Автореферат (Люминесцентные показатели листьев растений в зависимости от антропогенных экологических факторов)

На правах рукописиУДК 577.355Францев Владимир ВладимировичЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙВ ЗАВИСИМОСТИ ОТ АНТРОПОГЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХФАКТОРОВ03.00.02 – биофизика03.00.16 – экологияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета им.

М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук,профессор Владимир Александрович Караваевкандидат физико-математических наук,доцент Михаил Константинович СолнцевОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор Валерий Алексеевич Смирновкандидат физико-математических наук,доцент Екатерина Александровна КузнецоваВедущая организация:Институт фундаментальных проблем биологииРАН (г.Пущино)Защита диссертации состоится 21 декабря 2006 года в ___ часов на заседаниидиссертационного совета К 501.001.08 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, г.Москва, Ленинские горы, МГУ им.

М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория ЮФА.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан «___» ___________2006 годаУченый секретарьдиссертационного совета К 501.001.08кандидат физико-математических наукГ.Б. Хомутов1. Общая характеристика работыПостановка проблемы, ее актуальностьФотосинтез – это процесс преобразования солнечной энергии в энергию химических связей. Если бы не было фотосинтеза, то жизнь на Земле вее сегодняшнем многообразии была бы невозможна, от его эффективностинапрямую зависит урожайность различных сельскохозяйственных культур.Особый интерес представляют первичные процессы фотосинтеза, в которыхпроисходит поглощение квантов света, миграция энергии возбуждения на реакционный центр, первичное разделение зарядов, разложение молекул воды свыделением О2 и перенос электронов по цепи электронного транспорта.Освещая фотосинтетические объекты при пониженной температуре, азатем нагревая их в темноте, можно наблюдать явление термолюминесценции, связанное с рекомбинацией положительных и отрицательных зарядов,образовавшихся на донорной и акцепторной стороне второй фотосистемы.Изучение термолюминесценции предоставляет важную информацию о механизмах трансформации энергии света и эффективности ее запасания в процессе фотосинтеза, позволяет контролировать протекание in situ тех физикохимических реакций, которые связаны с работой второй фотосистемы высших растений – комплекса, наиболее чувствительного к факторам внешнейсреды.В последние годы предпринимаются попытки использовать термолюминесценцию в качестве одного из методов при решении целого ряда прикладных задач: исследовании влияния различных химических агентов на фотосинтетический аппарат, сравнительном анализе гербицидной активности,выяснении механизмов устойчивости растений к заболеваниям и т.д.

Осложняющими обстоятельствами на этом пути являются, во-первых, отсутствиеоднозначной интерпретации кривых термолюминесценции и во-вторых, –значительная вариабельность биологических объектов. В этой связи необходимы систематические исследования термолюминесценции в комплексе сдругими биофизическими методами, такими, как методы медленной индукции флуоресценции и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), в томчисле при обработке растений биологически активными веществами с широким спектром действия, как ингибирующими, так и активирующими фотосинтез.

Результаты таких исследований важны для понимания природы термолюминесценции и могут быть использованы при проведении экологического мониторинга растительных объектов биофизическими методами. Особенно важным для экологических исследований может оказаться изучениеприроды полосы С, происхождение которой в последнее время изучаетсяособенно активно. Одно из предположений о происхождении пика С заключается в том, что он связан с разрушением мембран, и по его величине можнооценивать влияние неблагоприятных факторов на растения.3Цель работыЦелью данной работы является изучение влияния антропогенных экологических факторов на фотосинтетический аппарат растений люминесцентнымиметодами.Задачи исследования1.

Исследовать действие на фотосинтетический аппарат веществ, повышающих устойчивость растений к заболеваниям, методами термолюминесценции и медленной индукции флуоресценции.2. Изучить действие препарата BION® на термолюминесценцию листьев растений в области пика С в зависимости от концентраций препарата, способов и сроков обработки.3.

Методом медленной индукции флуоресценции провести исследованиевлияния крупных транспортных магистралей на функционирование фотосинтетического аппарата растений.4. Исследовать действие солевого антифриза ХКМ (хлористый кальций модифицированный), используемого для борьбы с гололедом, на фотосинтетический аппарат растений методами термолюминесценции и медленнойиндукции флуоресценции.5. Люминесцентными методами изучить совместное действие солевого антифриза ХКМ и природного полисахарида хитозана.Научная новизна работыНаучная новизна работы заключается в систематическом изучениивлияния на фотосинтетический аппарат препаратов, повышающих устойчивость растений к заболеваниям.

Впервые изучено действие препарата BION®в зависимости от концентрации, сроков и способов обработки, а также водного экстракта из горца гигантского Reynoutria sachalinensis на люминесцентные показатели листьев растений. Такое исследование, проведенное сиспользованием ряда биофизических методов, позволило установить характер воздействия этих препаратов на фотосинтетический аппарат растений идать рекомендации по их практическому применению.В опытах с хитозаном и солевым антифризом ХКМ биофизическимиметодами впервые было показано, что при их совместном внесении в почвухитозан полностью нейтрализует негативное действие антифриза. При этомвнесение одного только хитозана не вызывает негативного воздействия нарастения.

Эти данные, совместно с данными об увеличении хитозаном скорости фиторемедиации, позволяют дать рекомендацию по его использованиюдля улучшения состояния зеленых насаждений и почв в городах.Для анализа полученных данных была разработана новая методика обработки кривых термолюминесценции, написана программа анализа данныхпо новой методике.4Практическое значение работыРазработана новая методика обработки кривых термолюминесценции,позволяющая получать достоверную информацию об изменении термолюминесценции при обработке растений биологически активными веществами,используемыми на практике.Изучение действия на растения хитозана позволяет предложить его использование для компенсации вредного воздействия антифризов и ускоренияпроцесса фиторемедиации.

Опыты с веществами, повышающими устойчивость растений к заболеваниям (препарат BION®, экстракт из Reynoutria sachalinensis), позволили выявить их влияние на фотосинтетический аппарат идать рекомендации по их практическому использованию.Апробация работыОсновные результаты диссертации были доложены на III Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (экологическаяфизика)» (Москва, 2001), международной конференции «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001), VIконференции Европейского общества фитопатологов (Прага, 2002), V международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективыих использования» (Пущино, 2003), III съезде биофизиков (Воронеж, 2004),международной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону,2005), международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2005» и «Ломоносов - 2006» (Москва, 2005, 2006).Основные результаты диссертации изложены в 13 публикациях, в томчисле 5 статьях.Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, 4 глав с изложением литературныхданных и собственного экспериментального материала и выводов.

Диссертация содержит 111 страниц, включая 41 рисунок и 16 таблиц. Список литературы включает 101 ссылку на работы отечественных и зарубежных авторов.2. Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель иосновные задачи работы, охарактеризована научная новизна полученных результатов.Первая глава диссертации представляет собой обзор литературныхданных.В разделе 1.1 дано описание структурно-функциональной организациифотосинтетического аппарата высших растений. В разделе 1.2 изложены основы метода термолюминесценции, а в разделе 1.3 описана структура комплекса второй фотосистемы. В разделе 1.4 приведены современные представления о механизмах возникновения различных пиков термолюминесценции фотосинтезирующих объектов (таблица 1).

Раздел 1.5 посвящен описа5нию математических моделей, описывающих термолюминесценцию растений. В разделе 1.6 приведены основные методы получения и обработки кривых термолюминесценции. Раздел 1.7 посвящен основам методов медленнойиндукции флуоресценции и спектров флуоресценции.Таблица 1. Температуры максимумов и источники основных пиков термолюминесценции фотосинтезирующих объектов при температуре выше–300С. QA, QВ – первичный и вторичный хиноновый акцепторы электроновкомплекса второй фотосистемы. S2, S3 – состояния кислород-выделяющейсистемы при различной степени окисленности; TyrD – вспомогательныйдонор электронов комплекса второй фотосистемы.Наименование пикаПара зарядовТемпература максимума, 0СA (Rubin, Venediktov, S3QA~ -101969, Inoue, 1996)AT (Inoue et al., 1977,His+QA~ -10Inoue, 1996)D (Кукушкин, 1968;S2QA~ +5Rubin, Venediktov,1969, Inoue, 1996)B1 (Arnold, Azzi, 1968; S3QB~ +25Ichikawa et al., 1975;Rubin, Venediktov,1969, Inoue, 1996)B2 (Arnold, Azzi, 1968; S2QB~ +35Кукушкин, 1968; Ichikawa et al., 1975;Rubin, Venediktov,1969, Inoue, 1996)C (Arnold, Azzi, 1968; TyrD+QA- (Demeter et ~+50Rubin, Venediktoval., 1993),1969)продукты деструкции мембран (Солнцев, 1989)Высокотемпературная Хемилюминесценция От ~ +50 до ~ +70 (Vavilinтермолюминесценцияet al., 1998; Rózsa et al.,1989)~+125 (Vavilin et al., 1998)Во второй главе дано описание объектов исследований и методик экспериментов.

В работе использовали проростки пшеницы сорта «Любава» ибобов сорта «Русские Черные». Термолюминесценцию возбуждали непрерывным светом. Сначала высечку из листа растения подвергали предварительному освещению светом с длиной волны 720 нм в течение 1 минуты прикомнатной температуре для окисления вторичных хиноновых акцепторов.Потом образец освещали белым светом при –300С в течение 3 минут и реги6Флуоресценциястрировали свечение при нагреве от –800С до 800С со скоростью. 300 в минуту.В работе был применен новый метод для анализа кривых термолюминесценции.

При обработке данных находили разность кривых термолюминесценции обработанных и контрольных растений. В той области температур, где разностная кривая отличалась от нуля, находили светосумму –Sp(T1,T2). Полученные таким образом светосуммы подвергали статистической обработке. Для упрощения анализа кривых термолюминесценции быланаписана программа, позволяющая обрабатывать сразу несколько файлов.Медленную индукциюфлуоресценциивозбуждали1 минуташирокополосным синим светом (50 Вт/м2), а регистрировали на длине волны 686 нм.