Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Аппаратура и методика определения проводимости устьиц и содержания воды в листе 17
1. Описание аппаратуры 17
2 Расчет температуры листа, проводимости устьиц и содержания воды в листе 25
3 Проведение экспериментов . 34
4 Проверка достоверности полученных экспериментальных данных 38
ГЛАВА II. Реакция устьиц фасоли на влажность воздуха и содершшие воды в листе 42
1. Прямая реакция устьиц фасоли на влажность воздуха 42
2 Инициатор прямой реакции устьиц на влажность воздуха 49
3 Места испарения из замыкающих и эпидермальных клеток 62
4 Необходимость изменения количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках при скачках влажности воздуха 66
5 Различие в скоростях открывания и закрывания устьиц 73
6. Содержание воды в листе при скачках влажности воздуха 77
7 Механизм реакции устьиц на
изменение содержания воды в листе 83
ГЛАВА III. Математическая модель реакции устьиц на влажность воздуха и содержание воды в листе 100
1. Описание модели 100
2 Скорость изменения проводимости устьиц при скачках влажности воздуха 104
3 Взаимосвязь стационарных значений проводимости устьиц и разности влажностей между листом и окружающим воздухом 110
4 Скорость изменения проводимости устьиц при быстром обезвоживании листа 115
5 Нахождение корреляции как методический прием 120
ГЛАВА ІV. Участие CO2 в реакциях устьиц на влажность воздуха 123
1. Постановка проблемы 123
2 Влияние CO2 на скорость изменения при скачках влажности воздуха и при быстром обезвоживании листа 125
3 Взаимосвязаны ли механизмы влияния С0Х на влагочувствительность и проводимость
устьиц 136
Заключение 142
Литература 145
- Расчет температуры листа, проводимости устьиц и содержания воды в листе
- Необходимость изменения количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках при скачках влажности воздуха
- Взаимосвязь стационарных значений проводимости устьиц и разности влажностей между листом и окружающим воздухом
- Влияние CO2 на скорость изменения при скачках влажности воздуха и при быстром обезвоживании листа
Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение реакций устьиц на недостаток воды в почве и в атмосфере актуально, во-первых, в связи с проблемами продуктивности растений. Известно, что недостаток воды является во многих районах земного шара основным фактором, лимитирующим продуктивность растений (Максимов, 1926,1939, Ничипорович, 1977, Иванов, 1946, Бихеле, Молдау, Росс, 1980). При изучении причин разной продуктивности растений важным является вопрос о факторах и процессах, ограничивающих интенсивность фотосинтеза. Доступ углекислого газа к фотосинтезирующим клеткам листьев ограничивается главным образом уменьшением открытости устьиц (Тимирязев, 1892; , 1910; Keteliapper , 1963; Молдау, 19776). Закрывая устьица, растение защищает себя от потери воды, но одновременно подавляет ассимиляцию COg. Для максимизации продукции растение в каждый момент времени как бы "решает" для себя задачу оптимизации открытости устьиц. Н.А.Максимов считал, что при регулировке фотосинтеза со стороны растения устьица играют только скромную роль (Максимов, 1926). Но более точные опыты последних лет показали, что при моделировании продукционного процесса нельзя пренебрегать регуляторным действием устьиц, которое, с одной стороны, связано с изменением факторов внешней среды, а с другой стороны, внутренним состоянием растения ( Farquhar,Sharkley,19S2)«Из работ по устьичным реакциям вытекает, что открытость устьиц зависит от многих внешних и внутренних параметров. Следовательно, знание процессов, регулирующих открытость устьиц, имеет чрез-
вычайно большое значение при оптимизации условий выращивания растений, для выведения устойчивых к стрессу сортов или при выборе наиболее подходящих культур или сортов для выращивания в данных условиях среды.
Кроме того, исследование поведения устьиц актуально в связи с фундаментальными проблемами физиологии растений. Ведь вопросы, связанные с изучением устьиц, находятся в тесной взаимосвязи с основными проблемами физиологии и биофизики, в частности, с проблемами функционирования клеточных мембран и с проблемами гормональной регуляции.
История и современное состояние изучения механизма реакции устьиц
Хорошо известно, что устьица реагируют на множество внешних и внутрилистовых параметров (Zelieh,1969;Rasehke,1975a,Бабушкин, 1975; Hall,Schulze,Lange,1976; Sen,1979 ). Открытость устьиц зависит от интенсивности света, концентрации СОр, температуры листа, концентрации минеральных элементов, растительных гормонов и разных ассимилятов в замыкающих клетках, водного потенциала листа, разности влажностей воздуха внутри листа и окружающего воздуха.
Что касается механизма реакции устьиц на эти факторы, то общепринято, что открытость устьиц регулируется изменениями тур-гора в замыкающих и соседних эпидермальных клетках ( Scarth.,1927; Zelitch.,1969; Rase hke, 1975а, Бабушкин, 1975). Тургор клетки в свою очередь зависит от количества воды в клетке. Различают активные и пассивные движения устьиц. Движение устьиц считается активным, когда открытость устьиц изменяется вследствие изменения количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках. Пассивные движения устьиц имеют место в случаях, когда за-
мыкающие клетки обезвоживаются без изменения количества осмотически активного веществе, или когда изменяется тургор соседних эпи-дермальных клеток (stalfelt, 1956, 1966 ). Пассивным является движение устьиц, например, в случае изменения количества осмотически активного вещества в соседних эпидермальных клетках, а также при изменении испарения из замыкающих клеток.
Первая теория объясняла активное открывание устьиц переходом крахмала в сахар, вследствие изменения рН клетки. Теория была вьщвинута Ллойдом в 1906 году (Meidner, Mansfield, 1968 ) и получила дальнейшее развитие в работах 20-х годов ( Sayre, 1926, Scarth,1927 ) В основе этой теории лежит экспериментальный факт, что содержание крахмала в замыкающих клетках уменьшается во время открывания устьиц (Sayre, 1926, Mouravieff, 1973» Outlaw, Manchester,1979) . Последняя модификация этой теории представлена Левиттом ( Levitt,1967,1974 ). Но со временем накопились факты, не согласующиеся с этой теорией. Оказалось, что изменения в рН замыкающих клеток слишком малы, чтобы вызвать переход крахмала в сахар (Levitt,1974 ) Не увенчались успехом и попытки обнаружить существенные изменения в концентрации Сахаров в замыкающих клетках (Pallas,Wright,1973gutter et al.1977 ). Более того, хлоропласты замыкающих клеток некоторых видов вообще не содержат крахмала (Schnabl,Ziegler,1977jSchnabl,Easchke,1980) Японскими учеными было показано, что осмотически активным веществом в замыкающих клетках могут быть и анорганические ионы, в частности, ионы К* ( Yamashita,1952,Fujino,1959 ) Но так как эти работы были опубликованы на японском языке, то содержащиеся в них идеи не получили широкого распространения. В 1968 году Фишер (Fisher, 1968 ) независимо обнаружил, что на эпидермальных полосках Vicia faba устьица открывались на свету
только в случае, когда их помещали в раствор КС в . Позднее накопление ионов К* в замыкающих клетках во время открывания устьиц и необходимость достаточного калийного питания для нормального функционирования устьиц было показано многими авторами ( Humble, Hsiao, 1970; Fisher, 1971; Raschke, Humble, 1973; Outlaw, Lowry, 1977, Ильящук, 1977; Гуляев и др. 1978; Еникеев, Ушаков, 1980). Исследования разных авторов выявили также, что во время транспорта ионов К+ в замыкающих клетках накапливается яблочная кислота, ионы которой вместе с ионами К* и обеспечивают изменение осмотического потенциала в клетке ( Allaway,1973; Humble, Raschke,1971 ). При этом малат, вероятно, образуется из крахмала ( Milthorpe et al,, 1979 ). Электронейтральность замыкающих клеток сохраняется путем выделения ионов Н+ из этих клеток ( Easchke, Humble,1973 ). У видов, замыкающие клетки которых не содержат крахмала, вместе с К* через плазмалемму замыкающих клеток движутся ионы С ( Schnabl,Raschke,1980 ). При этом не ясно, какой процесс является первичным - накопление малата или транспорт ионов К+ и Н+. В некоторых работах считают, что первичным является транспорт ионов водорода ( Роо1е,1978), но экспериментально этот вывод не доказан. До сих пор не раскрыт конкретный механизм ионного транспорта и не установлен источник энергии для транспорта ионов. Неясно также, каким способом этот транспорт регулируется различными внешними и внутренними факторами. Предполагают, что источником энергии является циклическое фото-фосфорилирование ( Humble, Hsiao, 1970; Raghavendra, Das, 1972) или темновое дыхание ( Akita, Moss,1973; Lougnet,1974 ). Главным веществом, регулирующим ионный транспорт считают растительный гормон - абсцисовую кислоту (АБК) (Rasehke, 1975а). Накопление АБК в листе при водном дефиците впервые было установлено Врайтом и Гироном ( Wright,Нігon,1969). Выявлено, что АБК необходима для
закрывания устьиц в стрессовых условиях. У мутантных томатов, в которых содержание АБК в 10 раз меньше чем в нормальных растениях, устьица под действием водного стресса не закрываются. Способность устьиц к закрыванию восстанавливается при экзогенном добавлении АБК (Tal,1966;Tal,Imber,1970,1972;Imber,Таї,1970). Влияние АБК на транспорт ионов, а также на гидравлическую проводимость плазмалеммы установлено во многих работах ( Ногton, Moran,1972,Itai,Meidner,1978, Glinka, 1980 ), ш механизм
действия АБК на мембраны не ясен.
Кроме АБК, отмечено влияние целого ряда естественных и искусственных соединений на открытость и чувствительность устьиц (Pemadasa,1979 ), но в большинстве случаев механизм их влияния также еще требует исследования.
Считают, что изменение почти всех внешних параметров (кроме влажности воздуха и потенциала воды листа) вызывает именно активную реакцию устьиц. Предполагают, например, что СОр и АБК изменяют внутриклеточную кислотность, которая и управляет выделением ионов водорода (Raseпке,1976 ),включение света делает возможным использование дополнительных количеств энергии для транспорта ионов (Zelitch, 1969, Easchke, 1975а) и т.д.
Изложенные здесь знания о механизме активного изменения открытости устьиц до сих пор практически не использовали при объяснении реакции устьиц на водный дефицит. О реакции устьиц на изменение содержания воды в листе и влажности воздуха известны след дующие факты. Давно известно, что при недостатке воды в почве и в листе открытость устьиц уменьшается. ( Thoday, 1910,
Heinicke, Childers, 1935; Schneider, Ghilders, 1941). Влияние содержания воды в листе на открытость устьиц до сих пор часто объясняют только пассивной потерей воды замыкающими клетками: при уменьшении оводненности листа из-за недостатка воды в
почве снижается и потенциал воды в стенках замыкающих клеток. Это вызывает выход воды из замыкающих клеток. Выход воды продолжается до тех пор, пока потенциалы воды в цитоплазме и в стенках замыкающих клеток уравновесятся. Вследствие выхода воды из замыкающих клеток уменьшается их объем и открытость устьиц.
Первым фактом против такой чисто физической трактовки влияния водного дефицита на устьичные реакции было обнаружение независимости открытости устьиц некоторых видов от потенциала воды в листе - устьица стали закрываться только после уменьшения потенциала воды в листе ниже определенного значения ( Duniway, 1971, Hsiao , 1973). Так как примерно в ато же время было обнаружено накопление АБК в растении при водном стрессе (Hiron, Wright, 1969) и установлена важная роль АБК в устьичной регуляции (Cummins et al.,1971;Horton,Moran,1972;Tal,Imber,1972), то способность устьиц к закрыванию при развитии в растении водного дефицита- связывали с регуляторным действием АБК. Кридеманн С сотрудниками (Kriedemann et al.,1972, IvrieaemannjLoveys,^?^ заключают, что потенциал воды листа влияет на открытость устьиц, во-первых, через прямое обезвоживание замыкающих клеток и, во-вторых, косвенно, через АБК. Влияние АБК в некоторой степени моделировалось ( Dubbe et al.,I978; Заславский, Бриш 1981). Но так как появились и работы, где не обнаружена взаимосвязь между концентрацией АБК в листе и открытостью устьиц при сїнижении потенциала воды листа ( Walton et al.,1977 )> то роль АБК до сих пор является дискуссионной.
Обычно предполагают, что АБК влияет на устьица через влияние на транспорт осмотически активного вещества(в частности ионов К+) через плазмалемму замыкающих клеток. Уменьшение количества ионов К* в замыкающих клетках после высушения срезанного
листа в нескольких работах действительно отмечалось ( Cooper, Cockbum 9 1979; Ehret, Boyer, 1979).
Зависимость открытости устьиц от влажности воздуха установлена гораздо позднее по сравнению с их реакцией на водный дефицит в листе. Еще в 1968 г. Мейднер и Мансфильд ( Meidner, Mansfield, 1968) утверждали, что несмотря на зависимость открытости устьиц от водного режима растений, устьица почти нечувствительны к изменениям влажности воздуха. Работы последующих лет, однако, показали, что открытость устьиц многих видов растений зависит от влажности воздуха ( Aubert, Catsky, 1970; Drake et al., 1970; Lange et al., J97I). Это заставило вспомнить и о работе Сейбольда ( Seybold , Ї96І), где также была получена зависимость открытости устьиц от влажности воздуха. В одних работах реакция устьиц на влажность воздуха объяснялась уменьшением потенциала воды в листе из-за повышенной транспирации, т.е. механизмы реакции устьиц на снижение влажности воздуха и содержание воды в листе считали тождественными (Aubert, Catsky, 1970; Drake et al., 1970). В других работах считалось, что реакция устьиц на влажность воздуха обусловлена испарением воды из замыкающих клеток прямо во внешний воздух через специальные проходы в кутикуле ( Seybold , 1961; Lange et al., 1971). Эта гипотеза называется гипотезой перисто-матической транспирации и она объясняет реакцию устьиц на влажность воздуха пассивной потерей воды из замыкающих клеток. Но в последние годы стали появляться данные, которые указывают, что и реакция устьиц на влажность воздуха не является чисто пассивным процессом. В работе Леша и Шенка (Losch, Schenk, 1978), например, отмечается уменьшение количества ионов К в замыкающих клетках у размещенных в сухом воздухе эпидермальных полосок (хотя с запаздыванием по сравнению с уменьшением открытости устьиц) . Отсутст-
виє реакции устьиц кукурузы на влажность воздуха в воздухе без COg (Haschke, Kiihl, 1969) и наличие её в среде с СОр ( Raschke, 1970) также указывает на более сложный механизм этой реакции. (Ведь выход воды из замыкающих клеток после изменения только потенциала воды в клеточных стенках не должен зависить от концентрации СОр.)
Основная цель работы
Из приведенного обзора о механизме реакции устьиц на влажность воздуха и оводненность листа вытекает, что сущность этих реакций не раскрыто. Хотя некоторые работы, проведенные на клеточном уровне, говорят об изменении количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках после снижения над кусочками эпидермиса влажности воздуха и после обезвоживания срезанного листа, до сих пор не показано, важны ли эти процессы и при реакции устьиц целого растения. Ведь реакции устьиц на водный дефицит и влажность воздуха зависят от целой "гидравлической" системы растения (Raschke , 1970) и выход ионов К+ из замыкающих клеток может оказаться просто артефактом, обусловленньм нарушением этой системы* Кроме того неизвестно, имеют ли реакции устьиц на влажность воздуха и содержание воды в листе единую основу и какими факторами они регулируются.
Целью данной работы является создание аппаратуры и разработка методики для изучения на целом растении реакции устьиц на влажность воздуха и на содержание воды в листе и дальнейшее исследование механизма этих реакций. Изучается и взаимосвязь этих реакций с одной и важнейших реакции устьиц - с реакцией на концентрацию СОр.
Научная новизна
В работе описывается уникальная аппаратура, при помощи которой одновременно регистрируются транспирация, температура листа и содержание воды в листе. На основе этих измерений разработана методика анализа механизма реакции устьиц интактных растении на влажность воздуха и содержание воды в листе. Основные новые результаты и выводы работы приводятся в положениях, выводимых на защиту.
Объем и содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем диссертации 98 страниц мзліинописного текста. Работа иллюстрирована 44 рисунками; список использованной литературы содержит 198 источников, в том числе 152 на иностранных языках.
В первой главе описывается аппаратура и методика исследования реакции устьиц на изменение влажности воздуха, содержания воды в листе и концентрации СОр.
Во второй главе обсуждается прямая реакция устьиц на изменение влажности воздуха и реакция устьиц на изменение содержания воды в листе. Приводятся новые экспериментальные данные о корреляции между скоростью изменения проводимости устьиц 1 и первоначальным скачком транспирации ДЕ , а также между vQ и скоростью изменения содержания воды в листе 1ГХ . Приводится интерпретация этих корреляций на основе литературных данных и схемы испарения воды из листа.
В третьей главе представляется математическая модель, позволяющая аналитическими формулами описывать полученные эмпирические взаимосвязи между стационарными значениями проводимости устьиц и . и разностью влажностей между листом и окружающим
воздухом е^-е » между максимальной скоростью изменения проводимости устьиц ч и скачком транспирации при скачке влажности воздуха над листом и между i и скоростью изменения относительной поверхностной плотности листа if . Модель позволяет оценить влияние разных внешних и внутрилистовых параметров на эти три типа кривых.
В четвертой главе, на основе оригинальных экспериментальных данных, разработанной нами математической модели и литературных данных, обсуждается участие одного из внешних параметров - кон- центрации СОо в реакциях устьиц на влажность воздуха и содержание воды в листе.
В заключении работы приводятся основные результаты и выводы.
Практическая ценность работы
Практическая ценность заключается прежде всего в разработке аппаратуры и методики для изучения устьичных реакций, а также влаго- и СОр-обмена листа. При установке аппаратуры в автобусе-лаборатории она применима и для экологических или сельскохозяйственных исследований в полевых условиях. Для таких целей особенно подходит выработанная нами методика определения максимальной скорости изменения проводимости устьиц, так как % изменяется в гораздо меньших пределах, чем сама проводимость устьиц (Сыбер,1982). Кроме того, полученные новые данные и описывающие эмпирических кривых математические формулы, могут быть использованы при математическом моделировании продукционного процесса растений.
Согласно основным результатам проведенной работы, диссертантом выносятся на защиту:
I. Уникальная аппаратура, позволяющая скачкообразно изменять влажность воздуха и одновременно с регистрацией транспирации регис-
трировать относительное изменение содержания воды в листе (по поглощению _уЗ-излучения) и температуру листа (бесконтактно при помощи радиационного термометра)
Полученные впервые корреляции между максимальной скоростью изменения проводимости устьиц % и скачком транспирации '(рис. 16) а также между 1 и отношением скорости изменения поверхностной плотности листа к интенсивности транспирации до уменьшения содержания воды в листе (рис. 33)
Разработанная на основе этих корреляций и математической модели методика, позволяющая оценить влияние внешних параметров на функционирование замыкающих клеток по интегральным измерениям транспирации, температуры листа, разности влажностей между листом и окружающим воздухом и относительным содержанием воды в листе.
Результаты и выводы, полученные при помощи разработанной аппаратуры и методики:
У срезанного листа, находящегося черешком в воде, реакция устьиц на изменение влажности воздуха качественно различается от реакции устьиц интактных листьев.
У целых растений фасоли существует прямая (независимая от содержания воды в листе) реакция устьиц на влажность воздуха.
Эту реакцию нельзя объяснить пассивным выходом воды из замыкающих клеток и необходимо допустить уменьшение количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках.
Содержание воды в листе поддерживается при скачках влажности воздуха на постоянном уровне при помощи механизма, действующего только у целых растении.
Реакция устьиц на уменьшение как влажности воздуха так и содержания воды в листе вызывается снижением потенциала воды в стен-
ках замыкающих клеток, но при снижении содержания воды в листе выход воды и ионов из замыкающих клеток дополнительно регулируется еще неким, пока неизвестным фактором.
Повышение концентрации COg в пределах 0-300 мкл/л увеличивает чувствительность устьиц к изменениям влажности воздуха и содержания воды в листе. При этом СОо увеличивает либо специфический, последующий изменениям потенциала воды в клеточных стенках ионный транспорт, либо гидравлическую проводимость плазмалеммы.
Механизм участия СОр в устьичных реакциях на водный дефицит не тождествен с обычным механизмом влияния повышенных концентраций СОр на открытость устьиц.
Апробация работы. Диссертация и ее отдельные части докладывались и обсуждались на семинарах сектора физики атмосферы Института астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР, на рабочем собрании Секции фотосинтеза республиканской проблемной комиссии по физиологии растении, на Дне докладов молодых ученых-биологов по теме "Биологическая продуктивность и определяющие ее факторы" в Тарту (1980 г.),на УІІ Всесоюзном симпозиуме по водному режиму растений в Киеве (1981 г.), на Всесоюзном совещании "Эколого физиологические исследования фотосинтеза и водного режима растений в полевых условиях" в Иркутске (1982 г.)
Публикации
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:
Молдау Х.А., Сыбер А.Ю. 1974. Влияние влажности воздуха на проводимость устьиц и мезофилла листьев фасоли при двух значениях влажности почвы. Физиол.растений, т. 21, № 4, с.800-806.
Рахи М., Сыбер А. 1974. Устьица - регуляторы газового и водного обмена растений. Природа Эстонии, № 9, с. 548-552. (На эстонском языке).
Сыбер А.Ю., Молдау Х.А. 1977. Аппаратура для определения сопротивления устьиц и водосодержания листа с раздельным кондиционированием растения и отдельного листа. Іизиол. растений, т. 24, № 6, с. І30І-І307.
Сыбер А.Ю. 1980. Реакция устьиц на изменения влажности воздуха и участие СОр в этих реакциях. Іизиология растений, т. 27, № 3, с. 515-524.
Сыбер А.Ю. 1980. Устьица, как регуляторы фотосинтеза при изменении содержания воды в атмосфере и в почве. В кн.: Биологическая продуктивность и определяющие ее факторы. Тезисы докладов Дня молодых ученых. (На эстонском языке) Тарту, с. 15-19.
Сыбер А.Ю. 1982. Маловарьирующий показатель для изучения прямой реакции устьиц на влажность воздуха. В кн.: Эколого-физио-логические исследования фотосинтеза и водного режима растений в полевых условиях. Тезисы докладов всесоюзного совещания. Иркутск, с. 103.
Расчет температуры листа, проводимости устьиц и содержания воды в листе
Газовая система листовой камеры (рис. 3) состоит из четырех каналов, один из которых служит для кондиционирования воздуха у верхней стороны листа, а из остальных трех выбирают один для кондиционирования воздуха у нижней стороны листа, где измеряется интенсивность транспирации и газообмен.
Воздух нагнетается при помощи мембранного насоса Н через сглаживающую емкость СЕ, осушитель с гидроокисью калия КОН и де-карбонизатор с аскаритом АСК. В одном канале используется сухой воздух, в другие воздух проходит через увлажнитель УВ, после конденсацией излишней влаги в термостатах Тр заДают определенную влажность. Нужную концентрацию СОр устанавливают подачей чистого СОо из баллона через калиброванные капилляры Щ_/± в смесители GT-4 где СОр смешивается с потоком воздуха. Скорость подачи СОр можно изменять путем изменения глубины погружения соответствующей трубки в водяном маностате МС и замены капилляра в цепи подачи COg. Скорость воздуха в смесителях устанавливают при помощи трубок маностата у входа и выхода смесителей и капилляров %-8 изменение скорости воздуха в камере при помощи игольчатых кранов И у ротаметров Р не вызывает изменения концентрации СОр в камере. Латунным переключателем каналов DKj, который для сокращения времени стабилизации концентрации водяного пара расположен рядом с листовой камерой ЛК, включают ЛК в канал с определенной влажностью и концентрацией СОр. В остальные два канала в то же время включаются эквивалентные сопротивлению ЛК вентили и в этих каналах регистрируются базовые влажности воздуха. ПКу вместе с ЛК термостатируется при помощи термостата Т-г. Имеется возможность скачкообразно изменять их температуру впусканием в водяную рубашку воды из другого термостата. Каждый из трех каналов имеет микропсихрометр П-_2 с предусилением (усилители У2 и Уо) перед 6-канальным самописцем СП. В канале с сухим воздухом усиление не требуется. На СП регистрируется и сигнал от терморезистора ТР (рис. 2), который включен в мостовую схему М, и от радиационного термометра ТС (через предусилитель У-j) (рис. 2). Торцовый счетчик С (рис. 2) и усилитель импульсов УИ питаются от блока питания БП. Импульсы считываются счетчиком импульсов СИ типа ІШ-І5-А и регистрируются цифропечатающим устройством ЦПУ типа Б 3-І5М. После выхода из микропсихрометров воздух входит в переключатель каналов ПКр, при помощи которого выбирают канал для измерения концентрации СОо. Сигналы с газоанализатора ГА ("Infra-lyt-Hl", ГДР) регистрируются на СП (типа КВТ).
Основные характеристики аппаратуры: а) Кондиционер. Площадь для растений 60x60 см , высота 50 см, платформ для растений 8. Доза полива 30-40 мл. Плотность потока радиации 140-220 вт/м , коэффициент ШАР 0.60, концентрация С0р естественная, снижение концентрации в камере не более 12 мкл/л. Максимальная скорость воздуха 16 л/с. Максимально возможный скачок температуры (при максимальной скорости воздуха) 25С, относительной влажности (при 25С) - 65%. Минимально возможная температура и влажность соответствуют температуре и влажности вне лаборатории. Точность поддерживания заданной температуры - 2С, относительной влажности - 1%. б) Листовая камера. Площадь 9,1 см , максимальная плотность по р тока радиации 500 вт/м , коэффициент ШАР 0.85, коэффициент тепло р обмена листа 30 вт/м град. Скорость входящего воздуха 36 л/ч, сопротивление пограничного слоя 0,3 с/см. Температуру камеры можно изменять в пределах 20-30С, относительную влажность от 5 до 90%, концентрацию COg в пределах 0-5%. Время стабилизации влажности после изменения ее на 80% - 6 мин., на 30% - 3 мин.) Активность препарата ВаС 0о - I милликюри. Температура листа. Если известна чувствительность tc системы "радиационный термометр-усилитель-самописец", можно на основе закона Стефана-Болцмана, связывающего тепловое излучение абсолютно черного тела с температурой последнего, определить температуру листа (Для определения к система градуируется при помощи термостатированного на разных температурах окрашенного в черный свет медного диска, который помещают на место верхнего окошка листовой камеры. Величина к получается в единицах т л? ) Температура листа Ти определяется формулой: где " - температура корпуса листовой камеры, К, - чувствительность системы, An - разность отчетов самописца, соответствующая разности температур Т- Т0 , 50 = 0.975 - 0.010 - коэффициент серости черного тела, используемого при определении к, . Коэффициент серости листа L , в зависимости от вида растения, находится в пределах 0,938-0,995 (Idso et al., 1969). Следовательно, в нашем случае 50 отличается от и не больше чем на 0.037 единиц. Погрешность определения TL зависит от точности термоста-тирования листовой камеры, от чувствительности и стабильности радиационного термометра с усилителем и от точности определения L . Оценки показали, что при Є - б0 ошибка определения TL не более -0.1С; если ошибка определения сГ = -0.03, то ошибка в TL достигает -0.2С.
Необходимость изменения количества осмотически активного вещества в замыкающих клетках при скачках влажности воздуха
В классическом объяснении влияния влажности воздуха на открытость устьиц обычно исходят из предположения, что влажность воздуха влияет через изменение транспирации на потенциал воды листа и через него на устьица (Raschke , 1975). К настоящему вре- мени обнаружен целый ряд видов, у которых при уменьшении влажности воздуха проводимость устьиц jusi уменьшается, но содержание воды в листе не изменяется ( Camacho, Hall, Kaufmann, 1974; Mederski, Chen, Gurry,1975; Mederski, Alles, 1968 ) или даже увеличивается (Schulze et al.1972). У некоторых видов реакции устьиц на влажность воздуха вообще не обнаружено: например, у Tradescantia virginiana и Saxifrage tomentosa (Edwards,Meidneг, 1978). Реакция устьиц на влажность воздуха без соответствующего изменения потенциала воды листа считается прямой реакцией устьиц на влажность воздуха. При этом обычно предполагается, что она обусловлена испарением воды из замыкающих клеток. Если испарение из замыкающих клеток происходит не в подустьичное пространство, а прямо во внешний воздух, то имеет место перистоматическая транспирация. Гипотеза о существовании перистомз.тической транспирации была выдвинута Сейбольдом ( Seybold, Ї96І) и развита в трудах других авторов (Lange et al., 1971; Franke, 1969; Farquhar, 1979; Maier-Маегскег, 1979 а,б, в, г ) В работах Франке (Franke, 1969) периетоматическую транспирацию связывали с существованием специальных протоплазменных каналов - эктодесмов в наружных стенках эпидермальных и замыкающих клеток. В последующих работах (Мирославов, 1974) более распространенньм стал взгляд, что специальных каналов в клеточных стенках все же не существует, а образования, называемые эктодесмами, можно связывать с более интенсивным окрашиванием в кутикуле мест, где проницаемость последней немного выше.
Другие авторы ( Meidner,1975, Sheriff, Meidner, 1975, Edwards, Meidner, 1978, Tyree, Yianpulis, 1980) предполагают, что вода из і І замыкающих, как и из других, клеток испаряется в под-устьичное пространство, но испарение из клеток мезофилла и эпидермиса (в том числе и из замыкающих клеток) происходит более или менее независимо друг от друга. Устьица реагируют на изменения потенциала воды в замыкающих и эпидермальных клетках, потенциал воды мезофильных клеток при этом не должен обязательно изменяться. Во всех цитированных работах считают, что открытость устьиц изменяется вследствие изменения транспирации из замыкающих клеток. Леш и Шенк ( Losch , Schenk,1978 ), оценив концентрацию К+ в замыкающих клетках, обнаружили, что после снижения влажности воздуха будет изменяться и количество ионов К 1 , но через некоторое время после изменения jusi . Они сделали вывод, что изменение концентрации К есть не причина, а скорее результат выхода воды из замыкающих клеток. Об изменении концентрации других осмотически активных веществ при изменении влажности воздуха пока нет экспериментальных данных.
Как следует из вышеприведенного обзора, вопрос о механизме реакции устьиц на влажность воздуха нельзя считать решенным, так как выводы разных авторов расходятся. Не ясно, существуют ли у разных видов качественные различия в механизме реакции устьиц на влажность воздуха. Возможно, что мы просто слишком мало знаем об этом механизме, чтобы объяснить различия в реакции устьиц на влажность воздуха в разных условиях. Для получения дополнительной информации нужны эксперименты с новыми видами и по новой методике.
Рассмотрим вопрос прямой реакции устьиц на влажность воздуха на основе наших опытов. Особенностью наших исследований является кинетический подход и быстрое изменение в опытах влалшости воздуха с одновременной регистрацией содержания воды в листе. Раньше, когда мы не имели возможности измерять содержание воды в листе, мы полагали, что у фасоли при скачках влажности воздуха изменяется потенциал воды листа (Молдау, Сыбер, 1974). Однако опыты не подтверждают этого (Сыбер, 1980).
Типичный ход проводимости устьиц usi с изменением влажности воздуха при концентрации СОо 200 мкл/л изображен на рис. На. После уменьшения влажности воздуха сначала отмечается кратковременное увеличением , после чего следует ее уменьшение до определенного стационарного значения. Первоначальное кратковременное движение устьиц, видимо, обусловлено изменением тургора эпидер-мальных клеток. Это так называемый эффект Иванова ( Iwanoff, 1928, Meidner,Heath., 1963 ). При увеличении влажности воздуха все повторяется в обратном направлении, только устьица открываются медленнее и проводимость не достигает первоначальной величины.
Ход относительной поверхностной плотности листа S в этих же опытах изображен на рис. 116. Видно, что изменения в 5 не превышают 1%, т.е. не выходят за пределы погрешностей измерений. Могут ли столь малые изменения 5 вызывать изменения just от 0,9 до 0,2 см/с (рис.7, а и б)? Сотрудником нашей лаборатории Рахи установлено, что уменьшение содержания воды листа фасоли с хорошим водоснабжением на одну сотую вызывает изменение потенциала воды листа примерно на I атм (рис.12). По размерам замыкающих клеток устьиц фасоли и по формуле, связывающей проводимость устьиц с шириной устьичной щели (Лайск, Оя, Рахи, 1970) нами было рассчитано, что при изменении изі.от 0,9 до 0,2 см/с ширина устьичной щели изменяется на 2,4 мкм. На основе данных разных авторов о взаимосвязи между шириной устьиц и потенциалом воды в замыкающих клетках (Fisher, 1973; Humble, Rase like, 1971; Bearce, Kohl, 1970) можно сделать вывод, что при изменении ширины устьичной щели на 2,4 мкм потенциал воды замыкающих клеток должен изменяться более чем на 2,4 атм. Так как в наших опытах изменения в водном потенциале листа не превышали I атм, мы должны допустить, что у фасоли подобно другим видам, существует прямая реакция устьиц на влажность воздуха, не связанная с изменением содержания воды в листе. Зависимость стационарного значения проводимости устьиц ульі: фасоли от стационарного значения е -е изображена на рис. 13. Во-первых, из рис. 13 вытекает, что не существует однозначной корреляции между jU6t и eL-є . Шорма кривых приблизительно одинаковая и напоминает экспоненту, но абсолютные значения jUst зависят от проводимости в начале опыта. Во-вторых, из рис.13 вытекает, что более открытые устьица чувствительнее к влажности воздуха. Это наводит на мысль, что у фасоли местом влияния влажности воздуха на замыкающие клетки, вероятно, являются их внутренние стенки. Ведь при более открытых устьицах скачок транспирации после скачкообразного изменения влажности воздуха больше и потенциал воды во внутренних стенках замыкающих клеток изменяется также в большей мере.
Взаимосвязь стационарных значений проводимости устьиц и разности влажностей между листом и окружающим воздухом
Так как растения находящие со стеблем в воде, также не способны поддерживать содержание воды в листе на постоянном уровне, то утрата этой способности связана не с отсутствием других листьев, а с отсутствием корней. Возникает вопрос, каким образом корни растения могут влиять на способность листа поддерживать при скачках влажности воздуха содержание воды на постоянном уровне. Этот механизм может быть связан с изменением сопротивления корней при изменении транспирации ( Weatherley,l963, Hailey et al. ,1973 ) .При таком объяснении и при предположении, что сопротивление ксилемы после срезания черешка не увеличивается, мы должны для объяснения данных на рис. 25 и 26 допустить отрицательные значения сопротивления корней, а это лишено физического смысла. Если сопротивление ксилемы после срезалия листа все-таки немного повышается и достигает величины суммарного сопротивления корней и ксилемы стебля интактного растения при низкой транспирации, то поддерживание содержания воды на постоянном уровне можно объяснить уменьшением сопротивления корней при увеличении транспирации.
О существовании других возможных путей регуляции содержания воды в листе нельзя судить по изложенным в этой работе экспериментальным данным, этот вопрос требует дополнительного исследования .
В связи с реакцией устьиц на влажность воздуха надо отметить, что временной ход just листа, находящегося черешком в воде (рис. 2&а) существенно отличается от временного хода just интактного листа (рис. 25а). Следовательно, для изучения существующих в естественных условиях реакций устьиц важно, чтобы измерения проводили на целых растениях.
Дефицит воды вызывает закрывание устьиц. Брике (Brix,1962 ), Тротон ( Troughton,1969 ), Молдау и Рахи ( Moldau,Rahi,l971 ), Молдау ( Moldau,l973 )» Слейчер ( siatyer,1973 ) измеряли проводимость устьиц после снижения содержания воды в листе. Другие авторы ( Kanemasu,Tanner,1969; Sanchez-Diaz, Kramer, 1971, Hansen, 1971, Молдау, Сыбер, 1974) определяли взаимосвязи между сопротивлением устьиц и потенциалом воды листа.. В работе Медерски и Аллее ( Mederski,Alles,1968 ) приведена взаимосвязь между содержанием воды в листе, измеренным по поглощению -излучения и проводимостью устьиц. Во всех этих работах получено уменьшение проводимости устьиц с возникновением водного дефицита, но окончательно не выяснено, какой механизм определяет реакцию устьиц на изменение потенциала воды листа.
При создании математических моделей реакции устьиц на изменение потенциала воды в листе обычно считали, что причиной уменьшения проводимости устьиц при дефиците воды является пассивный выход воды из замыкающих клеток и уменьшение тургора последних (Cowan , 1972; Молдау, 1973). Но Эрет и Бойер в своей работе отмечают, что обезвоживание листа сопровождается выходом ионов К+ из замыкающих клеток ( Ehret,Boyer, 1979). Кроме того, во многих работах подчеркивается роль АБК в регулировании открытости устьиц при водном дефиците (Cummins, Kende, Rasehke,1971;Нігon, Wright, 1973,Raschke, 1975a,1975b; Cooper, Cockburn, 1979 ). Следовательно, уменьшение открытости устьиц при водном дефиците связывают с изменениями содержания воды, количества ионов и АБК в замыкающих клетках. При этом не совсем ясно, который из этих трех факторов является инициатором уменьшения открытости устьиц при водном дефиците. Эрет и Бойер ( Ehret,Boyer, 1978) считают, что причиной изменения открытости устьиц при развитии водного стресса в растении является изменение транспорта, ионов К+, вызванное изменениями в концентрации АБК или высокоэнергетических метаболитов. Концентрация АБК при этом может влиять не только на транспорт К+, но и на проводимость замыкающих клеток для воды (Glinka,Reinhold, 1972; Glinka,1980 ). Предположение, что закрывание устьиц при водном дефиците и вызывается повышением концентрадии АБК, было выдвинуто по данньш некоторых авторов о том, что проводимость устьиц, а также концентрация АБК в листе будут изменяться только после достижения некоторого порогового значения потенциала воды листа (Rasetike, 1975). Если на.yUsir влиял бы только QJL » то было бы логично, что jjst будет изменяться сразу после изменения независимо от величины последнего. У многих видов растений jUstvi LjJL действительно изменяются параллельно (Молдау, Сыбер, 1974). Отмечается также, что при водном дефиците открытость устьиц начинает уменьшаться раньше, чем количество АБК в растении ( Walton et al., 1977) Переходим к рассмотрению наших экспериментальных данных. В наших ранних опытах не наблюдалось порогового значения потенциала воды листа,, после которого jUst начинала бы уменьшаться (Молдау, Сыбер, 1974). В более поздних опытах при отрезании листа содержание воды в листе изменялось столь быстро, что наблюдалось кратковременное открывание устьиц (эффект Иванова), поэтому связь между у/ и - вряд ли можно считать связью между стационарными значениями этих величин (рис. 27 и 28).
Влияние CO2 на скорость изменения при скачках влажности воздуха и при быстром обезвоживании листа
Следует отметить, что развивающийся в листе водный дефицит влияет на % и эффект Иванова в соответствии именно с транспирацией перед возникновением водного дефицита в листе, а не с транспирацией во время уменьшения содержания воды в листе. Проводимость устьиц перед снижением содержания воды в листе JJ0 таюке не влияет на % . Из общих представлений о механизме реакции устьиц вытекает, что эффект Иванова тем больше, чем больше опаздывает выход воды из замыкающих клеток по сравнению с выходом воды из эпидермальных клеток, а % тем больше, чем быстрее вода выходит из замыкающих клеток после прекращения влияния эффекта Иванова.
Для объяснения одновременного увеличения эффекта Иванова и Va при пониженной Е0 можно предложить следующую гипотезу. Допустим, что в случае уменьшения содержания воды в листе зависимость ц, от Е0 обуславливается синтезированной в мезофилле АБК. АБК освобождается из клеток мезофилла только после уменьшения в них потенциала воды ниже определенного порогового значения ( Walton , 1980). При низкой Е0 во влажном воздухе для достижения этого порогового значения требуется больше времени (рис.27) и АБК поступает в замыкающие клетки с большим опаздыванием чем при высокой Е0 . По этой причине эффект Иванова более выражен при низкой Еа (рис.27). С другой стороны, концентрация АБК в транспира-ционном потоке при низкой Е0 выше, чем при высокой. Это обеспечивает при определенной 1&. более высокие значения Ц, при низкой Е0 .
Первой половине гипотезы наши экспериментальные данные не противоречат, так как лист действительно обезвоживается тем быстрее, чем выше транспирация перед срезанием черешка. Но вторая половина гипотезы не согласуется с экспериментальными данными в случае, когда лист с черешком в воде обезвоживается путем снижения влажности воздуха (рис.ЗІ). В этом случае по нашей гипотезе концентрация АБК в транспирационном потоке должно определяться не величиной Е0 , а более высокими значениями в сухом воздухе. В действительности, коррелируется все-таки с Е0 , а не с в сухом воздухе (кружки на рис.33). Это показывает, что вторая половина, гипотезы не соответствует действительности и зависимость вероятно, не определяется содержанием синтезированной в мезофилле АБК в транспирационном потоке. Снижение содержания воды в листе (и освобождение АБК из мезофилла) является, видимо, только сигналом для уменьшения J Sf . Зависимость от.Е по всей вероятности связана с состоянием замыкающих клеток, котор ое определяется транспирацией перед снижением содержания воды в листе. Каким образом Е0 определяет состояние замыкающих клеток, пока неизвестно. Можно предложить, например, следующую гипотезу. Допустим, что в целом растении транспирационньм потоком из корней в замыкающие (а может быть и в мезофильные) клетки транспортируется какое-то вещество 36 , которое обеспечивает неизменность содержания воды в клетке несмотря на снижение потенциала воды в клеточных стенках. (Это вещество должно быстро метаболизироваться. Скорость метаболизации ЭЕ должна увеличиваться в присутствии ионов малата. Ведь малат в присутствии СОо накапливается в замыкающих клетках в более больших количествах, чем в мезофильных клетках. Это обуславливает при снижении влажности воздуха уменьшение содержания воды в замыкающих клетках, но обеспечивает постоянный уровень его в мезофильных клетках.) Если концентрация этого гипотетического вещества 3 в транспирационном потоке постоянная, то количество ЗЕ в замыкающих клетках тем больше, чем выше Еа . Это и обеспечивает при постоянном ігх более низкие значениямтри более высокой.
В пользу предположения, что зависимость i от Е0 не обусловлена изменениями в мезофильных клетках говорит и зависимость скорости изменения поверхностной плотности листа ч/х (которая отражает прежде всего скорость изменения содержания воды в мезофильных клетках) от Е0 (рис. 35). Видно, что ir тем больше, чем больше Е0 . Разброс данных существует (иначе х/ являлось бы постоянной величиной и было бы вообще бесмыс-ленно говорить о зависимости 1/0 от Vx/f ), но они не группируются по значениям Е0 , как в случае взаимосвязи -г (п/-х) на рис. 32.
Если данная гипотеза справедлива, то нет необходимости допустить существование разных механизмов реакции устьиц на изменение влажности воздуха и содержание воды в листе. При скачках влажности воздуха над интактным листом существует непрерывный приток вещества Эв в замыкающие клетки. Скорость выхода воды из замыкающих клеток в этом случае ограничивается скоростью метаболизации ЗЕ и г действительно не зависит от Е0 как вытекает из рис. 34.
На современном уровне знаний вероятно возможны еще другие гипотезы, которые были бы в соответствии с экспериментальными данными. Какая из них справедлива - наша или некоторая другая гипотеза - это покажут будущие экспериментальные работы.
