По свечению растений можно судить об их самочувствии

Флуоресценция хлорофилла в листьях пастернака (Pastinacca sativa). Левый верхний лист поврежден – разрезан в нескольких местах бритвой (черные линии). Зеленые области показывают пониженную эффективность фотосинтеза, красные соответствуют высокой активности, синие – средней, черные – нулевой. Фото с сайта http://www.life.uiuc.edu/.

По флуресценции хлорофилла можно судить о состоянии растения и о его устойчивости к различным стрессирующим факторам. Однако при этом необходимо учитывать естественные возрастные изменения флуоресценции, наблюдающиеся в ходе развития листа.

Растения очень чувствительны к изменениям окружающей среды. Различные физические и химические факторы, влияющие на состояние растительных сообществ, в конечном счете прямо или косвенно отражаются на работе молекулярных систем фотосинтеза (см. схему ). Одним из самых перспективных методов оперативной оценки состояния растения считается метод индукции флуоресценции хлорофилла (ИФХ). Растение держат в темноте, а потом на некоторое время освещают. Хлорофилл, содержащийся в хлоропластах листьев, начинает светиться (флуоресцировать). Сила свечения сначала быстро возрастает, достигает максимума, а затем снижается по довольно сложной траектории, пока не достигнет некоторого стационарного уровня. График изменения флуоресценции от момента начала освещения до достижения стационарного уровня (кривая ИФХ) несет информацию о состоянии фотосинтезирующего аппарата. В практических целях используют несколько стандартных количественных показателей, вычисляемых на основе этого графика. Например, часто используют показатель, называемый «индексом жизнеспособности», который вычисляется как (Fp-Fs)/Fs, где Fp – максимальный уровень флуоресценции, а Fs – стационарный уровень.

Маленькая медуза флуоресцирует ярко-зеленым светом. Красная флуоресценция в середине происходит от хлорофилла съеденных водорослей. Фото Mikhail Matz с сайта http://oceanexplorer.noaa.gov/

В статье Т.В.Нестеренко, А.А.Тихомирова и В.Н.Шихова из института биофизики СО РАН (Красноярск) дается подробный обзор современных подходов к использованию ИФХ в мониторинге растительных сообществ. Авторы обсуждают преимущества метода ИФХ, такие как высокая информативность, чувствительность, интактность (не нужно трогать растение), возможность измерений в природных условиях. Метод ИФХ более оперативен по сравнению со стандартными газометрическими методами измерения фотосинтеза (когда измеряют количество поглощенного углекислого газа и произведенного кислорода). Вместе с тем применение метода ИФХ сталкивается с рядом трудностей теоретического и методического характера. Одна из проблем состоит в том, что кривая ИФХ закономерно меняется с возрастом листа. Если этого не учитывать, то очень трудно отличить изменения патологические, вызванные каким-нибудь внешним неблагоприятным фактором, от изменений, произошедших естественным образом в результате старения листа или всего растения. Например, по мере усиления действия стрессового фактора показатели ИФХ, такие как «индекс жизнеспособности», а также интенсивность фотосинтеза, обычно снижаются. Однако они снижаются и сами собой в процессе старения. Разные стрессоры могут приводить к преждевременному старению фотосинтетического аппарата.

Спектральный анализ флуоресценции хлорофилла (преобладает красный свет). Рис. с сайта http://www.vernier.com/.

Авторы предлагают для оценки устойчивости растений, то есть их способности противостоять стрессирующим факторам, применять онтогенетический подход. На примере огурцов (Cucumis sativus) они показали, как это можно делать. Авторы измеряли площадь листа, один из показателей ИФХ (Fp/Fs) и интенсивность фотосинтеза на протяжении всего цикла развития листа. Измерения проводились для двух групп растений: подвергающихся стрессу (их освещали только красным светом) и контрольных, которых освещали обычным белым светом.

Показатель ИФХ по-разному менялся с возрастом листа в двух группах растений. У контрольных огурцов молодые листья достигали максимального значения показателя Fp/Fs в первые 5 дней после появления, затем показатель немного снижался, а потом наступала довольно долгая стабилизация (стационарный период). Листья возрастом от 10-15 до 30-35 дней имели примерно постоянный уровень показателя Fp/Fs, и только после этого начинали необратимо «стареть» (что проявляется в дальнейшем снижении показателя ИФХ).

У огурцов, находившихся в неблагоприятных условиях, максимум Fp/Fs достигался очень рано (сразу после появления молодого листочка), а затем некулонно снижался; «стационарный период» отсутствовал. Таким образом, стрессовый фактор привел к ускорению онтогенеза листа, иными словами – к ускоренному старению. Авторы полагают, что об устойчивости растений к тем или иным стрессовым факторам можно судить по длительности «стационарного периода». Некоторые стрессовые факторы могут ускорять онтогенез листа, как в проведенном эксперименте, а другие (например, вирусные инфекции) могут его замедлять. В любом случае отклонение длительности «стационарного периода» от нормы может свидетельствовать о патологических изменениях в работе фотосинтетического аппарата.

См. также:

Фотосинтез и флуоресценция (стенограмма телепередачи с участием члена-корреспондента РАН биофизика Андрея Рубина).

Yvan Fracheboud. Using Chlorophyll Fluorescence to Study Photosynthesis.