61-1Работу «Влияние дополнительного ультрафиолетового излучения в условиях глобального потепления на растения гороха посевного (Pisum sativum субсидировал Шведский научно-исследовательский совет лесоводства и сельского хозяйства. Почему сегодня эта тема актуальна? Ответ прост. С каждым годом количество ультрафиолетовой радиации, достигающей поверхности Земли, увеличивается в связи с утоньшением озонового слоя атмосферы.
Напомним также, что ультрафиолетовое излучение в высоких дозах является сильнейшим мутагеном. Воздействуя на ДНК, оно способно вызвать множество необратимых резких изменений в клетках человека и растений. (Опубликовано в №2.2010г.)


В предыдущих номерах журнала мы рассказывали, что флуориметры активно используются в научных исследованиях. Насколько важны эти приборы в науке, облегчая и упрощая проведение многих анализов, подтверждают следующие исследования команды ученых из Швеции и Австралии (Ake Strid, Wah Soon Chow, Jan M. Anderson).

Растения под ультрафиолетом

Работу «Влияние дополнительного ультрафиолетового излучения в условиях глобального потепления на растения гороха посевного (Pisum sativum субсидировал Шведский научно-исследовательский совет лесоводства и сельского хозяйства. Почему сегодня эта тема актуальна? Ответ прост. С каждым годом количество ультрафиолетовой радиации, достигающей поверхности Земли, увеличивается в связи с утоньшением озонового слоя атмосферы вследствие техногенных процессов. На поверхности Земли возрастает уровень излучения в диапазоне длин волны от 280 до 320 нм, к участку ультрафиолетовой области спектра, обозначаемому как «УФ-Б радиация». Именно озон поглощает практически всю УФ-радиацию, которая является одним из сильнейших стрессовых факторов окружающей среды. И понимание того, каким образом живые организмы реагируют на него, позволит оценить опасность ее воздействия. Каждый вид растения неодинаково реагирует на повышение уровня ультрафиолетового излучения. Например, у пшеницы замедляется рост, она плохо кустится, почти не образует колосья. У картофеля побеги растут небольшие, уменьшается площадь листьев. При этом эффект воздействия УФ-Б радиации зависит от фазы роста растений. Наибольшая чувствительность к действию радиации отмечается при переходе растения от вегетативной к репродуктивной фазе. Происходят изменения в работе гормональной системы растений: образуются растения с заторможенным ростом, плохой окраской, нарушается формирование листового аппарата. Это отражается и на функционировании их фотосинтетического аппарата, а значит – на продуктивности культур. В условиях глобального потепления влияние ультрафиолетового солнечного излучения на растения может меняться (усиливая или ослабляя негативное воздействие).
Напомним также, что ультрафиолетовое излучение в высоких дозах является сильнейшим мутагеном. Воздействуя на ДНК, оно способно вызвать множество необратимых резких изменений в клетках человека и растений. А повышение уровня мутаций в растительных клетках мешает сохранению генофонда живых организмов.

Флуориметр-эксперт

В качестве материала для изучения зависимого и независимого от температуры влияния дополнительной УФ-Б радиации на свойства растения использовались отделенные листья Pisum sativum (гороха посевного). Ученые исследовали, какие физиологические реакции происходят в клетках гороха, если уровень ультрафиолетового излучения будет постоянно увеличиваться, а температура повышаться. Что в таких условиях будет происходить с растениями гороха? Существенно ли изменится продуктивность культуры? Ответить на эти вопросы команда ученых смогла, используя портативный флуориметр Hansatech. Результаты показали, что дополнительное ультрафиолетовое излучение вызывает снижение интенсивности флуоресценции хлорофилла (Fv/Fm), а значит – фотосинтеза и при 2°С и при 22° C (примерно на 20 и 2% соответственно); вероятно, причина этого – прямое взаимодействие УФ-Б лучей с хлоропластами (растительные пигменты, где проходит фотосинтез у растений), поскольку дополнительного снижения 62-1интенсивности фотосинтеза (по показателям Fv/Fm на флуориметре) не наблюдалось, когда листья при той же температуре не подвергались дополнительному облучению ультрафиолетом (рис.). Ученые пришли к выводу, что обратное охлаждение листьев гороха от 22 °C до 2°С делает горох более уязвимым к действию ультрафиолетовых Б-лучей.
Повышенная чувствительность отражает-
ся показателями на флуориметре F0 и Fy/
Fm.
Охлаждение вызывает ослабление защитных механизмов неспособность противостоять негативному воздействию ультрафиолета

Снижение показателей Fy/Fm указывает на то, что уменьшается количество центров в растении, которые улавливают необходимые для фотосинтеза солнечные лучи. А увеличение показателя F0 свидетельствует о сбое в процессе образования новых органических веществ. Охлаждение, вероятно, вызывает ослабление защитных механизмов в растении и неспособность противостоять негативному воздействию ультрафиолета. Кроме того, нарушения, вызываемые УФ-Б радиацией, являются результатом физических процессов, поскольку разрушение фотосистемы (составляющей процесса фотосинтеза) не наблюдается в темноте.

Мутации предпочитают свет

Динамика изменения на флуориметре показателя tl/2 (показатель движения электронов) под действием УФ-Б радиации продемонстрировала существенную зависимость движения электронов от температуры. Вывод таков: УФ-Б радиация вызывает в листьях гороха химические реакции, которые в свою очередь вызывают мутации. Дополнительное 4-часовое облучение УФ-Б лучами привело к 75%-ному снижению показателя t1/2 при 22°C, тогда как изменения при 2°C были значительно меньше (<50%), то есть в условиях потепления нужно ожидать значительного повышения количества мутаций в растениях гороха посевного.

Флуоресценция хлорофилла

Влияние 4-часового дополнительного облучения УФ-Б радиацией растений гороха на показатели флуоресценции хлорофилла Fv/Fm (=(Fm – F0) Fm-1).
Температура 22°C вызывает лишь небольшое снижение показателей (небольшое уменьшение продуктивности гороха – колонки 2 и 3). 4-часовое удерживание в темноте (без воздействия солнечных лучей) после облучения УФ-Б радиацией не повлияло на показатели Fv/Fm (показатели урожайности тоже не изменились – колонка 7). И наоборот: когда горох облучали ультрафиолетом при 2 °C, получили снижение показателей Fv/Fm на 25-30%, что со временем дало 30%-ное снижение продуктивности гороха (колонки 4 и 5). Если после этого горох поместить в темное помещение при температуре 22 °С на 4 часа, то никакого возобновления интенсивности прохождения процессов фотосинтеза наблюдаться не будет (колонки 9 и 11).
Как следует из опыта, увеличение уровня ультрафиолетового излучения и повышение температуры приводят к снижению продуктивности гороха посевного и других близких культур. Повышение среднесуточной температуры может привести к ослаблению защитных механизмов, что в свою очередь может сказаться на уровне конкурентоспособности и количестве болезней растений гороха посевного. Увеличение количества ультрафиолетовой радиации нарушает образование липидного шара, который является своеобразным защитным барьером растений от проникновения не только вредоносных лучей, но и некоторых патогенных организмов. Результаты анализа генетической структуры клеток гороха посевного подтвердили выводы о его продуктивности.
Увеличение уровня УФ-излучения и повышение температуры снижают продуктивности гороха посевного и других культур
Рис. Влияние дополнительного ультрафиолетового излучения на показатели интенсивности флуоресценции хлорофилла в листьях гороха
С – листья освещались при помощи естественного освещения;
UV – листья подвергались дополнительному ультрафиолетовому
облучению.

Эйк Стрид, Ва Сун Чоу, Ян Андерсон