Сезонная динамика содержания фотосинтетических пигментов и марганца в хвое сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.) (стр. 1 )

45-я городская заочная конференция

Челябинского научного общества учащихся

«Интеллектуалы ХХΙ века»

Сезонная динамика содержания фотосинтетических пигментов и марганца в хвое сосны обыкновенной (Pinus silvestris L.)

Автор:

Перевышина Кристина

11 класс, МОУ

«гимназия» № 000,

Научный

руководитель:

Похлебаев, Сергей

Михайлович

д. п.н., профессор

ЧГПУ

Челябинск

2010

Содержание

Введение…………………………………………………………………….. 1. Литературный обзор 1.1. Механизмы защиты и устойчивости у растений…………….. 1.2. Влияние температуры на пигментный аппарат хвои……….. 1.3. Физиологическое значение марганца……………………….. 2. Экспериментальная часть 2.1. Цель и задачи работы………………………………………….. 2.2. Объекты и методы исследования……………………………… 3. Результаты и их обсуждение 3.1. Влияние абиотических факторов на динамику пигментов фотосинтеза в хвое сосны обыкновенной в зависимости от сезонности……………………………………………………… 3.2. Сезонная динамика содержания марганца в хвое сосны обыкновенной……………………………………………………… Выводы..................................................................................................... Литература………………………………………………………………. Приложение……………………………………………………………….

Введение

Эколого-физиологические исследования, раскрывающие механизмы взаимодействия растений со средой, имеют большое значение для понимания их географического распределения и анализа соответствия метаболизма климатическим условия [1]. Среди механизмов адаптации особое место занимает так называемый "ответ на температурный стресс". Ответ растений на действие низкой температуры сопровождается многочисленными физиологическими и биохимическими изменениями, затрагивающие многие стороны метаболизма растительной клетки [2].

Удобной моделью для изучения ответных реакций на действие низких температур являются хвойные растения. Способность большинства из хвойных сохранять листья круглый год и осуществлять фотосинтез даже зимой свидетельствует о широком температурном спектре действия ферментативных систем этих растений и специфичности состояния многих кофакторов фотосинтетического процесса. В связи с этим исследование структуры и функции их фотосинтетического аппарата представляет несомненный теоретический интерес с позиций понимания общего и фотосинтетического метаболизма листа хвойных, в частности, и растений зимующими листьями в целом [3].

Хорошо известно, что содержание пигментов и активность работы фотосинтетического аппарата во многом обусловлена накоплением целого ряда микроэлементов. Среди них большое значение имеет марганец. Исключение марганца из питательной среды ведет к уменьшению количества хлоропластов, их объема, числа гран и содержания хлорофилла, в результате чего наблюдается хлороз листьев и резкое снижение интенсивности фотосинтеза. Прямое влияние марганца на фотоокисление воды связано, прежде всего, с тем, что он входит в состав марганецсодержащих белков, участвующих в процессе выделения кислорода [4]. Согласно предположению , марганец осуществляет специфическую функцию – уравновешивание отрицательного потенциала, возникшего в результате накопления больших количеств сильных восстановителей. [5].

Таким образом, литературные данные свидетельствуют, что ведущей ролью марганца является его участие в реакциях фотосинтеза. Вместе с тем, данный микроэлемент имеет исключительно большое значение в поддержании окислительно-восстановительного потенциала клетки, играющим важную роль в устойчивости растительных организмов к неблагоприятным факторам среды. Учитывая эти физиолого-биохимические особенности марганца, представляло интерес исследовать динамику его содержания в зависимости от сезонности в хвое сосны обыкновенной, которая фотосинтезирует не только при положительных температурах, но и отрицательных.

Приведенные выше рассуждения позволяют считать актуальным изучение динамики содержания марганца и пигментов фотосинтеза в зависимости от абиотических факторов внешней среды.

Объектом исследования выбрана сосна обыкновенная (Pinus silvestris L.) как представитель вечнозеленых растений, у которых фотосинтез не прекращается даже с понижением температур.

Полученные результаты могут иметь значение для исследователей, занимающихся изучением механизмов адаптации растительных организмов к низким температурам. Данные настоящей работы могут быть использованы в школе при подготовке к занятиям на темы «фотосинтез», «минеральное питание», а также при изучении действия экологических факторов на растительные организмы.

1. Литературный обзор

1.1. Механизмы защиты и устойчивости у растений

Изучение причин и механизмов устойчивости живого организма к различным повреждающим агентам и его адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды представляет собой одну из важнейших задач биологической науки [6, с. 208]. Стремление к сохранению гомеостаза – важнейшее отличие живого организма от неживой материи. Именно благодаря этому свойству поведение биологического объекта не может быть описано только на основе физических законов и химических закономерностей, которым подчиняется неживая природа.

Учение о механизмах защиты и устойчивости растительных организмов к факторам окружающей среды наиболее полно сформулировано и развито [7]. По его меткому выражению "...способность растения к оптимальной устойчивости отражает меру его надежности".

Способность к защите от действия неблагоприятных абиотических и биотических факторов среды – столь же обязательное свойство любого организма, как питание, движение, размножение и др. Эта функция появилась одновременно с возникновением первых живых организмов и в ходе дальнейшей эволюции развивалась и совершенствовалась. Поскольку повреждающих и уничтожающих факторов множество, возникшие способы защиты от них оказались самыми разными – от метаболических механизмов до морфологических приспособлений (колючек и др). Выживаемость и расселение по новым экологическим нишам определялись способностью организмов приспосабливаться к необычным условиям среды. Адаптация, то есть приспособление организма к конкретным условиям существования, у индивидуума достигается за счет физиологических механизмов (физиологическая адаптация), а у популяции организмов (вида)– благодаря механизмам генетической изменчивости и наследственности (генетическая адаптация).

Надежность растительного организма проявляется в эффективности его защитных приспособлений, в его устойчивости к действию неблагоприятных факторов внешней среды: высокой и низкой температуре, недостатке кислорода, дефиците воды, засолении и загазованности среды, ионизирующих излучений, инфекции и др. [2].

1.2. Влияние температуры на пигментный аппарат хвои

В адаптации растений к различным повреждающим факторам, в настоящее время выделяют различные пути возможной регуляции данного процесса. Одним из путей низкотемпературной адаптации хвойных пород деревьев является изменение содержания пигментов фотосинтеза в зависимости от сезонности, так как деревья хвойных пород приспособлены к переживанию морозов и сохраняют иглы в течение нескольких лет.

Пигментный состав взрослой хвои сосны представлен двумя формами хлорофилла а и в, соотношения которых в хвое колеблется в зависимости от внешних факторов: от 1,5 до 3,0; и каротиноидами: b-каротином, лютеином и др. Возрастные колебания содержания зеленых пигментов довольно значительны. Первоначально это связано с развитием молодой хвои и накоплением в ней хлорофилла, а затем более сильным распадом хлорофилла в ней в зимнее время. К началу следующей вегетации количество хлорофилла в 1- и 2-летней хвое сравнивается. Для хвои более старших возрастов характерно более высокое содержание обоих форм хлорофилла. В тоже время возраст деревьев не влияет на количество зеленых пигментов в хвое. Видимо, на накопление пигментов большее влияние оказывают эдафические и климатические условия [8].

По своей природе в естественных условиях сосна обыкновенная является и холодо - и морозоустойчивым видом [там же]. Как вечнозеленое растение, сосна в течение года подвергается воздействию неблагоприятных факторов среды, особенно действию низких отрицательных температур. С переходом в состояние зимнего покоя происходит значительная деградация структуры хлоропластов, приводящая к разрушению пигмент-белковых комплексов (ПБК) и фотоокислению хлорофилла. Поэтому годичные изменения количества зеленых пигментов значительны.

Изменение окраски хвои весной происходит при установлении теплой погоды с положительными среднесуточными температурами воздуха и почвы и, видимо, совпадает с началом сокодвижения и возможно притоком цитокининов к хвое. Зимняя окраска хвои появляется при переходе к устойчивым отрицательным температурам [там же ].

Диапазон температур воздуха, при которых возможен фотосинтез хвои сосны обыкновенной, довольно широк: от -70 С до 530 С причем температуры выше 400 С вызывают временное подавление фотосинтеза. По данным ряда авторов прохладная погода благоприятствует накоплению органического вещества, так как при этом снижаются затраты на дыхание [9].

Продолжительность фотосинтетического периода у сосны зависит от климатических условий произрастания. Для умеренно холодного климата период ассимилирующей активности хвои довольно длинный. Так, в условиях Карелии фотосинтетическая активность у хвои отмечается в течение 7 месяцев [10]. Период низких температур необходим для жизнедеятельности сосны обыкновенной. Потребность в холоде может быть снижена лишь у растений, адаптированных к тепличным условиям или увеличенному фотопериоду.

Развитию зимостойкости способствует осеннее накопление в тканях сосны основных запасных веществ – сахаров, белков, жиров [11]. Накопившиеся к холодному времени года соединения, играющие в клетке роль криопротекторов (низкомолекулярные сахара и белки), не имеют столь большого значения для древесных растений по сравнению с травянистыми.