∼50% [6]. В проведенных нами экспериментах снижение содержания ключевого фермента гликолатного фотодыхательного цикла ГДК у растений C. quinoa при действии еСО₂ составило 60% (рис. 4г). Проведенный нами РСА-анализ действия еСО₂ на параметры C. quinoa подтвердил, что для данного С₃-вида значимыми параметрами были содержание фермента ГДК и интенсивность транспирации (рис. 5а, табл. 1). Хотя РСА-анализ С₄-вида A. retroflexus не выявил значимой реакции на воздействие еСО₂, однако некоторые параметры у этого вида при еСО₂ достоверно изменялись. В частности, наблюдалось снижение интенсивностей А и Е, что сопровождалось окислительным стрессом, наличие которого подтверждает 2-кратное увеличение содержания МДА и значительное увеличение диссипационных дыхательных затрат в темновом митохондриальном дыхании (рис. 1г, 2в). Снижение Е у С₄-растений при действии еСО₂ показано и другими авторами [11, 38]. О влиянии еСО₂ на активность, содержание и экспрессию генов РБФК/О у С₄-растений информация противоречивая: экспрессия может как снижаться [39], так и увеличиваться [38]. Это объясняется тем, что гены, кодирующие важные фотосинтетические ферменты, необходимые для эффективного функционирования С₄-фотосинтеза, роста биомассы и накопления сахарозы, по-разному регулируются в условиях еСО₂ и связано это с видоспецифичностью или с разновидностью C₄-пути и/или комбинированным воздействием высоких экологических нагрузок, сопровождающих еСО₂.

РСА-анализ морфофизиологических и биохимических параметров при совместном действии еСО₂ и еТ продемонстрировал их значительные отличия по первой компоненте (РС1) от контрольного варианта у обоих видов (рис. 5). Как у С₃-, так и у С₄-вида значимыми параметрами были показатели эффективности функционирования ФС II, а у A. retroflexus еще и содержание ФЕПк (рис. 5а, б; табл. 1). При этом у С₃-вида решающим фактором была еТ, поскольку подобным образом растения реагировали на данный фактор в отдельности. Воздействие еСО₂ и совместное действие еСО₂ и еТ одинаково негативно влияли на содержание у C. quinoa фотодыхательного фермента ГДК. Это согласуется с данными других авторов, показавших снижение фотодыхания в результате подавления еСО₂ функции оксигенации РБФК/О [6, 9]. Характерной особенностью совместного действия еСО₂ и еТ на С₃-вид C. quinoa было снижение сухой биомассы, содержания воды в тканях и WUE (рис. 1, 2). Из работ других авторов следует, что C. quinoa проявляет очень разнообразную реакцию по перечисленным параметрам в зависимости от генотипа и фенологической стадии [16]. О наличии окислительного стресса свидетельствует увеличение содержания МДА, а усиление темнового дыхания, вероятно, связано с его диссипационной и защитной функцией от окислительного стресса (рис. 1, 2). У С₄-вида при совместном действии еСО₂ и еТ возрастание содержания ФЕПк свидетельствует об усилении роли УКМ и, возможно, о рассогласовании функционирования цикла Кальвина и УКМ (рис. 4). Данные изменения фотосинтетических параметров сопровождались значительным возрастанием содержания пролина, связанным в основном с температурным фактором (рис. 1), и возрастанием содержания МДА, свидетельствующим об окислительном стрессе, связанным у данного С₄-вида с еСО₂ (рис. 1). При совместном действии еСО₂ и еТ у обоих видов наблюдалось снижение WUE, и в большей степени у С₃-вида.

Итак, С₄-вид A. retroflexus, по сравнению с С₃-видом C. quinoa, продемонстрировал в контрольных условиях более высокие значения интенсивности фотосинтеза и транспирации, активности ФС I, а также низкое содержание пролина. На действие еТ более сильно реагировал С₃-вид, наблюдалось подавление световых реакций (ФС II), цикла Кальвина и фотодыхания. У С₄-вида подавлялись интенсивность фотосинтеза и транспирации. Сильное возрастание пролина у A. retroflexus свидетельствует о тепловом стрессе. На действие еСО₂ С₃-вид реагировал значительным снижением фотодыхания, а у С₄-вида признаки окислительного стресса сопровождались подавлением интенсивности фотосинтеза, транспирации и возрастанием темнового дыхания, вероятно, связанного с диссипационной и защитной функцией. Смягчающий эффект еСО₂ на термоустойчивость С₃- и С₄-растений, показанный в ряде работ [2, 20–22], в наших экспериментах у растений C. quinoa и A. retroflexus не был установлен. Действие еТ на С₃-вид было главным повреждающим фактором, который при действии еСО₂ приводил еще к снижению роста и окислительному стрессу. У С₄-вида A. retroflexus совместное действие еСО₂ и еТ вызывало дополнительно возрастание содержания ключевого фермента УКМ – ФЕПк. А сочетание температурного стресса, вызванного еТ, и окислительного стресса, вызванного еСО₂, приводило к нарушению эффективности ФС II. Таким образом, С₃‑растения C. quinoa в стрессовых условиях проявили большую вариабельность фотосинтетического и устьичного аппарата, а также способность к акклимации фотосинтеза к повышенной температуре на уровне световых и темновых реакций, но слабую устойчивость к совместному действию еСО₂ и еТ, тогда как C₄-растения A. retroflexus продемонстрировали изначально большую адаптированность к теплой среде, за счет наличия узкоспециального УКМ, а также стабильность ростовых параметров, однако у данного вида при совместном действии еСО₂ и еТ помимо окислительного стресса наблюдались признаки теплового стресса. Тем не менее, на основании анализа первичной продуктивности изученных растений, можно предположить, что в условиях совместного действия еСО₂ и еТ преимущество будут иметь С₄-виды.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-24-00551).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей и животных в качестве объектов исследований.