Устойчивость ценозов Cyperus esculentus L. к супероптимальной температуре в зависимости от основных факторов внешней среды: применительно к БТСЖО тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.05, кандидат биологических наук Шклавцова, Екатерина Сергеевна

• Шклавцова, Екатерина Сергеевна
• кандидат биологических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Шклавцова, Екатерина Сергеевна

Красноярск - 2012 Оглавление

Введение

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ (Сурегш езсЫеМш Ь.)

1.1. Общее понятие стресса у растений

1.2. Устойчивость растений к высокой температуре

1.2.1. Клеточные механизмы устойчивости к ТШ

1.2.2. Устойчивость к ТШ на уровне целого растения

1.2.3. Устойчивость к ТШ на уровне ценоза

1.3. Основные свойства и физиологические особенности растений чуфы (Сурегш е$си1еЫш Ь.)

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объект исследования и условия выращивания растений

2.2. Условия проведения ТШ

2.3. Методы оценки состояния растений

2.3.1. Методика определения параметров внешнего газообмена растений чуфы (Сурегш еБсШеМш Ь.)

2.3.2. Методика определения содержания пигментов в листьях растений чуфы (Сурегш еяси1еЫш Ь.)

2.3.3. Методика измерения импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла ФС 2 листьев растений чуфы

2.3.4. Методика определения интенсивности перекисного окисления липидов в листьях растений чуфы (Сурегш еБсЫеМш Ь.)

2.3.5. Методика определения минерального и биохимического состава растений чуфы (Сурегш еясикпШя Ь.)

ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ВРЕМЕННЫХ ПРЕДЕЛОВ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ (Сурегш е^сикШш Ь.) К ВОЗДЕЙСТВИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА 45°С

3 Л. Температурные кривые видимого фотосинтеза растений чуфы (Сурегш езсикЫш Ь.)

3.2. Влияние 44 ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (Сурегш езсиЫШш Ь.)

3.3. Влияние 6 ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (<Сурегш еяайеЫш Ь.)

3.4. Влияние 44ч ТШ на С02-газообмен растений чуфы (Сурегш ехайеЫш Ь.) при регулярном поливе через 3 ч

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ 20 Ч ТШ НА УСТОЙЧИВОСТЬ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ {Сурегш еяси1еШш Ь.) К ВОЗДЕЙСТВИЮ ПОВЫШЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИНТЕНСИВНОСТИ ФАР И УСЛОВИЙ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

4.1. Влияние минерального состава питательных растворов на массу растений чуфы (Сурегш еясикпНм Ь.) к моменту начала эксперимента

4.2. Влияние условий минерального питания и интенсивности ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С

4.2.1. Влияние условий минерального питания при 150 Вт/м ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С

4.2.2. Влияние условий минерального питания при 250 Вт/м ФАР на устойчивость СОг-газообмена ценозов чуфы к 20 ч воздействию температурой воздуха 45°С

4.3. Влияние 20 ч ТШ на минеральный и биохимический состав надземной части растений чуфы (Сурегш езсЫепШБ Ь.)

4.4. Влияние 20 ч ТШ на состояние фотосинтетического аппарата растений чуфы (Cyperus esculentus L.) в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания

4.4.1. Оценка состояния фотосинтетического аппарата листьев растений чуфы (Cyperus esculentus L.) на основании содержания фотосинтетических пигментов

4.4.2. Оценка состояния фотосинтетического аппарата листьев

растений чуфы (Cyperus esculentus L.) на основании флуоресцентных параметров

4.5. Влияние 20 ч ТШ на состояние клеточных мембран растений чуфы (Cyperus esculentus L.) в зависимости от интенсивности ФАР и условий минерального питания

Выводы к главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

Список цитируемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Устойчивость ценозов Cyperus esculentus L. к супероптимальной температуре в зависимости от основных факторов внешней среды: применительно к БТСЖО»

ВВЕДЕНИЕ

С началом эры пилотируемых космических полетов перед человечеством встала новая практическая задача: обеспечение искусственной среды обитания для экипажей в гермокабинах ограниченного объема. Со времени зарождения идеи о биологической регенерации среды обитания человека стало общепринятым мнение о том, что непременной составной частью биолого-технической системы жизнеобеспечения (БТСЖО) должны стать ценозы фотоавтотрофных растений (Wheeler et al., 2004; Berkovich et al., 2005; Nelson et al., 2008). В Институте биофизики CO РАН на протяжении длительного времени разрабатываются биолого-технические системы жизнеобеспечения человека, в которых регенерация воды, воздуха и, частично, пищи осуществляется за счет звена высших растений (Gitelson et al., 2003). Включение в состав растительного звена БТСЖО растений чуфы (Cyperus esculentus L.), обусловлено тем, что клубни чуфы являются источником необходимых для человека жиров, в том числе, незаменимых жирных кислот. Содержащееся в клубнях масло близко по качеству к оливковому и арахисовому. Клубни содержат 20—25% (на сухую массу) жиров, до 60% углеводов и около 8% белков (Gitelson et al., 2003).

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: температура воздуха является одним из основных факторов регулирования процессов роста и развития растений. При функционировании биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО), в состав фотосинтезирующего блока которых входит звено высших растений, важно поддержание температуры в зоне оптимума. Для удовлетворения потребности человека в растительных жирах в состав звена высших растений предполагается включить растения чуфы (Гительзон и др., 1975; Gitelson et al. 2003). В связи с тем, что устойчивость фотосинтезирующего звена к воздействию экстремальных факторов среды определяется устойчивостью входящих в него звеньев, необходимо экспериментально оценить устойчивость растений чуфы к действию тех или

иных стресс-факторов. Одним из таких факторов может быть повышение температуры воздуха в БТСЖО (из-за отказов в системе регулирования температуры воздуха) до значений, приводящих к необратимым нарушениям фотосинтетических процессов. Так как одним из возможных способов повышения степени замкнутости массообменных процессов в БТСЖО может быть использование минерализованных плотных и жидких выделений человека в качестве основы для приготовления питательных растворов для выращивания растений, необходимо знать, как это может повлиять на устойчивость растений к действию стресс-фактора. Поэтому важно оценить устойчивость ценозов чуфы к действию повреждающей температуры воздуха в зависимости от условий предварительного выращивании и выяснить возможные способы повышения термоустойчивости.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ, исследование устойчивости растений чуфы (Сурегш еъсиХегйт Ь.) к воздействию супероптимальной температуры воздуха 45°С в зависимости от условий минерального питания, интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) во время стресса и длительности действия стресс-фактора.

ЗАДАЧИ:

1). Оценить устойчивость растений чуфы к кратковременному ступенчатому повышению температуры воздуха в зависимости от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время стресса.

2). Оценить влияние воздействия высокой температуры воздуха различной длительности на С02-газообмен, состояние фотосинтетического аппарата и клеточных мембран листьев растений чуфы.

3). Оценить влияние условий минерального питания на С02-газообмен, состояние фотосинтетического аппарата и клеточных мембран листьев растений чуфы во время ТШ.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Показано, что в ответ на повреждающее воздействие высокой температуры у ценозов чуфы возникает фаза реакции,

длительностью не менее 1 ч. По величине и характеру фазы реакции нельзя судить об адаптационных возможностях ценозов чуфы в фазе реституции.

Показано, что ценозы чуфы, выращенные в условиях интенсивной светокультуры при оптимальных условиях внешней среды, способны выдерживать воздействие температуры воздуха 45°С в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

Показано, что повышение интенсивности ФАР во время действия стресс-фактора, вне зависимости от условий минерального питания и исследуемой длительности экспериментов, снижает повреждающее воздействие повышенной температуры воздуха.

Установлено, что выращивание ценозов чуфы на питательных растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота, повышает их устойчивость к действию супероптимальных температур по сравнению с ценозами чуфы, выращенными на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов с аммонийной и амидной формами азота.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Полученные результаты вносят вклад в представления о физиологии устойчивости ценозов растений к повышенным температурам воздуха в зависимости от условий предварительного выращивания и внешних факторов среды.

Полученные результаты могут быть использованы при создании биолого-технических систем жизнеобеспечения высокой степени замкнутости.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1) Ценозы чуфы способны выдерживать воздействие повышенной температуры воздуха в течение 44 ч без необратимых повреждений фотосинтетического аппарата.

2) Повышение интенсивности ФАР от 150 до 250 Вт/м2 и увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата увеличивает термоустойчивость растений чуфы.

3) Устойчивость растений чуфы к действию температуры воздуха 45°С зависит от условий минерального питания. Выращивание ценозов чуфы методом гидропоники на керамзите с использованием растворов, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека, содержащих азот в аммонийной и амидной формах, понижает устойчивость ценозов к действию температуры 45°С по сравнению с растениями, выращенными на растворах, содержащих азот в нитратной форме.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты исследований были доложены на VI-й Международной научной конференции, г. Минск, Белоруссия в 2009 г; на 38-й Международной конференции Коспар в г. Бремен, Германия в 2010 г; на Всероссийской, с международным участием, конференции молодых ученых, посвященной 90-летию Уральского государственного университета им. A.M. Горького, г. Екатеринбург, Россия в 2010 г; на конференции молодых ученых Института биофизики СО РАН, г. Красноярск, Россия в 2010 г; на Всероссийском симпозиуме «Растение и стресс», Москва, Россия в 2010 г; на VII Съезде Общества физиологов растений России, г. Нижний Новгород, Россия 2011 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы было опубликовано 9 печатных работ, из них 4 печатные работы опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (2 статьи в журналах, издаваемых в России и 2 в журналах, издаваемых за рубежом).

ВКЛАД АВТОРА. Проведение экспериментов, обработка и анализ полученных результатов, подготовка публикаций.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на 127 страницах, состоит из введения, обзора литературы (1 глава),

методики (1 глава), результатов собственных исследований (2 главы), заключения и выводов. В работе содержится 18 таблиц и 21 рисунок. Список цитируемой литературы насчитывает 125 источников, в том числе 53 иностранных.

Работа выполнена в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН г. Красноярска под руководством к.б.н. Ушаковой С.А.

Автор выражает благодарность Волковой Э.К., Паршиной О.В., сотрудникам аналитической лаборатории Института биофизики СО РАН (заведующая лабораторией к. б. н. Калачева Г.С.), а также всем сотрудникам лаборатории УБФ, способствовавшим выполнению данной работы. Особую благодарность автор выражает своему научному руководителю Ушаковой Софье Аврумовне за поддержку и ценные советы при выполнении данной работы.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ НА РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ОРГАНИЗАЦИИ И ЭКОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТЕНИЙ ЧУФЫ

(Сурегш енси1епЫя Е.)

1.1. Общее понятие стресса у растений Общий адаптационный синдром, или стресс, представляет собой комплекс ответных реакций организма на внешние воздействия, по силе превосходящих обычные физиологические реакции, и при длительных воздействиях заканчивающихся развитием патологий. Практически все организмы обладают определенной пластичностью, позволяющей выживать в экстремальных условиях. Реакция на стресс обычно выражается характерной кривой (кривая Селье, 1972), описывающей после первоначального снижения уровня резистентности его увеличение, сменяющееся фазой истощения (эта концепция стресса была разработана для животных). Вид этой кривой, однако, может меняться в зависимости от характера воздействия и особенностей организма (вида, возраста). В ответе растения на повреждающие воздействия также было выделено три стадии: фаза реакции, фаза реституции (восстановления) и при сильном повреждении необратимые изменения и гибель. Наблюдаемый комплекс метаболических перестроек был назван фитострессом (Полевой, 1989; Миттова, Игамбердиев, 2000; Кузнецов, 2005). В стрессовых условиях судьба растения зависит, с одной стороны, от силы и длительности стрессового воздействия, с другой -от устойчивости растения к данному виду стресса, которая предопределена генетически. Стресс может привести к накоплению необратимых повреждений и гибели растения. Действие стресса может привести к активации защитных и приспособительных реакций, в результате которых растение акклимируется к новым условиям (Полесская, 2007). Сигналом к запуску стрессовой реакции, по гипотезе Барабоя (1991), служит нарушение прооксидантно-оксидантного равновесия.

Существует масса работ, в которых показано, что акклимация к неблагоприятным или стрессовым условиям коррелирует с усилением антиоксидантной защиты. Как правило, активность некоторых ферментов-антиоксидантов усиливается на фоне уменьшения или сохранения на прежнем уровне активности других. Анализ публикаций на тему антиоксидантной защиты растений позволяет сделать несколько выводов. Во-первых, общего правила в реакции на стресс не существует. Ответ антиоксидантной системы на один и тот же тип стрессового воздействия зависит от вида растений. Во-вторых, ответ антиоксидантной системы определяется степенью и продолжительностью стрессового воздействия. В-третьих, реакция антиоксидантной системы зависит от характера стрессового воздействия, но смысл таких различий остается неясным. Нет ответа на вопрос, почему при разных стрессах усиливается активность одних и не изменяется или падает активность других ферментов-антиоксидантов. И наконец, реакция антиоксидантной системы на стресс может зависеть от исходного уровня антиоксидантной активности, который, в свою очередь, определяется физиологическим состоянием растения. В принципе, активность ферментов - чрезвычайно вариабельный показатель. Прежде всего, существуют суточные ритмы в экспрессии генов, в том числе они были показаны и для генов ферментов-антиоксидантов у ряда растений (Полесская, 2007).

В соответствии с принятым делением биологической организации на уровни возможна и классификация адаптивных реакций, которые определяют клеточную, тканевую, организменную и популяционную устойчивость к неблагоприятным факторам (Коваль, Шаманин, 1999).

1.2. Устойчивость растений к высокой температуре

Реакция растений на повышение температуры зависит от величины стрессового фактора и длительности его воздействия, а также от стадии

развития: наиболее чувствительны репродуктивные органы (Wahid et al., 2007). Если условия воздействия варьируют в пределах толерантной области жизнедеятельности растительной клетки, то это не нарушает гомеостатическое состояние живой системы. Почти для всех растений наиболее благоприятным является диапазон температур от 10 до 35°С, а температура 35°С - пороговая температура перехода от благоприятных к неблагоприятным условиям жизнедеятельности (Косулина, 1993). При очень высоких температурах серьезные повреждения или даже гибель клеток происходит за минуты, что можно объяснить катастрофическим коллапсом клеточной организации. На средневысоких температурах повреждение или гибель может наступать после определенного периода экспозиции (Wahid et al., 2007). Кроме интенсивности и длительности воздействия повышенной температуры, большое значение имеет скорость ее повышения. В работе Мелехова с сотр. (1979) на основании измерений интенсивности видимого фотосинтеза у листьев тополя бальзамического было показано, что скорость нагрева влияет на регуляцию листом собственной температуры. При более медленном повышении температуры растение успевает адаптироваться к изменившимся условиям, в то время, как при быстром нагреве уже в зоне оптимальных температур происходит ингибирование скорости видимого фотосинтеза (Мелехов и др., 1979).

Имеется достаточно много экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что в связи с физиологическими особенностями различных видов растений, их реакция на разные уровни и длительность действия стрессового фактора может существенно различаться. Для оценки устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды в качестве объекта исследования часто используются их отдельные структуры. Но реакция отдельных структур далеко не всегда адекватна реакции целого растения, не говоря уже о ценозах (Заворуева, Ушакова, 2004). Далее

рассмотрим более подробно реакцию растений на ТШ на клеточном, тканевом, организменном и ценотическом уровнях.

1.2.1. Клеточные механизмы устойчивости к ТШ

Для растительного организма ответ на тепловой стресс на клеточном уровне включает ингибирование экспрессии нормальных белков и индукцию белков теплового шока (БТШ), повышение уровня перекисного окисления липидов, накопление низкомолекулярных органических (совместимых) осмолитов (Wahid et al., 2007), синтез и выделение этилена. Сигналом для запуска этого комплекса реакций должно служить некое стереотипное и биологически важное изменение внутренней среды клетки, происходящее под влиянием факторов стресса. Этим требованиям вполне отвечает изменение уровня перекисного окисления липидов (ПОЛ) и состояния прооксидантно-антиоксидантного равновесия в биологических мембранах. В работе Кургановой с соавт. (1997) было показано, что тепловой шок активировал ПОЛ в хлоропластах гороха на всех стадиях роста и развития растений. Об этом свидетельствовало увеличение содержания в хлоропластах после воздействия на растения повышенной температуры продуктов ПОЛ -диеновых конъюгатов, гидроперекисей и малонового диальдегида (МДА). О развитии окислительного стресса свидетельствовало также отмеченное в их опытах снижение активности глутатионредуктазы. Ряд изменений, происходящих в клетке в результате воздействия накапливающихся при ТШ продуктов ПОЛ, очевидно, могут быть пусковыми для соответствующих механизмов защиты. Об этом свидетельствует наблюдавшееся в их опытах повышение активности супероксиддисмутазы в хлоропластах гороха. Авторы приведенной работы сделали вывод, что ТШ существенно смещает прооксидантно-антиоксидантное равновесие в хлоропластах гороха, вызывая активацию ПОЛ. Образующиеся при этом в повышенном количестве продукты ПОЛ могут выступать как первичные медиаторы стрессорного

воздействия температурного фактора, включая соответствующие защитные механизмы. В частности, их непосредственным действием можно объяснить активацию супероксиддисмутазы, мобилизацию низкомолекулярного антиоксидантного резерва и т.п. Изменения в свойствах мембранных структур и метаболизме клетки, происходящие в результате активации ПОЛ при ТШ, по-видимому, являются одними из начальных, первичных звеньев в цепи процессов, приводящих, в конечном счете, к формированию состояния стресса. Активация антиокислительных систем является фактором, придающим растительному организму повышенную устойчивость (Курганова и др., 1997).

Растения, как и все живые организмы, отвечают на повышение температуры активацией генов теплового шока и новообразованием кодируемых ими полипептидов, так называемых белков теплового шока (БТШ). В отличие от других эукариот, высшие растения в ответ на стресс синтезируют в основном малые БТШ (мБТШ). Аккумуляция БТШ носит триггерный и транзитный характер и сопровождается повышением термотолерантности. Получены убедительные свидетельства функционирования высокомолекулярных БТШ в качестве молекулярных шаперонов, которые в условиях гипертермии облегчают транспорт полипептидов через клеточные мембраны, обеспечивают правильную сборку олигомерных белков и диссоциацию функционально неактивных агрегатов. Важную роль выполняют и низкомолекулярные БТШ. Среди этой группы наиболее исследованы так называемые убиквитины, которые ответственны за распознавание и деградацию денатурированных при ТШ полипептидов (Кузнецов, Старостенко, 1994, Wahid et al, 2007).

Повреждения в результате действия высокой температуры можно разделить на прямые и непрямые. Прямые повреждения в результате действия повышенной температуры включают денатурацию и агрегацию белка и увеличение текучести липидов мембран. Непрямые последствия

теплового повреждения включают инактивацию ферментов в хлоропластах и митохондриях, ингибирование синтеза белка, разрушение белка и нарушение целостности мембраны. Тепловой стресс также влияет на организацию микротрубочек, что приводит к нарушению митоза. Эти повреждения ведут со временем к голоданию, ингибированию роста, снижению потока ионов, образованию токсичных соединений и активных форм кислорода (Wahid et al, 2007).

На субклеточном уровне серьезные изменения происходят в хлоропластах, ведущие к изменению в фотосинтезе. Например, высокие температуры, изменяя структурную организацию тилакоидов, приводят к снижению интенсивности фотосинтеза. Так, в работе Каллимулиной Ф. Р. (1982) с растениями яровой пшеницы на основании исследования изменений ультраструктуры хлоропластов, регистрируемых с помощью электронного микроскопа, при непрерывном и прерывистом действии повышенной температуры было показано, что длительное беспрерывное действие повышенной температуры нарушает упорядоченность тонкой структуры хлоропластов. Ламеллярная система пластид становится извилистой, между мембранами тилакоидов появляются электронно-прозрачные вакуоли, образующиеся за счет разбухания тилакоидов гран. Набухание тилакоидов гран - неспецифическая реакция хлоропластов на воздействия различного рода: обезвоживание, освещение красным светом, низкую концентрацию углекислоты и кислорода. При длительном действии повышенной температуры крахмальные зерна в хлоропластах отсутствуют, усиливается липоидная глобуляция, что является следствием деградации ламеллярной системы хлоропластов (Калимуллина, 1982; Wahid et al., 2007). Суммарный эффект всех этих изменений может привести к замедлению роста и снижению продуктивности растений (Wahid et al., 2007).

При воздействии высокой температуры происходит нарушение фотосинтетических процессов. Так, тепловой шок снижает содержание

фотосинтетических пигментов в листьях Arabidopsis thaliana (L.) (Todorov et al., 2003). В работе Кеповой с соавт. (2005), на сегментах листьев растений пшеницы (Triticum aestivum L., cv. Arina) было показано, что в темноте ТШ снижает содержание растворимых белков, связывающих Рубиско, а на свету увеличивает, играя роль БТШ (Kepova et al., 2005). В работе D. Camejo и соавт (Camejo et al., 2005) в экспериментах с растениями двух генотипов томата различающихся по термоустойчивости в результате воздействия на группу растений на стадии 4-го настоящего листа температуры 45°С в течение 2 ч у растений неустойчивого к ТШ генотипа также произошло значительное снижение скорости видимого фотосинтеза. У растений с устойчивым генотипом такого снижения не произошло, но было показано увеличение соотношения хлорофилла alb и снижение соотношения хлорофиллов к каротиноидам (Camejo et al., 2005).

В работе Md.A. Karim с сотр. (1999) на экспериментах с сеянцами растений кукурузы (Zea mays L.) было показано, что при воздействии высокой температуры 42°С в течение 90 мин на отсоединенные листья происходило более значительное снижение скорости видимого фотосинтеза, чем на прикрепленные листья. Кроме того, скорость видимого фотосинтеза у развивающихся листьев начала восстанавливаться через 5 ч после возвращения их в исходные условия и через 24 ч восстановилась полностью до исходного уровня. Видимый фотосинтез почти развитых и полностью развитых листьев не возвращался к исходному уровню даже через 72 ч репарации. Эта неспособность к восстановлению была особенно заметна у растений с генотипом, чувствительным к ТШ и в полностью развитых листьях. Деградация хлорофилла а и б в результате ТШ также, более значительна в развитых, по сравнению с развивающимися, листьях (Karim et al., 1999). Предполагается, что такие изменения связаны с появлением активных форм кислорода, что было показано в экспериментах на растениях мандарина (Citrus unshiu Marc.) и апельсина (Citrus sinensis Osbeck). В

данной работе воздействие высокой температуры (38,8°С) в течение 15 дней приводило к снижению интенсивности видимого фотосинтеза, и некоторых параметров импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла: так, максимальный квантовый выход и фотохимическое тушение флуоресценции (qP) снизились, в то время, как минимальный выход (F0) флуоресценции и нефотохимическое тушение флуоресценции (qN) увеличились. Вместе с тем, происходило увеличение образования супероксид-радикала и перекиси водорода, а также увеличилась активность супероксиддисмутазы, аскорбатпероксидазы и каталазы. Эти результаты предполагают, что снижение видимого фотосинтеза связано с инактивацией реакционного центра фотосистемы 2 (ФС2), что, вероятно, произошло из-за увеличенного количества активных форм кислорода в листьях растений (Guo et al., 2006). Увеличение соотношения хлорофиллов а к б говорит о нарушении функционирования ФС2. В экспериментах на изолированных хлоропластах и листьях растений шпината, а также в уже приведенной работе на растениях томата, было показано, что ФС2 чрезвычайно термолабильна и ее активность значительно падает или частично останавливается при воздействии высоких температур (Bukhov et al., 1999; Camejo et al., 2005), что может быть следствием свойств тилакоидных мембран, где локализованы ФС2, что было показано на нескольких видах бобовых и пшеницы (Triticum aevesticum L.) при воздействии температуры 40°С на основании флуоресцентных показателей: происходило быстрое снижение активности тилакоидов (Mcdodald and Paulsen, 1997). Нагревание от 35 - 45°С приводит к нарушению стекинга тилакоидов (Gounaris et al. 1983, 1984). Тепловой стресс может приводить к диссоциации кислородвыделяющего комплекса (КВК), что приводит к нарушению баланса между электронным потоком из КВК на акцепторную сторону ФС2 в направлении реакционного центра (РЦ) фотосистемы 1 (ФС1), что было показано в экспериментах на растениях сои (De Ronde et al., 2004).Также было показано, что при нагревании тилакоидов

табака на 2°С в минуту от 25 до 50°С функция КВК была ингибирована в диапазоне между 32 и 45°С, в то время, как акцепторная сторона ФС2 могла выдерживать воздействие более высоких температур (Pospisil and Tyystjärvil, 1999;Yamashita and Butler, 1968; Cheniae and Martin, 1970). На растениях шпината на основании параметров импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла было показано, что тепловой стресс приводит также к диссоциации марганец-стабилизирующего белка в РЦ ФС2 с последующим выходом атомов Mn (Yamane et al, 1998) и к разъединению других частей РЦ в изолированных реакционных центрах листьев растений гороха в результате воздействия повышенной температуры (42°С) (De Las Rivas and Barber, 1997).

Стрессы разной природы, в том числе тепловой стресс, также интегрируются в растительной клетке таким образом, что провоцируют сверхпродукцию активных форм кислорода (АФК) и развитие окислительного стресса (Полесская, 2007; Cheeseman, 2007; Schmidt, 1986). Неспецифический характер реакции клеток растений на стрессы путем образования АФК подтверждается, например, в работе Jiang and Zhang (2001). Как известно из литературных данных, абсцизовая кислота синтезируется в клетках растений в ответ на различные типы стрессов, и считается, что она играет сигнальную роль в акклиматизации к этим стрессам. Показано, что обработка абсцизовой кислотой листьев растений кукурузы увеличивает содержание Н202 и 02" с последующим увеличением активности супероксиддисмутазы, каталазы, аскорбатпероксидазы и глутатионредуктазы (Jiang and Zhang, 2001). Так, воздействие водного дефицита на листья растений гороха приводило к ингибированию фотосинтеза на 75% и к увеличению содержания зеаксантина, малонового диальдегида (МДА), окисленных белков и к увеличению активности супероксиддисмутазы в митохондриях, цитозоле и хлоропластах (Iturbe-Ormaetxe et al, 1998). В экспериментах на листьях двух генотипов зеленой

фасоли (Phaseolus vulgaris L.), различающихся по солеустойчивости, было показано, что при повышении степени засоления в растениях обоих сортов происходит увеличение содержания МДА, но в чувствительном к засолению сорте 4F-89 Франзиц сильнее, чем в солеустойчивом GS57 (Ясар и др., 2008). При воздействии высокими температурами на 10-дневные растения пшеницы (Triticum aestivum var HD-2329) происходило снижение скорости электронного транспорта и увеличение интенсивности перекисного окисления, регистрируемого по изменению содержания МДА (Mishra and Singhal, 1992).

Наиболее значимы для растительной клетки синглетный кислород, супероксид анион радикал (далее - супероксидрадикал, О "), перекись водорода (Н202) и гидроксилрадикал (НО* ). Таким образом, среди АФК есть свободные радикалы и соединения, которые ими не являются (Лукаткин и др., 2002; Cheeseman, 2007). В фотосинтезирующих клетках хлоропласты являются далеко не единственными продуцентами АФК, но, по сложившемуся мнению, самыми мощными. В хлоропласте постоянно образуется синглетный кислород, супероксидрадикал и перекись водорода, что неразрывно связано с процессами, происходящими в тилакоидной мембране. В хлоропластах содержится 80% Fe, поэтому может идти реакция Фентона, что приводит к возникновению других АФК из перекиси водорода (Полесская, 2007; Cheeseman, 2007).

АФК способны повреждать различные биомолекулы (нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды клеточных мембран). Все АФК способны реагировать и окислять различные химические группировки, что сопровождается модификацией или деградацией белков, разрушением липидов мембран и хлорофилла, может вызвать повреждение ДНК и дезорганизацию цитоскелета. Синглетный кислород, супероксидрадикал и гидроксилрадикал атакуют мембраны, вступая в реакции с остатками жирных кислот в составе фосфолипидов. В результате данного процесса,

который называют процессом перекисного окисления липидов мембран, возникает целый каскад свободнорадикальных реакций с образованием разнообразных спиртов, эфиров, альдегидов. Среди этих соединений могут быть и токсичные. К примеру, 4-гидрокси-2-ноненал, 4-гидрокси-2-гексанал, малоновый диальдегид оказывают токсическое действие в клетках животных и растений, модифицируя структуру белков и ДНК. Вследствие цепного процесса окисления, происходящего с образованием свободнорадикальных продуктов, нарушаются гидрофобность и проницаемость липидного бислоя и, следовательно, работа всех ферментных систем, ассоциированных с мембраной (Полесская, 2007).

При высокой силе стресса нарушается про-/антиоксидантное равновесие. Накопление малонового диальдегид а служит одним из индикаторов усиления ПОЛ. Особенностью ПОЛ является то, что окислению подвергаются преимущественно ненасыщенные жирные кислоты мембран. Окисление идет по двойной связи с образованием гидроперекисей, которые в дальнейшем распадаются. Активация ПОЛ приводит к нарушениям структуры и функций мембран (Ба1 et а1., 2000).

Антиоксидантная защита мембран связана с присутствием в липидном матриксе а-токоферола и поддерживается аскорбиновой кислотой и ферментами-антиоксидантами. а-токоферол блокирует цепной процесс перекисного окисления, отдавая свой электрон и восстанавливая липидный радикал. В результате он сам становится радикалом, но быстро получает потерянный электрон, восстанавливаясь аскорбиновой кислотой. При этом аскорбиновая кислота окисляется до монодегидроаскорбата, который может быть восстановлен НАДН или НАДФН при участии монодегидроаскорбат-редуктазы (Полесская, 2007).

В настоящее время известно, что АФК играют несколько важных ролей в патогенезе: они вовлечены в реакцию сверхчувствительности, они могут также ограничивать распространение патогенной инфекции, усиливая

клеточные стенки и/или прямо убивая патогенные организмы. И, наконец, согласно гипотезе Барабоя (1991), они могут играть роль сигнальных молекул. При абиотическом стрессе высокие концентрации АФК способны привести к повреждению клеток растения, однако относительно низкие их концентрации могут служить сигналом к акклиматизации. Эти новейшие исследования показали, что АФК не просто токсичные побочные продукты метаболизма, но также могут служить сигнальными молекулами, как уже упоминалось выше (Курганова, 1999; Баг et а1., 2000). В обзоре (Гречкин, Тарчевский, 1999) описывается липоксигеназная сигнальная система. Липоксигеназы - это ферменты, катализирующие присоединение молекулярного кислорода к одному из атомов углерода цис, цис-пентадиенового радикала жирных кислот в клетках микроорганизмов, растений и животных. Субстратами липоксигеназ в высших растениях являются преимущественно свободные линоленовая и линолевая кислоты, содержание которых в клетках повышается в результате активирующего действия различных стрессоров или химических эффекторов на фосфолипазы А. В настоящее время имеется достаточно информации, чтобы считать липоксигеназный путь превращения мембранных липидов самостоятельной сигнальной системой. Ему присущи основные свойства, характерные и для других сигнальных систем - рецепция, преобразование и умножение сигнала, приводящие (при участии протеинкиназ) к экспрессии определенных генов и соответствующему ответу растительной клетки. Многие гидроперокси- и гидроксипроизводные линоленовой и линолевой кислот обладают антимикробными и фунгицидными свойствами, обеспечивающими первичную химическую защиту раневой поверхности от патогенов (Гречкин и др. 1990, 1992; Гречкин, Тарчевский, 1999; Каримова и др., 1999; Тарчевский, 1992, 1993, 1996, 2001).

1.2.2. Устойчивость к ТШ на уровне целого растения

На организменном уровне сохраняются все механизмы, свойственные клетке, но дополняются новыми, отражающими взаимодействие органов в целом растении. Прежде всего, это конкурентные отношения между органами за физиологически активные вещества и питание, это позволяет в экстремальных условиях сформировать необходимый минимум генеративных органов, которые растение в состоянии обеспечить необходимыми веществами для нормального созревания. Кроме того, растения способны заменять поврежденные или утраченные органы путем регенерации или роста из пазушных почек (Полевой, 1989). Также на уровне целого растения, при воздействии высокой температуры наблюдается общая тенденция к снижению размера клеток, закрыванию устьиц и сокращению потери воды, увеличение частоты устьиц и волосков и увеличение сосудов ксилемы в корнях и надземной части растений. Уязвимость видов или культурных сортов к высоким температурам может варьировать в зависимости от стадии развития растения, но все вегетативные и репродуктивные стадии в разной степени подвергаются действию температурного стресса. В течение вегетативной стадии, например, высокие дневные температуры, могут нарушить газообмен листьев (Wahid et al., 2007).

В работе Альтергота и Зубкуса (1982) в экспериментах на растениях пшеницы, на основании данных по измерению интенсивности дыхания, накоплению сухой массы и роста было показано, что поддержание оптимальных условий в корнеобитаемой среде при действии повышенной температуры на надземную часть растений приводит к значительно меньшим повреждениям их по сравнению с вариантом, у которого действию неблагоприятного температурного фактора подвергается и корневая система (Альтергот, Зубкус, 1982). Так, Попов с сотр. (2010) исследовали особенности низкотемпературной адаптации теплолюбивых растений табака

на уровне листьев и корней в связи с процессами ПОЛ. Было показано, что в листьях происходило снижение содержания диеновых конъюгатов и МДА, что сопровождалось повышением холодостойкости листовой ткани вплоть до устойчивости к отрицательным температурам. В то же время, в корнях наблюдалось увеличение интенсивности процессов ПОЛ и снижение холодостойкости этого органа. Высказано предположение, что неспособность корневой системы табака к низкотемпературной адаптации является лимитирующим фактором, определяющим в целом низкий потенциал устойчивости теплолюбивых растений к гипотермии (Попов и др., 2010). В работе Акимовой с сотр. (1999) на проростках озимой пшеницы и огурца было показано, что локальное действие высокой температуры (только на побег или на корень) вызывает изменение различных типов устойчивости клеток непрогреваемых органов, причем, тепло-, холодо- и солеустойчивость листьев в первые часы прогрева возрастают как при прогреве листа, так и корня. По-видимому, связь между надземной частью растения и его корневой системой осуществляется благодаря передаче сигнала о тепловом воздействии в пространственно удаленные органы, который индуцирует в них определенные функциональные изменения, как специфического, так и неспецифического характера, направленные, в конечном счете, на повышение общей устойчивости растений к неблагоприятным факторам (Акимова и др., 1999).

Любое нарушение в фотосинтезе может ограничить рост растения при высокой температуре. Так, например, на растениях лютика ледникового (Ranunculus glacialis L.), было показано, что самым первым эффектом действия повышенной температуры была инактивация интенсивности видимого фотосинтеза при 38 - 39°С, а также, увеличение интенсивности дыхания (Larcher et al, 1997). На растениях пшеницы (СЗ), риса (СЗ) и проса (С4) было показано, что высокая температура влияет на интенсивность фотосинтеза СЗ-растений более сильно, чем на С4 (Al-Khatib and Paulsen,

1999). Она изменяет распределение энергии и активности ферментов углеродного метаболизма, в частности Рубиско, таким образом, изменяя скорость регенерации Рубиско через нарушение электронного транспорта и инактивацию кислородвыделяющего комплекса (Wahid et al., 2007). Действие температуры на фотосинтез обратимо, если снижение фотосинтеза в листьях растений составляет 50-60% от исходного значения. При повышении температуры воздуха до 45 °С, являющейся границей активной жизнедеятельности растительной клетки, происходят значительные повреждения фотосинтетических мембран, приводящие даже к гибели растения (Заворуева, Ушакова, 2004).

Как правило, в природе температурный стресс сопровождается засухой и высокой интенсивностью освещения. Поэтому растения таких мест обитания обладают соответствующими анатомическими и физиологическими приспособлениями (Dai et al, 1995; Stankovic, 1997; Nicotra et al, 2008). C4-цикл возник как эволюционное приспособление к сухому и жаркому климату. Именно этим можно объяснить тот факт, что в тропических и субтропических регионах планеты обитают в основном С4-виды, а в высоких широтах и высокогорьях главным образом СЗ-растения (Raghavendra and Sage, 2011).

В середине 60-х годов 20в было обнаружено, что С4-виды имеют более высокую скорость фотосинтеза при более высокой температуре, в то время, как СЗ-виды имеют преимущество в холодном климате. У С4-видов температурный оптимум фотосинтеза находится между 30 и 40°С, а у СЗ-между 20 и 30°С. И тем не менее, некоторые С4-виды встречаются на высокогорьях и в умеренных широтах. В высокогорьях встречаются, в основном, с южной стороны склонов, и, чтобы сохранить тепло, формируют «подушку» (Raghavendra and Sage, 2011).

61

60

о

45

30

ß

0

10 20 30 40 10 20 30 40 10 20 30 4Г

Leaf жрегаШге, -С

Рис. 1 Температурные кривые фотосинтеза С4-растения Amaranthus retroflexus (темные маркеры) и СЗ-растения Chenopodium album (не закрашенные маркеры), измеренные при концентрациях С02 180, 380 и 700 ррт. Стрелки показывают температуры, где уровни скорости фотосинтеза были равны. Растения были выращены при атмосферной концентрации ССЬ 365 ppm (Raghavendra and Sage, 2011).

С4-виды обычно реагируют значительным повышением интенсивности фотосинтеза на повышение температуры до температурного оптимума между 30 и 40°С, в то время, как СЗ-виды имеют широкий температурный оптимум между 20 и 30°С (Raghavendra and Sage, 2011). Как у СЗ, так и у С4-видов реакция видимого фотосинтеза на повышение температуры зависит от концентрации С02 и интенсивности ФАР. При низких концентрациях С02 (180 - 200 ррт) кривая зависимости фотосинтеза от температуры у С4 растений относительно невысокая с широким температурным оптимумом. С увеличением текущей концентрации С02 до 380 ррт скорость фотосинтеза в области температурного оптимума в листьях С4 растений значительно увеличивается, создавая кривую с широким температурным оптимумом и большей реакцией на изменяющуюся температуру. С дальнейшим

увеличением концентрации С02 с 380 до 700 ррш интенсивность фотосинтеза в области температурного оптимума еще немного повышается. Напротив, СЗ-растения с ростом концентрации С02 продолжают показывать увеличение интенсивности фотосинтеза при температуре выше 20°С и в результате могут продемонстрировать реакцию зависимости фотосинтеза от температуры, которая может имитировать таковую у С4-видов (рис. 1) (Raghavendra and Sage, 2011).

1D 20 30 40

Lea' temperature, "С

Рис. 2. Реакция устойчивости растений Spartina townsendii, выращенных в ростовой камере при естественной концентрации С02, к повышенным температурам. Интенсивность света в цмоль фотонов/м2*с (Raghavendra and Sage, 2011).

При насыщающих интенсивностях света фотосинтез у С4-растений показывает низкую чувствительность к изменениям температуры и поэтому кривая зависимости фотосинтеза от температуры становится более плоской с широким температурным оптимумом. Снижение интенсивности фотосинтеза начинается в зоне температурного оптимума и далее снижается со

снижением уровня освещения (рис. 2). Следовательно, обобщение, что С4-растения более отзывчивы к изменению температуры и имеют более высокий температурный оптимум, чем СЗ-виды относится только к условиям светового насыщения (Raghavendra and Sage, 2011).

1.2.3. Устойчивость к ТШ на уровне ценоза

В литературе очень мало данных об устойчивости растений к ТШ на уровне ценоза. На данном уровне действуют новые биологические законы, которые нельзя вывести из биологии клетки или отдельного растения. Биологическое время ценоза протекает более медленно по сравнению с организменным уровнем. Поэтому с позиции ценотического уровня все составляющие его организмы статичны и постоянно находятся в режиме, наиболее оптимальном для данных экологических условий. С позиции же организма ценотические процессы протекают настолько медленно, что его изменения не заметны для более быстрых реакций нижележащих уровней (Коваль, Шаманин, 1999).

Изучением взаимодействия растений в ценозе занимались в 70-е годы И.А. Мурей и Х.Г. Тооминг (Тооминг, 1977, 1984, 1982; Тамметс, Тооминг, 1985). Выбор ценоза (посева) как средства для изучения взаимосвязи физиологических процессов не случаен. В естественных условиях и, особенно, в условиях фитотрона при постоянной, в течение опыта интенсивности падающей радиации по мере увеличения числа фитоэлементов на заданной площади ценоза возрастает взаимное затенение листьев и, как следствие, снижается интенсивность приходящего к ним света (Мурей, 1975). Переход от одиночного растения к более или менее загущенному посеву приводит к неизбежному падению средней продуктивности одного растения (Пащенко и др., 1979). При этом уменьшается интенсивность фотосинтеза целого растения в ценозе и вслед за ней изменяется его ростовая функция. Изменение основных

физиологических процессов в растении происходит, прежде всего, таким образом, чтобы свести к минимуму отрицательное воздействие затенения. В этом случае радиационное поле внутри ценоза влияет на растение, которое в свою очередь адаптивным изменением архитектоники оказывает влияние на распределение света внутри ценоза. Уже с этих позиций ценоз считается саморегулирующейся системой, а световое поле в ценозе - частью этой системы (Мурей, 1976; Мурей, Шульгин, 1977). Таким образом, все значительные изменения в физиологических особенностях растения как элемента ценоза имеют энергетическую основу (Пащенко и др., 1979). В глубине ценоза не только уменьшается интенсивность светового потока, но и изменяется спектральный состав света: зеленые лучи, обладая высокой проникающей способностью, обеспечивают световой энергией листья более низко расположенных ярусов, куда синие и красные лучи почти не доходят (Тихомиров и др., 1982; Тихомиров и др., 2000).

И.А. Мурей в своей работе на примере ценозов растений томата (1975) установил ряд особых состояний посевов. Каждое из этих состояний характеризует начало новой качественной реакции растений на изменение светового потока внутри посева. Первое состояние - состояние а - указывает на начало появления ценотического взаимодействия между растениями (по свету). Второе состояние - состояние Ь - характеризуется наибольшим (для данных условий среды) числом растений в посеве, при все еще оптимальном их развитии, которое имеет место у одиночных растений при заданных условиях внешней среды. И, наконец, в третьем состоянии наступает наибольшая для данных условий внешней среды скорость роста растений, т. е. происходит максимальное поглощение растениями падающей радиации. Каждое из этих состояний наступает всегда при определенной общей биомассе растений в посеве. Все рассмотренные закономерности существуют с момента появления ценотического взаимодействия (по свету). Кроме снижения продуктивности отдельного растения, при загущении ценоза, было

показано, что по мере загущения посевов все время увеличивается средняя оводненность листьев и после состояния Ь это увеличение выражено более резко. По всей вероятности, оно происходит в результате снижения транспирации листьев нижних ярусов, которое и приводит к некоторому рассогласованию между количеством воды, подаваемой корнями, и неполным расходом этого количества воды на транспирацию. Снижение транспирации листьев нижних ярусов посева приводит к относительному подавлению роста корневой системы и к возрастанию за счет этого сухой массы стеблей, причем, количественная сторона этого процесса находится в прямой зависимости от увеличения оводненности листьев, и, по видимому, от самого уменьшения транспирации растений за сутки (Мурей, 1975).

Таким образом, в ценозе создается собственный микроклимат, что, вероятно, изменяет реакцию отдельных растений на воздействие высокой температуры воздуха.

В институте биофизики СО РАН были проведены эксперименты по исследованию устойчивости разновозрастных ценозов пшеницы и редиса к температурам воздуха 35°С и 45 °С различной длительности. Наиболее экстремальной является ситуация, когда происходит полная гибель фотосинтезирующего звена. Такое развитие событий в СЖО возможно и может быть обусловлено отсутствием или недостатком технических и организационных средств для устранения ингибирующего действия повышенной температуры в приемлемые временные сроки.

В результате данной работы было показано, что реакция растений на воздействие супероптимальных температур воздуха зависит от вида растений. 20-часовая и более длительная экспозиция при температуре воздуха 45°С приводила к необратимым, достаточно глубоким повреждениям фотосинтетического аппарата и к значительным нарушениям процессов роста и развития репродуктивных органов у пшеницы и повреждению корнеплодов у редиса (Т1к1ю1шгоу е1 а1, 2001; Ь'зЬакоуа ег а1, 2001).

Понижение интенсивности света во время воздействия повышенной температуры увеличивает степень повреждения растений. Так, исследование динамики газообмена ценоза редиса при повышении температуры воздуха до 45°С и пониженной интенсивности ФАР (50 Вт/м2) показывает, что уже через 4 часа воздействия началось значительное повреждение метаболических процессов. В репарационный период растения были не способны полностью восстановить интенсивность видимого фотосинтеза до исходного уровня, даже через 24 часа она составляла 40% от исходного значения. Длительная экспозиция (до 20 часов) исследуемых растений при температуре воздуха 35°С приводила к обратимым изменениям метаболических процессов вне зависимости от исследованных интенсивностей света (Tikhomirov et al, 2001; Ushakova et al, 2001).

В работе Заворуевой и Ушаковой (2004) ценозы 14-дневных растений пшеницы (Triticum aestivum L.) и редиса (Raphanus sativus var. minor) были подвергнуты воздействию повышенной температуры 35°С в течение 20 ч и 45 °С - в течение 7 ч при различных уровнях ФАР. На основании измерений внешнего СОг-газообмена и показателей медленной индукции флуоресценции хлорофилла было показано, что вне зависимости от уровня освещенности экспозиция ценозов растений пшеницы при 35°С не приводила к необратимым изменениям их фотосинтетического аппарата. Минимальное повреждение ценозов пшеницы и редиса под воздействием температуры 45°С

л

наблюдали при 150 Вт/м ФАР, а максимальное - при уровнях освещенности, близким к компенсационной точке фотосинтеза ценозов (50-70 Вт/м ФАР). (Заворуева, Ушакова, 2004).

Таким образом, при переходе от клеточного, к организменному и ценотическому уровням, увеличивается время начала повреждения. Например, время действия повышенной температуры на изолированные хлоропласты - 5 мин (Yamane et al, 1997; Bukhov et al, 1999). В работах, по воздействию повышенной температуры на уровне листа длительность

воздействия колеблется от 5 мин до 1 часа (Беликов, Мелехов, 1972, 1975), и до 24 ч в работе (Тихомирова, 1979). На уровне ценоза длительность воздействия повышенной температуры, приводящей к повреждениям увеличивается до 5 ч (Сариева и др, 2010) и до 7 ч (Tikhomirov et al, 2001; Ushakova et al, 2001).

В экспериментах на растениях алоказии на уровне листа и на уровне целого растения реакция отдельных листьев на повышенную температуру была аналогична, однако устойчивость целого растения была выше за счет того, что часть листьев выживала. Термоустойчивость у листьев растений алоказии A. Macrorrhiza L. при воздействии температуры 49°С, определенная методом флуоресценции на дисках, совпадала с температурой, при которой диски подвергали действию стрессора в условиях низкого освещения (20 мкмоль/м2*с или 4,3 Вт/м2 ФАР). Однако, при высоком уровне освещения (1600 мкмоль/м2 или 347,8 Вт/м2 ФАР) критическая температура, при которой наступал некроз, была ниже (42°С). (Koniger et al, 1997). Проведенные ранее эксперименты на целых растениях подтверждают результаты, полученные на дисках из листьев: растения были подвергнуты 3-часовому воздействию повышенных температур (42 - 46°С) при высоком уровне ФАР (1500 - 1650 мкмоль/м2*с или 326 - 358,7 Вт/м2). Часть листьев погибала, часть выживала, но появлялись некрозы. Выжившие листья были способны даже увеличить скорость фотосинтеза в оставшихся неповрежденных тканях (Mulkey and Pearcy, 1992).

1.3. Основные свойства и физиологические особенности растений

чуфы (Cyperus esculentus L.)

Растения чуфы (Cyperus esculentus L.) культивировали еще в Древнем Египте. Более 4х тысяч лет назад в области средиземноморского побережья, а именно в Валенсии, был обнаружен клубень земляного миндаля. В течение многих веков люди отмечают целебные и питательные ценности этого уникального продукта. Можно привести несколько интересных фактов из

истории этого продукта. Есть предположение, что разведением земляного миндаля занимались жители провинции Chuf в Судане ещё много тысяч лет назад, но в Валенсии почва оказалась более благоприятная: рыхлая и песчаная; вот таким образом чуфа (земляной миндаль) попала в Испанию (http://ru.wikipedia.org/wiki/Cyperus_esculentus). Это растение также используется в Аюрведе как лекарство и как косметическое средство (http://bestmusta.com/aboutbestmusta.html, http ://enchantingkerala. org/ayurveda/ayurvedic-medicinal-plants/kazhimuthanga.php).

В Японии растения чуфы (Cyperus esculentus L.) впервые были обнаружены в 1986 году. Считается, что чуфа была занесена в Японию семенами с импортным зерном из США и быстро распространилась благодаря высокой способности к колонизации, размножению и адаптации. Кроме того, остатки от надземной части и корней оказывают аллелопатический эффект, ингибируя рост соседних растений. Чуфа считается одним из самых злостных сорняков в мире, поэтому, многие исследования направлены на изучение способов борьбы с ней (Li et al, 2000, Halvorson, Guertin, 2003).

Клубни растений чуфы можно есть как сырыми, так и добавлять их в кондитерские изделия и готовить из них напитки, а надземную часть можно использовать на корм скоту

(http://phytodesign. itop.net/one_article. aspx?db=9&cat=5&fld=23&id=2043).

Рис. 3. Внешний вид растения чуфы (Сурегт еясЫеМш Ь.) в полевых

условиях

Чуфа (Сурегт езси1еШиз Е.) - растение из семейства осоковых, высотой до 90 см. Стебли тонкие прямые, растущие от клубней. Листья тонкие и жёсткие, шириной 3-10 мм. Размножается семенами и вегетативно, образуя на корнях большое число съедобных клубней длиной 15-20 мм, толщиной 5-10 мм, клубни - более значимый способ размножения. С наступлением холодов листья отмирают, а клубни (рис. 4) сохраняются. На рис. 3. представлен внешний вид этого растения в полевых условиях. Это растение широко распространено от южной Канады, в Северной Америке до Южной Европы и Африки, включая Мадагаскар. Встречаются по берегам рек и на болотах, местах, которые весной подтопляются водой, где мала конкуренция с другими видами (ЫаКюгБОп, СиеПт, 2003).

Чуфа, высаженная предварительно пророщенными клубнями, в первые 10 - 15 дней развивается медленно, затем начинает быстро куститься и образует большое количество узких, почти вертикально ориентированных листьев, хорошо использующих интенсивный свет. Основная масса клубней у чуфы начинает формироваться уже в возрасте 45—50 дней, но созревание их наступает позже — в 60 - 70 дней. При этом продолжают формироваться новые побеги и новые клубни (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

Проведенные опыты показали, что чуфа по хозяйственной продуктивности не уступает пшенице. Так, средняя продуктивность у пшеницы, выращенной при освещенности 120 - 150 Вт/'м2 ФАР, составляла 50,5 г/м2 в сутки (в сухом виде), в том числе съедобной биомассы 17,7 г/м2, а у чуфы - соответственно 50,6 и 27,6 г/м" (Шиленко и др. 1979; Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

Содержащееся в клубнях масло близко по качеству к оливковому и арахисовому. Клубни содержат 20—25% (на сухую массу) жиров и до 60% углеводов (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979; 1л е! а1, 2000). Количество сырого протеина в клубнях чуфы составляло 6 - 8% и практически не зависело от густоты посадки и сроков уборки растений. Аминокислотный анализ показал, что белки чуфы характеризуются низким содержанием незаменимых (кроме лизина) аминокислот, что понижает их пищевую ценность. Преобладающими аминокислотами являются аргинин (51% от общей суммы), аспарагиновая и глутаминовая кислоты (по 7%), лизин (6%). В расчете на белок лизина в чуфе примерно в 2 раза больше, чем в пшенице. Углеводы (без клетчатки) составляли 55—61% от сухой массы клубеньков. В зрелых клубнях преобладали полисахариды типа крахмала (40 - 49%), водорастворимые сахара составляли 7 - 15%. В недозрелых клубнях содержание Сахаров было значительно большим (за счет крахмала) (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

Заслуживает внимания и тот факт, что в клубнях чуфы содержится 6,2 мкг/г витамина В]) (против 3,7—6,1 в зерне пшеницы) и 5,7 мкг/г витамина В2 (в зерне пшеницы 0,6 - 3,7). Общее содержание липидов в клубнях чуфы составляло 19,3 - 21,8% на сухое вещество, за исключением недозревших клубней, у которых на долю липидов приходилось лишь 3%. Жиры чуфы представлены в основном омыляемой фракцией, которая у зрелых клубеньков составляет более 80%. В состав этой фракции входят три ненасыщенных и две насыщенных жирных кислоты. Из ненасыщенных кислот основной является олеиновая, на долю которой приходится 69-71% от общей суммы жирных кислот. Линолевая кислота, являющаяся эссенциальной, составляет 10% Относительное содержание пальмитолеиновой кислоты не превышает 0,5%. Насыщенные жирные кислоты представлены пальмитиновой (14—17%) и стеариновой (3,5%) (Шиленко и др., 1979; Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

Жирнокислотный состав молодых клубней чуфы характеризуется более высоким, чем у зрелых, относительным содержанием линолевой и пальмитиновой кислот, доля же олеиновой и стеариновой кислот у них ниже (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

На содержание жирных кислот влияет главным образом степень созревания клубеньков, а не густота посадки. Содержание в сухих клубеньках незаменимой линолевой кислоты составляет 3,0—3,3%. Следовательно, 150—200 г клубеньков чуфы могут полностью обеспечить суточную потребность человека в незаменимых жирных кислотах и в растительных жирах (Замкнутая система: человек - высшие растения, 1979).

В тестовых экспериментах по изучению возможности повышения степени замкнутости массообменных процессов в БСЖО, связанных с возвращением в массообмен несъедобной растительной биомассы, нами было показано, что наиболее приемлемым методом утилизации (из исследованных нами) растительных отходов является их физико-химическое окисление перекисью водорода в переменном магнитном поле (Tikhomirov et al., 2008). После такой обработки раствор с продуктами физико-химического окисления растительных отходов может быть использован для выращивания растений, обеспечив возврат в массобмен минеральных элементов, связанных в несъедобной растительной биомассе. В случае включения чуфы в состав растительного конвейера ее несъедобная биомасса также может быть подвергнута физико-химическому окислению с последующим внесением в питательный раствор. Вместо съедобной биомассы можно использовать минерализованные экзометаболиты человека, т.к. в экспериментах с выращиванием растений пшеницы методом гидропоники на керамзите и солеросов методом водной культуры нами была доказана возможность использования минерализованных зкометаболитов в качестве основы для приготовления питательных растворов (Tikhomirova et al., 2011).

Так как чуфа по типу фотосинтеза относится к С4- типу (Halvorson, Guertin, 2003), у нее должен быть более высокий температурный оптимум фотосинтеза, чем у растений С3- типа и более высокая устойчивость к действию повышенных температур. (Raghavendra and Sage, 2011). Основываясь на вышесказанном, учитывая адаптационные возможности чуфы и тот факт, что мы располагаем способом включения в массообменные процессы как несъедобной биомассы чуфы, так и экзометаболитов человека, важно знать как реакцию ценозов чуфы на действие повреждающих высоких температур воздуха в зависимости от условий минерального питания, так и оценить возможность повышения термоустойчивости за счет изменения интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР).

Заключение диссертации по теме «Физиология и биохимия растений», Шклавцова, Екатерина Сергеевна

ВЫВОДЫ

1. Воздействие повреждающей температуры воздуха в течение 44 ч при 150 Вт/м2 ФАР при поливе через каждые 6 ч приводило к необратимым повреждениям ФСА и отмиранию листьев растений чуфы. В дальнейшем рост растений возобновлялся за счет появления новых листьев.

2. Увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата в 2 раза за счет полива ценозов чуфы питательным раствором увеличивает термоустойчивость ценозов чуфы. Вне зависимости от интенсивности ФАР, воздействие температурой воздуха 45°С, как в течение 20 ч, так и в течение 44 ч, при регулярном поливе не приводило к значительным повреждениям фотосинтетического аппарата растений чуфы.

3. Выращивание ценозов чуфы на растворе минерализованных экзометаболитов человека снижало их термоустойчивость по сравнению с растениями, выращенными на растворе Кнопа. При выращивании на растворе минерализованных экзометаболитов человека с преимущественно нитратной формой азота повреждающее воздействие высокой температуры было меньше, чем при выращивании на растворах с аммонийной и амидной формами азота.

4. Повышение интенсивности ФАР во время действия повышенной температуры воздуха существенно увеличивало термоустойчивость ценозов чуфы. Степень увеличения термоустойчивости зависела от состава питательного раствора, на котором были выращены ценозы чуфы. Наиболее отзывчивыми на повышение интенсивности ФАР во время ТШ оказались ценозы чуфы, выращенные на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека с аммонийной и амидными формами азота.

5. Включение в состав БТСЖО растений чуфы позволит не только ввести в состав диеты экипажа растительные жиры высокого качества, но и существенно повысить термоустойчивость фотосинтезирующего звена, обеспечив, в определенных пределах, нормализацию газового состава воздушной среды при нарушении системы терморегулирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования реакции ценозов чуфы, сформированных в условиях интенсивной светокультуры, при постоянных оптимальных параметрах внешней среды, на длительное (до 44 ч) воздействие повреждающей температурой воздуха показали, что стресс у ценозов чуфы, в соответствии с теорией Селье, проходил в 3 фазы. Длительность фазы реакции продолжалась около 1-2 часов и мало зависела от условий минерального питания и интенсивности ФАР во время действия стресса. Длительность фазы реституции зависела как от условий минерального питания, так и от интенсивности ФАР во время стресса. Наиболее длительным период реституции был у ценозов чуфы, выращенных на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов и составлял примерно 8 ч, в то время как у ценозов, выращенных на растворе Кнопа, он составлял около 5 ч. Повышение интенсивности ФАР ускоряло процессы восстановления, а увеличение частоты периодического охлаждения корнеобитаемого субстрата за счет полива растений питательным раствором в сочетании с увеличением интенсивности ФАР значительно увеличивало термоустойчивость ценозов чуфы.

В дальнейшем, в фазе адаптации, в зависимости от условий проведения эксперимента, происходило или необратимое повреждение надземной части растений (в случае 44 ч стресса при регулярном поливе через 6 ч питательным раствором с температурой 18°С) или приспособление к новым светотемпературным условиям при регулярном поливе через 3 ч. При этом при 150 Вт/м2 ФАР у ценозов чуфы на растворе Кнопа через 20 ч ТШ интенсивность Рвид почти полностью вернулась к исходному значению, на растворе с минерализованными экзометаболитами преимущественно с нитратной формой N в растворе интенсивность Рвид составила 55% от исходной величины, а на растворе с аммонийной и амидной формами N была близка к 0. При 250 Вт/м2 ФАР интенсивность РВИд. стала фактически равна интенсивности Рвид. до стресса при 150 Вт/м ФАР у ценозов, выращенных на минерализованных экзометаболитах с аммоний и амидной формами азота, в остальных вариантах была выше исходных значений.

В ранее проведенных в Институте биофизики исследованиях по оценке термоустойчивости ценозов пшеницы и редиса было показано, что воздействие температурой воздуха 45°С в течение 20 ч приводило к необратимым повреждениям фотосинтетического аппарата и гибели растений. Ценозы этих растений оказались способны пережить температурный стресс без необратимых повреждений процессов роста и развития только в течение 7 ч (Ushakova, Tikhomirov, 2002). Таким образом, ценозы чуфы, как и предполагалось, имеют более высокую термоустойчивость по сравнению с ценозами пшеницы и редиса, выращенными в аналогичных условиях. Поэтому, в случае нарушения системы терморегуляции в процессе функционирования БТСЖО, ценозы чуфы позволят обеспечить нормализацию газового состава воздушной среды, а выращивание растений чуфы на растворах, приготовленных на основе минерализованных экзометаболитов человека, позволит повысить степень замыкания БТСЖО.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Шклавцова, Екатерина Сергеевна, 2012 год

Список цитируемой литературы.

1. Акимова Т.В. Балагурова Н.И., Титов А.Ф. Влияние локального прогрева на тепло-, холодо- и солеустойчивость клеток листа и корня растений. // Физиология растений, 1999. - Т.46. - № 1. - С. 119 - 123.

2. Алехина Н.Д. Физиология растений: Учебник для вузов/ Н.Д Алехина, Ю.В. Балнокин, В.Ф. Гавриленко и др.: - М.: Академия, 2005. -С.530 - 550.

3. Альтергот В.Ф. Действие повышенных температур на растения. // Известия Академии Наук СССР, Серия биологическая, 1963. - С. 57 - 73.

4. Альтергот В.Ф. Действие повышенной температуры на растение в эксперименте и природе. М: Наука, 1981. - 56 с.

5. Альтергот В.Ф., Зубкус О.П. Энергообмен и синтетическая способность пшеницы, поврежденной избытком тепла, в связи с репарирующей способностью корня. // Физиология адаптации растений к температурным условиям среды. / Под ред. В.Ф. Альтергота. -Новосибирск: Наука, 1982. - С. 18 - 25.

6. Барабой В.А. Механизмы стресса и перекисное окисление липидов. // Успехи современной биологии, 1991.-Т. 111,-вып.6. - С. 923 - 931.

7. Беликов П.С., Мелехов Е.И. Реактивация фотосинтеза в условиях действия и последействия супероптимальных температур. // Физиология растений, 1980. Т.27. - вып. 4. - С. 855 - 861.

8. Беликов П.С., Мелехов Е.И. Временной ход фотосинтеза у листа фасоли в условиях прогрева различной продолжительности. // Физиология растений, 1972. Т. - 19. - вып. 6. - С. 1193 - 1197.

9. Беликов П.С., Мелехов Е.И.Типы кривых временного хода фотосинеза и их зависимость от силы и длительности прогрева листа. // Физиология растений, 1975. - Т. 22. - вып. С. 466.

10.Биохимия растений / Под ред. Чл.-корр. АН СССР В.Л. Кретовича. -М.: Мир,1968. - С. 262 - 268.

П.Гречкин А.Н., Королев О.С., Курамшин P.A. и др. Новый физиологически активный продукт окисления линолеата в гомогенате листьев гороха - 12-оксидодец-9г-еновая кислота. // Докл.АН СССР, 1987.-Т. 297. -№5. - С. 1257

12.Гречкин А.Н., Кухтина Н.В., Курамшин P.A. и др. Метаболизация [1-14С] коронаровой и [1-14С] верноловой кислот в гомогенате эпикотилей гороха. // Биоорганич. Химия, 1990. - Т.16. - №3. - С. 413 - 418.

13.Гречкин А.Н., Курамшин P.A., Ефремов Ю.А. и др. Новые продукты окисления а-линоленовой кислоты липоксигеназой из клубней картофеля. // Докл.АН СССР, 1990. - Т. 314. - №5. - С. 1247 - 1249.

14.Гречкин А.Н., Курамшин P.A., Тарчевский И.А. Образование нового а-кетола гидропероксиддегидразой из семян льна. // Биоорганич. Химия, 1991.-Т. 17.-№ 7.-С. 997-998.

15.Гречкин А.Н. Пути образования октадеканоидов в высших растениях: Автореф.дис. ... д-ра хим. наук. М.: 1992. - 39 с.

16.Гречкин А.Н., Тарчевский И.А. Липоксигеназная сигнальная система. // Физиология растений, 1999. - Т. 46. - № 1. - С. 132-142.

17.Дроздов С.Н., Курец В.К. Титов А.Ф. Терморезистентность активно вегетирующихрастений. — Л.: 1984. — 168 с.

18.Жиров В.К., Мерзляк М.Н., Кузнецов Л.В. Перекисное окисление мембранных липидов холодостойких растений при повреждении отрицательными температурами // Физиология растений, 1982. - Т. 29. -С. 1045-1053.

19.3аворуева E.H., Ушакова С.А. Оценка термоустойчивости растений при разных уровнях освещенности методами медленной индукции флуоресценции хлорофилла и С02 - газообмена. // Физиология растений, 2004. - Т 53. - №3. - С. 1 - 8.

20.Замкнутая система: человек - высшие растения / Под ред. Г.М. Лисовского. Новосибирск: Наука, 1979. - С. 50-51.

21.Калачева Г.С., Жила Н.О., Волова Т.Г. Липиды зеленой водоросли Botryococcus в ходе стадийного развития в периодической культуре // Микробиология, 2001. - Т. 70. -№3. - С. 305-312.

22.Каллимулина В.Ф. Влияние непрерывного и прерывистого действия повышенной температуры на ультраструктуру хлоропластов пшеницы. // Физиология адаптации растений к температурным условиям среды. / Под ред. В.Ф. Альтергота. - Новосибирск: Наука, 1982.-С.5-18.

23.Каримова Ф.Г., Тарчевский H.A., Мурсалимова Н.У., Гречкин А.Н. Влияние продукта липоксигеназного метаболизма -12-гидроксидодеценовой кислоты на фосфорилирование белков растений. //Физиология растений, 1999. - Т.46. - №1. - С.148-152.

24.Коваль С.Ф. Растение в опыте. С.Ф. Коваль, В.П. Шаманин. Омск: ИЦиГ СО РАН, ОмГАУ, 1999. - 204 с.

25.Косулина Л.Г., Луценко Э.К., Акимова В.А. Физиология устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды. - Ростов-на-Дону: Ростовский университет, Под ред. Мокроносова А.Т. 1993. - 240 с

26.Коровин А.И. Роль температуры в минеральном питании. Л: Гидрометеоиздат, 1972. -281 с.

27.Кузнецов В.В., Старостенко, Н.В. Ситез белков теплового шока и их вклад в выживание интактных растений огурца при гипертермии // Физиология растений, 1994. - Т 41. - № 3. - С. 374 - 380.

28.Кузнецов В.В. Физиология растений: Учебник для вузов / В.В. Кузнецов, Г.А. Дмитриева: - М.: Высшая школа, 2005. - С. 674 - 687.

29.Кузнецов В.И. Усовершенствование метода определения серы в растительных объектах по Шенигеру / В.И. Кузнецов, H.H. Басаргин, Л.Г. Мясищева // Агрохимия, 1968. - № 3. - С. 134-137.

30.Курганова Л.Н, Веселов А.П., Синицына Ю.В., Еликова Е.А. Продукты перекисного окисления липидов как возможные посредники между

воздействием повышенной температуры и развитием стресс-реакции у растений // Физиология растений, 1999. - Т 46. - №2. - С. 218 - 222.

31.Лукаткин A.C., Голованова B.C. Перекисное окисление липидов у теплолюбивых растений. // Физиология растений, 1988. - Т.35. - вып. 4. - С.773 - 780.

32.Лукаткин A.C. Холодовое повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. Саранск.: Изд-во Мордовского ун-та, 2002. -208 с.

33.Мелехов Е.И., Долгих Т.А., Беликов П.С. Временной ход фотосинтеза в условиях быстрого и медленного нагрева. // Физиология растений, 1979.-Т. 26.-С. 167-172.

34.Мокроносов А. Т. Фотосинтез. Физио лого-экологические и биохимические аспекты: учебник для студ. вузов / А.Т. Мокроносов, В.Ф. Гавриленко, Т.В. Жигалова; под ред. И.П. Ермакова. - 2-е изд., испр.и доп. - М. : Издательский центр «Академия», 2006. - С. 132 -133.

35.Мурей И.А. Влияние загущения посевов томата на рост и водный режим стеблей и корней. // Физиология растений, 1975. - Т.22. - №4. -

г* о 1 с. оос О I U — OiJ.

36.Мурей И.А. Зависимость площади листьев растений в посеве от величины ценотического действия. // Физиология растений, 1976. - Т. 23. -№3. - С. 588-592.

37.Мурей И.А., Шульгин И.А. Составляющие баланса истинного фотосинтеза томатов в период вегетативной фазы их роста. // Физиология растений, 1977. - Т. 24. - №6. - С. 1140 - 1147.

38. Пащенко В.Н., Мурей И. А., Ничипорович A.A. Исследование физиологических особенностей томатов в зависимости от интенсивности света, концентрации элементов минерального питания и

ценотического взаимодействия растений. // Физиология растений, 1971. -Т 18. - №6. - С. 1134-1141.

39.Пешкова В.М. Практическое руководство по спектрофотометрии и колориметрии. В.М. Пешкова, М.И. Громова. - М.: МГУ, 1961.-173 с.

40.Плешков Б.П. Биохимия сельскохозяйственных растений. - 5-е изд., доп. и перераб. - М.: Агропромиздат, 1987. - С. 254 - 256.

41.Попов В. Н., Антипина О. В., Трунова Т. И. Перекисное окисление липидов при низкотемпературной адаптации листьев и корней теплолюбивых растений табака. // Физиология растений, 2010. - Т.57. -№ 1. - С.153-156

42.Полевой В.В. Физиология растений: Учеб. Для биол.спец.вузов. -Высш. шк., 1989. - С.414 - 424.

43.Полуэктов Н.С. Методы анализа по фотометрии пламени. Н.С. Полуэктов - М.: Химия, 1959. - 230 с.

44.Полесская О.Г. Растительная клетка и активные формы кислорода: учебное пособие / О. Г. Полесская; Под ред. И. П. Ермакова. - М: КДУ, 2007. - 140с.

45.Починок Х.Н. Методы биохимического анализа растений. - Киев:

тт.,,.1 тс ~

±±ауiwioci д^млй, 1 у / и. — jjt

46.Рубин А.Б., Венедиктов П.С., Кренделева Т.Е., Пащенко В.З. Регуляция первичных стадий фотосинтеза при изменениях физиологического состояния растений // Фотосинтез и продукционный процесс // Под ред. член-корр. Ничипоровича A.A.: М.: Наука, 1988. - С.29-39.

47.Рубин А.Б. Принципы организации и регуляции первичных процессов фотосинтеза. // Тимирязевские чтения. ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. - 38 с.

48.Сариева Г. Е., Кенжебаева, С.С., Лихтенталер X. К. Адаптационный потенциал фотосинтеза у сортов пшеницы с признаком «свернутый лист» при действии высокой температуры. // Физиология растений, 2010.-Т. 57. — №1. - с. 32-41.

49.Славин В. Атомно-абсорбционная спектроскопия. Л.: Химия, 1971. -296 с.

50. Светокультура растений: биофизические и биотехнологические основы. Учеб. Пособие. / Тихомиров А. А., Шарупич В. П., Лисовский Г.М.. - Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 2000. - С. 23-33.

51.Семихатова O.A. Энергетика дыхания растений при повышенной температуре. Л.: Наука, 1974. - 112 с.

52.Семихатова O.A. Энергетика дыхания растений в норме и при экологическом стрессе. Л.: Наука, 1990. - 73 с.

53.Тарчевский И.А. Регуляторная роль деградации биополимеров и липидов. Физиология растений, 1992. - Т. 39. - № 6. - С. 1215 - 1223.

54.Тарчевский И.А. Катаболизм и стресс у растений. М.: Наука, 1993. - 83 с

55.Тарчевский И.А. Метаболизм растений при стрессе. Избранные труды. Изд."Фэн" (Наука). Казань, 2001. - 448 с.

56.Тарчевский_И.А. Процессы деградации у растений // Соросовский образовательный журнал, 1996. - № 6. - С. 13-19.

57.Титов А.Ф. Устойчивость растений в начальный период действия неблагоприятных температур. / Титов А.Ф., Акимова Т.В., Таланова

B.В., Топчиева Л.В.; под ред. Н.Н.Немова; Институт биологии КарНЦ РАН. - М: Наука, 2006. - 143 с.

58.Тихомиров A.A., Сидько Ф. Я. Состояние пигментного аппарата и формирование структуры ценозов редиса в связи с их продуктивностью при различной интенсивности и спектре излучения. // Физиология растений, 1989. - Т. 29. - №3. - С. 457 - 463.

59.Тихомирова Е.В. Влияние повышенной температуры на глутаминсинтетазную активность, содержание белка, аммиачного и амидного азота у овса. // Физиология растений, 1979. - Т 26. - вып. 1. -

C. 174- 178.

60.Тооминг Х.Г. Оптимальная фотосинтетическая деятельность посевов при ценотическом взаимодействии растений. // Физиология растений, 1982, Т.29, №5, С. 964-971.

61.Тамметс Т.Х., Тооминг Х.Г. Функциональность архитектуры фитоценозов. // Физиология растений, 1985. Т. 32, №4, С. 629 - 635.

62.Тооминг X. Г. Солнечная радиация и формирование урожая. -Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. - 169 с.

63.Тооминг Х.Г. Экологические принципы максимальной продуктивности посевов. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. - 261 с.

64.Шиленко М.П, Лисовский Г.М., Трубачев И.Н. Чуфа (Cyperus esculentus) как источник растительных жиров в замкнутой системе жизнеобеспечения. // Космическая биология и авиакосмическая медицина, 1979. - Т. 5. - С. 70-73.

65.Якушкина Н. И. Физиология растений. -М.: Просвещение, 1993.

66.Ясар Ф., Элиальтиглу С., Ильдис К. Действие засоления на антиокислительные защитные системы, перекисное окисление липидов и содержание хлорофилла в листьях фасоли. // Физиология растений, 2008. - Т.55. - № 6. - С.869-873.

67.Al=Khatib К. and Paulsen G. М. High-Temperature Effects on Photosynthetic Processes in Temperate and Tropical Cereals. // Crop science, 1999. - V. 39. - P. 119-125.

68.Belkhodja R., Morales F., Abadia A., Medrano H. and Abadia J. Effects of salinity on chlorophyll fluorescence and photosynthesys of barley (Hordeum vulgare L.) grown undera triple-line-source sprinkler system in the field. // Photosynthetica, 1999. - V. №. 3. - P. 375 - 387.

69.Bukhov N.G., Christian Wiese, Spidol Neimanis &Ulrich Heber. Heat sensitivity of chloroplasts and leaves: Leakage of protons from thylakoids and reversible activation of cyclic electron transport. // Photosynthesis Research, 1999. -V. 59. - P. 81-93.

70.Camejo D, Rodríguez P, Morales M.A, DeH'Amico J.M, Torrecillas A, Alarcón JJ. High temperature effects on photosynthetic activity of two tomato cultivars with different heat susceptibility. // J Plant Physiol, 2005. -V.162. - P. 281-289.

71.Cajanek M., Stroch M., Lachetova I., Kalina J., Sprunda V. Characterization of the photosystem II inactivation of heat-stressed barley leaves as monitored by the various parameters of Chlorophyll a fluorescence and delayed fluorescence. // J. Photochem. Photobiol. B. Biol., 1998. - V. 47. -P. 39-45.

72.Cheeseman J. M. Hydrogen Peroxide and Plant Stress: A Challenging Relationship. // Plant Stress Global Science Books, 2007. - V. 1. - P. 4-15.

73.Ducrubt J. M. Relation between the heat-indused increase ofFO fluorescence and a shift in the electronic equilibrium at the acceptor side of photosystem 2. // Photosynhetica, 1999. - V. 37. - №2. - P. 335 - 338.

74.Cheniae GM and Martin IF Site and function of manganese within Photosystem II. Role in 02 evolution and system II. // Biochim. Biophys. Acta, 1970. -V. 197. - P. 219-239.

75.Gitelson I.I., Lisovsky G.M. Manmade Closed Ecological Systems. London -NY: Tailor & Francis, 2003. - P. 403.

76.Gounaris K, Brain ARR, Quinn PJ and Williams W.P. Structural and functional changes associated with heat-induced phase-separations of non-bilayer lipids in chloroplast thylakoid membranes. // FEBS Lett, 1983. - V. 153. - P. 47-52

77.Gounaris K., Brain A. P., Quinn P.J. and Williams W. Structural reorganization of chloroplast thylakoid membranes in response to heat stress. //Biochim. Biophys. Acta, 1984. -V. 766. - P. 198-208.

78.Guo Yan-Ping, Zhou Hui-Fen , Zhang Liang-Cheng. Photosynthetic characteristics and protective mechanisms against photooxidation during

high temperature stress in two citrus species. // Scientia Horticulturae, 2006. -V. 108.-P. 260-267.

79.Dat J., Vandenabeele S., Vranova E., Van Montagu M., Inze D., Van Breusegem F. Dual action of the active oxygen species during plant stress responses. // Cellular and Molecular Life Sciences, 2000. - V. 57. - P.779 -795.

80.Dai Z., Maurice S., Ku. B. and Edwards C. E. C4 Photosynthesis. The Effects of Leaf Development on the CC^-Concentrating Mechanism and Photorespiration in Maize. // Plant Physiol., 1995. - V. 107. - P. 815-825.

81.De Las Rivas J., Barber J., Structure and thermal stability of photosystem II reaction centers studied by infrared spectroscopy. // Biochemistry, 1997. -V. 36.-P. 8897-8903.

82.De Ronde J.A. D., Cress W.A., Kruger G.H.J., Strasser R.J., Staden J.V., Photosynthetic response of transgenic soybean plants containing an Arabidopsis P5CR gene, during heat and drought stress. // J. Plant Physiol., 2004.-V. 61.-P. 1211-1244.

83.Halvorson W.L., Guertin P. USGS Weeds in the West project: Status of Introduced Plants in Southern Arizona Parks. Factsheet for: Cyperus esculentus L. U.S. Geological Survey or Southwest Biological Science Center, 2003.

84.1turbe-0rmaetxe I., Escuredo P. R., Arrese-Igor C, and Becana M. Oxidative damagein pea plants exposed to water deficit or paraquat. // J. Plant Physiol., 1998.-V. 116.-P. 173-181.

85.Jiang M. and Zhang J. Effect of abscisic acid on active oxygen species, antioxidative defence system and oxidative damage in leaves of Maize seedlings. //Plant Cell Physiol., 2001. -V. 42. - P. 1265 - 1273.

86.Karim Md.A., Fracheboud Y. and Stamp P. Photosynthetic activity of developing leaves of Zea mays is less affected by heat stress than that of developed leaves.//Physiologiaplantarum., 1999.-V. 105.-P. 685-693.

87.Katoh S. and San Pietro A. Ascorbate-supported NADP photoreduction by heated Euglena chloroplasts. // Arch. Biochem Biophys., 1967. - V. 122. -P. 144-152.

88.Kalacheva G.S., Gubanov V.G., Gribovskaya I.V., Gladchenko I.A., Zinenko G.K., Savitsky S.V. Chemical analysis of lake Shira water (19972000) // Aquat. Ecol., 2002. - V. 36. - P. 123-141

89.Kepova K.D., Holzer R., Stoilova L.S., Feller,U. Heat stress effects on ribulose-l,5-bisphosphate carboxylase /oxygenase, Rubisco bindind protein and Rubisco activase in wheat leaves. // Biol.Plant., 2005. - V. 49. - P. 521— 525.

90.Koniger M., Harris G. C., Pearcy R. W. Interaction between photon flux density and elevated temperatures on photoinhibition in Alocasia macrorrhiza. // Planta, 1998. - V. 205. - P. 214 - 222.

91.Kudenko Yu.A., Gribovskaya I.A., Zolotukchin I.G. Physical-Chemical treatment of wastes: a way to close turnover of elements in LSS, J. // Acta Astronautica, 2000. -V. 46. -P 585-589.

92.Kolber Z. S., Prasil O., Falkowski P. G. Measurements of variable chlorophyll fluorescence using fast repetition rate techniques: defining methodology and experimental protocols. // Biochimica et Biophysica Acta, 1998.-V. 1367.-P. 88-106

93.Kouril R., Lazar D., Ilik P., Skotnica J., Krchnak P. & Naus J. High-temperature induced chlorophyll fluorescence rise in plants at 40-50°C: experimental and theoretical approach. // Photosynthesis Research, 2004. -V. 81.-P. 49-66.

94.Larcher W., Wagner J. and Lutz C. The effect on photosynthesis, dark respiration and cellular ultrastructure of arctic-alpine psychrophyte Ranunculus glacialis L. // Photosynthetica, 1998. - V. 34. - №. 2. - P. 219 -232.

95.Lazar D. Review. Chlorophyll a fluorescence induction. // Biochimica et Biophysica Acta, 1999. - V. 1412. - P. 1 - 28.

96.Lootens P. and Vandercastee P. A cheap chlorophyll a fluorescence imaging system. // Photosyntetica, 2000. - V. 38. - №1. - P. 53 - 56.

97.McDonald G.K. and Paulsen G.M. High temperature effects on photosynthesis and water relations of grain legumes. // Plant and Soil, 1997. -V. 196.-P. 47-58.

98.Ming-Xian J. I. N., De-Yao L.I. and Hualing M.I. Effects of high temperature on chlorophyll fluorescence induction and the kinetics of far red radiation-induced relaxation of apparent F0 in maize leaves. // Photosynthetica, 2002. - V. 40. - №4. - P. 581 - 586.

99.Mishra R. K. and Singhal G. S. Function of Photosynthetic Apparatus of Intact wheat leaves under high light and heat stress and its Relationship with peroxidation of thylakoid lipids. // Plant Physiol, 1992. - V. 98. - P. 1 - 6.

100. Mulkey S. S., Pearcy R. W. Interactions between acclimation and photoinhibition of photosynthesis of a tropical forest understorey herb, Alocasia macrorrhiza, during simulated canopy gap formation. // Funct Ecol., 1992. - V. 6. — P. 719 - 729

101. Nicotra A. B., Cosgrove M. J., Cowling A., Schlichting C. D., Jones C. S. Leaf shape linked to photosynthetic rates and temperature optima in South African Pelargonium species. // Oecologia, 2008. - V. 154. - P. 625635.

102. Pospisil P, Skotnica J., Naus J. Low and high temperature dependence of minimum F0 and maximum Fm chlorophyll fluorescence in vivo. // Biochimica et Biophysica Acta, 1998. - V. 1363. - P. 95-99

103. Pospisil P.& Tyystjarvi 1E. Molecular mechanism of high-temperature induced inhibition of acceptor side of Photosystem II. // Photosynthesis Res., 1999.-V. 62. P. 55-66.

104. Raghavendra A. S and Rowan F. Sage (eds.). C4 Photosynthesis and Related CO2 Concentrating Mechanisms. Springer Science+Business Media B.V., 2011.-P. 161-195.

105. Rohacek K., Bartak M. Technique of the Modulated Chlorophyll Fluorescence: Basic Concepts, Useful Parameters, and Some Applications // Photosynthetica, 1999. - V. 37. - P. 339-363.

106. Schmidt A. and Kunert K. J. Lipid peroxidation in higher plants.The role of glutathione reductase. // Plant Physiol, 1986. - V. 82. - P. 700-702

107. Stankovic. B. & baric-stankovic. A. Molecular ecology of the plant adaptation to high temperatures. // ekol. Zast. Zivot. Sred, 1997. - V 5. - № l.-P. 11-19.

108. Tikhomirov A.A., Ushakova S.A. Manipulating light and temperature to minimize environmental stress in the plant component of bioregenerative life support systems // Adv. Space Res., 2001. - V. 27, №. 9. - P. 15351539

109. Tikhomirov A.A., Ushakova S.A., Velichko V.V., Zolotukhin I.G., Shklavtsova E.S., Lasseur Ch., Golovko T.K. Estimation of the stability of the photosynthetic unit in the bioregenerative life support system with plant wastes included in mass exchange // Acta Astronautica., 2008. - V.63. -P.llll- 1118

110. Tikhomirova N.A., Ushakova S.A., Kudenko Yu.A. et al. Potential of salt-accumulating and salt-secreting halophytic plants for recycling sodium chloride in human urine in bioregenerative life support system // Adv. Space Res., 2011. - V. 48. - P. 378 - 382.

111. Todorov, D.T., Karanov, E.N.;Smith, A.R.;Hall, M.A. Chlorophyllase Activity and Chlorophyll Content in Wild Type and eti 5 Mutant of Arabidopsis thaliana Subjected to Low and High Temperatures. // Biologia Plantarum, 2003. - V. 46. - P. 633 - 636.

112. Ushakova S., Tikhomirov A., Shikhov V. et al. Increased BLSS closure using mineralized human waste in plant cultivation on a neutral substrate // Advances in Space Research, 2009. - V. 44. - №8. - P. 971978.

113. Ushakova S.A., Tikhomirov A.A. Tolerance of LSS Plant Component to Elevated Temperatures // Acta Astronáutica, 2002. - V. 50. - №. 12. - P. 759 - 764

114. Van Kooten O., Snel J.F. The Use of Chlorophyll Fluorescence Nomenclature in Plant Stress Physiology // Photosynth. Res., 1990. - V. 25. -P. 147-150.

115. Velichkova M. and Fedina L. Response of photosynthesis of Pisum sativum to salt stress as affected by methyl jasmonate // Photosynthetica, 1998. - V. 35. - №. 1. - P. 89 - 97.

116. Wahid A., Ghazanfar A. Possible involvement of some secondary metabolites in salt tolerance of sugarcane // Journal of Plant Physiology, 2006.-V. 163.-P. 723-730.

117. Wahid A., Gelani S., Ashraf M., Foolad M.R. Heat tolerance in plants: An overview. // Environmental and Experimental Botany, 2007. - V. 61. -p 199-223.

118. Yamane Y., Kashino Y., Koike H. & Satoh K. Effects of high temperatures on the photosynthetic systems in spinach: Oxygen-evolving activities, fluorescence characteristics and the denaturation process. // Photosynthesis Research, 1998. -V. 57. - P. 51-59.

119. Yamane Y., Shikanai T., Kashino Y., Koike 1 H. & Satoh K. Reduction of Qa in the dark: Another cause of fluorescence Fo increases by high temperatures in higher plants. // Photosynthesis Research, 2000. - V. 63.-P. 23-34.

120. Yamashita S and Butler WL Inhibition of chloroplasts by UV-irradiation and heat treatment. // Plant Physiol., 1968. - Vol. 43. - P. 20372040.

121. http://ru.wikipedia.org/wiki/Cyperus_esculentus

122. http ://bestmusta. com/ aboutbestmusta.html

123. http ://enchantingkerala. org/ayurveda/ ayurvedic-medicinal-plants/kazhimuthanga.php

124. http://phvtodesign.itop.net/one article.aspx?db=9&cat=5&fld=23&id =2043