ВЛИЯНИЕ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И КАДМИЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ФОТОДЫХАНИЯ ПРОРОСТКОВ ПШЕНИЦЫ

Екатерина Станиславовна Холопцева, Вера Викторовна Таланова, Ekaterina Kholoptseva, Vera Talanova

Аннотация


Изучали раздельное и совместное действие низкой закаливающей температуры (4°С) и сульфата кадмия (100 мкМ) на интенсивность фотодыхания листьев проростков озимой пшеницы (Triticum aestivum L.). Установлено, что температура 4°С уже в начальный период действия (1–5 ч) вызывает значительное снижение устьичной проводимости и содержания СО2 в межклетниках листьев, сохраняющееся в течение 7 сут опыта. Интенсивность фотодыхания в первые 1–5 ч холодового воздействия резко уменьшалась, однако затем из-за низкой концентрации СО2 постепенно увеличивалась и через 4–7 сут превысила исходный уровень. В отличие от этого, кадмий в первые часы воздействия практически не влиял на устьичную проводимость и концентрацию СО2 в межклетниках, а через 4–7 сут приводил к небольшому снижению этих показателей. При этом интенсивность фотодыхания после небольшого снижения в первые часы воздействия возвратилась на исходный уровень. Совместное действие температуры 4°С и кадмия приводило в первые сутки к уменьшению устьичной проводимости, содержания СО2 в межклетниках и интенсивности фотодыхания, в дальнейшем первые два показателя оставались на пониженном уровне, а интенсивность фотодыхания возвратилась к исходному значению. Сделан вывод о том, что поддержание повышенного уровня фотодыхания в листьях пшеницы под влиянием низкой температуры на фоне снижения устьичной проводимости и содержания СО2 в межклетниках может способствовать защите клеток от развивающегося в этих условиях окислительного стресса.


Ключевые слова


Triticum aestivum L.; низкая температура; кадмий; фотодыхание; устьичная проводимость

Полный текст:

PDF

Литература


Балаур Н. С., Воронцов В. А., Клейман Э. И., Тон Ю. Д. Новая технология мони-торинга СО2-обмена у растений // Физиология растений. 2009. Т. 56, №3. С. 466–470.

Балаур Н. С., Воронцов В. А., Меренюк Л. Ф. Особенности фотодыхания фото-синтетически активных органов у С3-растений // Физиология растений. 2013. Т. 60, № 2. С. 174–183. doi: 10.7868/S0015330313020036

Венжик Ю. В., Титов А. Ф., Таланова В. В., Фролова С. А., Таланов А. В., Назар-кина Е. А. Влияние пониженной температуры на устойчивость и функциональную ак-тивность фотосинтетического аппарата // Известия РАН. Серия биологическая. 2011. № 2. C. 171–177.

Венжик Ю. В., Таланова В. В. Титов А. Ф., Холопцева Е. С. О сходстве и разли-чиях в реакции растений пшеницы на действие низкой температуры и кадмия // Извес-тия РАН. Серия биологическая. 2015. № 6. C. 597–604.

Венжик Ю. В., Титов А. Ф., Холопцева Е. С., Таланова В. В. Раздельное и совме-стное действие низкой температуры и кадмия на некоторые физиологические показате-ли пшеницы // Труды КарНЦ РАН. 2015б. № 12. С. 23–34. doi: 10.17076/eb248

Гармаш Е.В., Головко Т.К. Влияние кадмия на рост и дыхание ячменя при двух температурных режимах выращивания // Физиология растений. 2009. Т. 56, № 3. С. 382–387.

Казнина Н.М., Титов А.Ф. Влияние кадмия на физиологические процессы и продуктивность растений семейства Poaceae // Успехи современной биологии. 2013. Т. 133. № 6. С. 588–603.

Креславский В.Д., Карпентиер Р., Климов В.В., Мурата Н., Аллахвердиев С.И. Молекулярные механизмы устойчивости фотосинтетического аппарата к стрессу // Биологические мембраны. 2007. Т. 24, № 3. С. 195–217.

Креславский В. Д., Лось Д. А., Аллахвердиев С. И., Кузнецов Вл. В. Сигнальная роль активных форм кислорода при стрессе у растений // Физиология растений. 2012. Т. 59, № 2. С. 163–178.

Кузнецов В. В., Дмитриева Г. А. Физиология растений // Учебник. Т. 1 М.: Аб-рис. 2011. 783 с.

Рахманкулова З. Ф. Уровни регуляции энергетического обмена в растениях // Вестник Башкирского университета. 2009. Т. 14., № 3(1). С. 1141–1154.

Репкина Н. С., Батова Ю. В., Титов А. Ф., Таланова В. В. Экспрессия гена глутатионсинтетазы GS3 в корнях и листьях проростков пшеницы при действии кадмия // Труды КарНЦ РАН. 2015. № 11. С. 67–75. doi: 10.17076/eb229

Рябушкина Н.А. Экологические особенности фотосинтеза и попытки биоинже-нерии повышения его эффективности // Биотехнология. Теория и практика. 2010. № 4. С. 12–35.

Стасик О.О. Фотодыхание: метаболизм и физиологическая роль // Современные проблемы фотосинтеза. Т.II. Под ред. С.И. Аллахвердиева, А.Б. Рубина, В.А. Шувало-ва. – М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2014. С.505–535.

Титов А. Ф., Таланова В. В., Казнина Н. М., Лайдинен Г. Ф. Устойчивость расте-ний к тяжелым металлам. Петрозаводск, 2007. 172 с.

Титов А. Ф., Казнина Н. М., Таланова В. В. Тяжелые металлы и растения. Петро-заводск, 2014. 194 с.

D’Ambrosio N., Arena C., De Santo A. V. Temperature response of photosynthesis, excitation energy dissipation and alternative electron sink to carbon assimilation in Beta vul-garis L. // Environ. Exp. Bot. 2006. Vol. 55. P. 248–257. doi: 10.1016/j.envexpbot.2004.11.006

Caemmerer S., Farquhar G.D. Some relationships between the biochemistry of photo-synthesis and the gas exchange of leaves // Planta. 1981. V. 153, Is.4. P. 376–387.

Hagemann M, Bauwe H. Photorespiration and the potential to improve photosynthesis // Current Opinion in Chemical Biology. 2016. Vol. 35. P, 109–116.

Hagemann M, Bauwe H. Photorespiration// Encyclopedia of Applied Plant Sciences. 2017. 2 nd edition,Vol. 1. P. 86–89. doi: org/10.1016/B978-0-12-394807-6.00094-0.

Hodges M., Dellero Y., Keech O., Betti M., Raghavendra A. S., Sage R., Zhu X.-G., Al-len D. K., Weber A. P. M. Perspectives for a better understanding of the metabolic intergration of photorespiration within a complex plant primary metabolism network // J. Exp. Bot. 2016. Vol. 67. P. 3015–3026. doi: 10.1093/jxb/erw145.

Kangasjärvi S., Neukermans J., Li S., Aro E.-M., Noctor G. Photosynthesis, photores-piration, and signalling in defence responses // J. Exp. Bot. 2012. Vol. 63. no. 4. P. 1619–1636. doi: 10.1093/jxb/err402

Silva E. N., Silveira A. G., Ribeiro R. V., Vieira S. A. Photoprotective function of ener-gy dissipation by thermal processes and photorespiratory mechanisms in Jatropha curcas plants during different intensities of drought and after recovery // Environ. Exp. Bot. 2015. Vol. 110. P. 36–45. doi: 10.1016/j.envexpbot.2014.09.008

Streb P., Aubert S., Gout El., Feierabend J., Bligny R. Cross tolerance to heavy-metal and cold-induced photoinhibition in leaves of Pisum sativum acclimated to low temperature // Physiol. Mol.boil.plants. 2008, vol 14. N. 3 P. 185–193.

Szymańska R., Ślesak I., Orzechowska A., Kruk J. Physiological and biochemical res-ponses to high light and temperature stress in plants // Environ. Exp. Bot. 2017. Vol. 139. P. 165–177. doi: 10.1016/j.envexpbot.2017.05.002

Theocharis A., Clément Ch., Barka E. A. Physiological and molecular changes in plants grown at low temperature // Planta. 2012. Vol. 235. Nо 6. P. 1091–1105. doi: 10.1007/s00425–012–164/-y

Voss I., Sunil B., Scheibe R., Raghavendra A. S. Emerging concept for the role of pho-torespiration as an important part of abiotic stress response // Plant Biol. 2013. Vol. 15. P. 713–722. doi: 10.1111/j.1438-8677.2012.00710.x

Wilkinson S, Clephan A. L., Davies W. L. Rapid low temperature-induced stomatal closure occurs in cold-tolerant Commelina communis leaves but not in cold-sensitive tobacco leaves, via a mechanism that involves apoplastic calcium but not abscisic acid // Plant Physiol. 2001. Vol. 126, N 4. P. 1566–1578.

References in English

Balaur N. S., Vorontsov V. A., Kleiman E. I., Ton Yu. D. Novaya tekhnologiya monito-ringa SO2-obmena u rastenii [New technology for monitoring СО2-exchange in plants]. Fizi-ologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol]. 2009. Vol. 56, no. 3. P. 466–470.

Balaur N. S., Vorontsov V. A., Merenyuk L. F. Osobennosti fotodykhaniya fotosinteti-cheski aktivnykh organov u S3-rastenii [Features of photorespiration of photosynthetically active organs in C3 plants]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol]. 2013. Vol. 60, no. 2. P. 174–183. doi: 10.7868/S0015330313020036

Venzhik Yu. V., Titov A. F., Talanova V. V., Frolova S. A., Talanov A. V., Nazarkina E. A. Vliyanie ponizhennoi temperatury na ustoichivost' i funktsional'nuyu aktivnost' fotosinteti-cheskogo apparata [Influence of the lowered temperature on the stability and functional activity of the photosynthetic apparatus]. Izvestiya RAN. Seriya biologicheskaya [Biology Bulletin] 2011. № 2. P. 171–177.

Venzhik Yu. V., Talanova V. V. Titov A. F., Kholoptseva E. S. O skhodstve i razli-chiyakh v reaktsii rastenii pshenitsy na deistvie nizkoi temperatury i kadmiya [Similarities and differences in the reaction of wheat plants to the action of low temperature and cadmium] Iz-vestiya RAN. Seriya biologicheskaya [Biology Bulletin]. 2015a. № 6. P. 597–604.

Venzhik Yu. V., Titov A. F., Kholoptseva E. S., Talanova V. V. Razdel'noe i sovmestnoe deistvie nizkoi temperatury i kadmiya na nekotorye fiziologicheskie pokazateli pshenitsy [Separate and joint action of low temperature and cadmium on some physiological indices of wheat]. Trudy KarNTs RAN [Transactions of the KarRC RAS]. 2015b. no. 12. P. 23–34. doi: 10.17076/eb248.

Garmash E.V., Golovko T.K. Vliyanie kadmiya na rost i dykhanie yachmenya pri dvukh temperaturnykh rezhimakh vyrashchivaniya [Influence of cadmium on the growth and respiration of barley in two temperature regimes of cultivation] Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol]. 2009. Vol. 56, no. 3. P. 382–387.

Kaznina N.M., Titov A.F. Vliyanie kadmiya na fiziologicheskie protsessy i produktiv-nost' rastenii semeistva Poaceae [Influence of cadmium on the physiological processes and productivity of plants family Poaceae]. Uspekhi sovremennoi biologii [Advances in Current Biol.]. 2013. Vol. 133. no. 6. P. 588–603.

Kreslavskii V.D., Karpentier R., Klimov V.V., Murata N., Allakhverdiev S.I. Moleku-lyarnye mekhanizmy ustoichivosti fotosinteticheskogo apparata k stressu [Molecular mechanisms of stability of the photosynthetic apparatus to stress]. Biologicheskie membrany [Biochemistry (Moscow) Supplement. Series A: Membrane and Cell Biology]. 2007. Vol. 24, no. 3. P. 195–217.

Kreslavskii V. D., Los' D. A., Allakhverdiev S. I., Kuznetsov Vl. V. Signal'naya rol' ak-tivnykh form kisloroda pri stresse u rastenii [The Signal Role of Active Oxygen Forms under Stress in Plants]. Fiziologiya rastenii [Russ. J. Plant Physiol]. 2012. Vol. 59, no. 2. P. 163–178.

Kuznetsov V. V., Dmitrieva G. A. Fiziologiya rastenii. [Physiology of plants]. Uchebnik T. 1. Moscow M.: Abris. 2011. 783 s.

Rakhmankulova Z. F. Urovni regulyatsii energeticheskogo obmena v rasteniyakh [Levels of regulation of energy metabolism in plants]. Vestnik Bashkirskogo universiteta [Bulletin of Bashkir University]. 2009. Vol. 14., no. 3(1). P. 1141–1154.

Repkina N. S., Batova Yu. V., Titov A. F., Talanova V. V. Ekspressiya gena glutation-sintetazy GS3 v kornyakh i list'yakh prorostkov pshenitsy pri deistvii kadmiya [Expression of GS3 glutathione synthetase gene in roots and leaves of wheat seedlings under the action of cadmium]. Trudy KarNTs RAN [Transactions of the KRC RAS]. 2015. № 11. S. 67–75. doi: 10.17076/eb229.

Ryabushkina N.A. Ekologicheskie osobennosti fotosinteza i popytki bioinzhenerii po-vysheniya ego effektivnosti [Ecological peculiarities of photosynthesis and attempts of bioengineering to increase its efficiency]. Biotekhnologiya. Teoriya i praktika [Eurasian Journal of Applied Biotechnology]. 2010. no. 4. P. 12–35.

Stasik O.O. Fotodykhanie: metabolizm i fiziologicheskaya rol' [Photorespiration: Metabolism and the Physiological Role]. Sovremennye problemy fotosinteza [Modern Photosynthetic Problems]. T.II. Pod red. S.I. Allakhverdieva, A.B. Rubina, V.A. Shuvalova. M.-Izhevsk: Institute of Computer Research [M.-Izhevsk: Institut komp'yuternykh issledova-nii], 2014. S.505–535.

Titov A. F., Talanova V. V., Kaznina N. M., Laidinen G. F. Ustoichivost' rastenii k tyazhelym metallam [The tolerance of plants to heavy metals]. Petrozavodsk, 2007. 172 p.

Titov A. F., Kaznina N. M., Talanova V. V. Tyazhelye metally i rasteniya [Heavy metals and plants]. Petrozavodsk, 2014. 194 p.

D’Ambrosio N., Arena C., De Santo A. V. Temperature response of photosynthesis, excitation energy dissipation and alternative electron sink to carbon assimilation in Beta vul-garis L. Environ. Exp. Bot. 2006. Vol. 55. P. 248–257. doi: 10.1016/j.envexpbot.2004.11.006

Caemmerer S., Farquhar G.D. Some relationships between the biochemistry of photo-synthesis and the gas exchange of leaves. Planta. 1981. V. 153, Is.4. P. 376–387.

Hagemann M, Bauwe H. Photorespiration and the potential to improve photosynthesis. Current Opinion in Chemical Biology. 2016. Vol. 35. P, 109–116.

Hagemann M, Bauwe H. Photorespiration. Encyclopedia of Applied Plant Sciences. 2017. 2 nd edition,Vol. 1. P. 86–89. doi: org/10.1016/B978-0-12-394807-6.00094-0.

Hodges M., Dellero Y., Keech O., Betti M., Raghavendra A. S., Sage R., Zhu X.-G., Al-len D. K., Weber A. P. M. Perspectives for a better understanding of the metabolic intergration of photorespiration within a complex plant primary metabolism network. J. Exp. Bot. 2016. Vol. 67. P. 3015–3026. doi: 10.1093/jxb/erw145.

Kangasjärvi S., Neukermans J., Li S., Aro E.-M., Noctor G. Photosynthesis, photores-piration, and signalling in defence responses. J. Exp. Bot. 2012. Vol. 63. no. 4. P. 1619–1636. doi: 10.1093/jxb/err402

Silva E. N., Silveira A. G., Ribeiro R. V., Vieira S. A. Photoprotective function of ener-gy dissipation by thermal processes and photorespiratory mechanisms in Jatropha curcas plants during different intensities of drought and after recovery. Environ. Exp. Bot. 2015. Vol. 110. P. 36–45. doi: 10.1016/j.envexpbot.2014.09.008

Streb P., Aubert S., Gout El., Feierabend J., Bligny R. Cross tolerance to heavy-metal and cold-induced photoinhibition in leaves of Pisum sativum acclimated to low temperature. Physiol. Mol.boil.plants. 2008, vol 14. N. 3 P. 185–193.

Szymańska R., Ślesak I., Orzechowska A., Kruk J. Physiological and biochemical res-ponses to high light and temperature stress in plants. Environ. Exp. Bot. 2017. Vol. 139. P. 165–177. doi: 10.1016/j.envexpbot.2017.05.002

Theocharis A., Clément Ch., Barka E. A. Physiological and molecular changes in plants grown at low temperature. Planta. 2012. Vol. 235. Nо 6. P. 1091–1105. doi: 10.1007/s00425–012–164/-y

Voss I., Sunil B., Scheibe R., Raghavendra A. S. Emerging concept for the role of pho-torespiration as an important part of abiotic stress response. Plant Biol. 2013. Vol. 15. P. 713–722. doi: 10.1111/j.1438-8677.2012.00710.x

Wilkinson S, Clephan A. L., Davies W. L. Rapid low temperature-induced stomatal closure occurs in cold-tolerant Commelina communis leaves but not in cold-sensitive tobacco leaves, via a mechanism that involves apoplastic calcium but not abscisic acid. Plant Physiol. 2001. Vol. 126, N 4. P. 1566–1578.




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb704

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2018