7.13. Методи вивчення дихання на світлі по газообміну

Для характеристики процесу дихання використовують показник інтенсивності дихання. Методи визначення дихання грунтуються на врахуванні кількості поглинутого кисню і виділеної вуглекислоти.

Визначення кількості виділеної при диханні вуглекислоти можна провести за допомогою трубок Петенкофера або у судинах Толмачова. Принцип методу полягає у врахуванні в закритому об’ємі, виділеної при диханні досліджуваним об’єктом і поглинутого розчином баритової води, СО₂. Після закінчення досліду баритова вода титрується щавлевою кислотою. Таким чином можна визначити кількість зв’язаної вуглекислоти у формі ВаСО₃, виділеної за одиницю часу на одиницю ваги досліджуваного об’єкта.

Визначення кількості поглинутого кисню або виділеного СО₂ можливе за допомогою апарата Варбурга. Це манометричний метод, суть якого полягає у врахуванні зміни тиску у посудинах з досліджуваним об’єктом і розчином їдкого натрію (для врахування О₂) та дистильованої води (для обліку СО₂). На основі показань манометрів і шляхом відповідних розрахунків можна визначити кількість поглинутого кисню і виділеної вуглекислоти за одиницю часу на дану наважку тканини.

Спрощені методи визначення інтенсивності дихання. Для визначення дихання окремих органів рослин можна використати ексикатор, у нижній частині якого вміщується розчин КОН, а на решітку кладуть досліджуваний об’єкт. З’єднують ексикатор з резервуаром кисню. Інтенсивність дихання визначається кількістю поглинутого кисню. Виділена вуглекислота зв’язується їдким лугом і потім визначається титруванням щавлевою кислотою.

Замість ексикатора для визначення кількості виділеного СО₂ можна використати колбу Ерленмейєра. При цьому на дно посудини наливають їдкий луг (Ва(ОН)₂), до пробки прикріпляють мішечок з досліджуваним об’єктом. Виділена під час дихання вуглекислота поглинається лугом, а після закінчення досліду визначається шляхом титрування розчином кислоти за фенолфталеїном.

7. 14. Залежність дихання від зовнішніх і внутрішніх факторів

Як ферментативний процес, дихання залежить від зовнішніх факторів. Серед таких факторів виділяється температура.

Температура. Залежність інтенсивності дихання від температури зображується кривою (рис. 66). У певному інтервалі температур, який може дещо відрізнятися для різних культур, інтенсивність дихання рослинних тканин підпорядковується правилу Вант-Гоффа.

Рис. 64. Схема залежності інтенсивності дихання від температури

(за Лархеном В., 1978)

Відповідно до цього правила швидкість звичайних хімічних реакцій зростає у 2–2,5 рази з підвищенням температури на 10 ^оС. Це збільшення інтенсивності дихання називається температурним коефіцієнтом (Q₁₀). Експериментальні дані свідчать про залежність величини Q від виду рослин, фази розвитку, умов середовища. У інтервалі температур від 0 до 20⁰С Q₁₀ дорівнює 2–3. При температурах вище 20 ^оС температурний коефіцієнт може знижуватися. Так, Q₁₀ листків пшениці у межах 10–20 ^оС становить 2,72, а при 30–40 ^оС – 1,8; зелених плодів лимонів – відповідно 13,4 і 2,3.

Процес дихання має кардинальні температурні точки – мінімум, оптимум, максимум. Мінімальні значення температури – це такі, при яких ще можливе дихання (можуть бути нижчими від 0 ^оС). Оптимальні температури – це ті, які забезпечують найвищу інтенсивність дихання (для більшості рослин помірних широт становлять 35–40 ^оС). Максимальні температури – це гранично високі температури, вище яких відбувається денатурація білків (45–55 ^оС). Ці кардинальні точки не є постійними у рослин і залежать від фази розвитку, фізіологічного стану.

Вологість. Дихання значною мірою залежить від вмісту води у цитоплазмі, гідратації білків, адже більшість біохімічних реакцій відбувається у водному середовищі. Наочним прикладом може бути залежність газообміну від вологості зерна пшениці (табл. 4).

Таблиця 5 – Дихальний газообмін зерна пшениці різної вологості (за Смирновим О.І.)

Вологість зерна, %	За 1 годину при 25 оС, мм3		СО2 : О2
	Поглинуто О2	Виділено СО2
18	2,92	5,75	1,97
25	53,21	57,98	1,09
30	92,55	90,59	0,98

При збільшенні газообміну змінюється і дихальний коефіцієнт, що свідчить про вплив вологості на специфіку дихання.

Умови водопостачання рослин значно впливають на дихання. При нестачі вологи різко зростає дихання коренів і листків.

Посуха викликає і якісні зміни у диханні. Збільшення дихального коефіцієнта свідчить про зниження енергетичного ефекту дихання. В умовах водного дефіциту у тканинах рослин підвищується вміст неорганічного фосфору внаслідок порушення процесів окислювального фосфорилювання.

Таким чином, активування дихання, яке нерідко спостерігається у тканинах з порушеним водним балансом, супроводжується зниженням його енергетичної ефективності.

Світло. Вплив світла на дихання складний і не однозначний. Короткохвильова ділянка спектра стимулює дихання. На світлі у листках утворюються активні відновлювачі (аскорбінова кислота та ін.), які беруть участь у диханні.

Газовий склад середовища. Високі концентрації кисню стимулюють дихання у певних межах. Збільшення концентрації СО₂ у атмосфері викликає зниження активності процесів окислення у тканинах, накопичення у них органічних кислот, що може призводити до шкідливих наслідків.

Зміни газового складу впливають на інтенсивність кисневого дихання, співвідношення активності окремих ферментних систем, шляхи перетворення глюкози.

При нестачі кисню активуються анаеробні процеси і гліколітичний шлях перетворення глюкози. В умовах високого вмісту кисню може підсилюватися пентозофосфатний цикл перетворення глюкози, тобто пряме окислення глюкози без попереднього гліколізу.

Мінеральне живлення. Вплив мінерального живлення на хід окисно-відновних процесів зумовлений тим, що більшість мінеральних елементів безпосередньо входять до складу молекул окислювальних ферментів або можуть бути кофакторами ферментативних реакцій. Крім того, поглинання елементів живлення, як і будь-який інший вид клітинної роботи, пов’язаний з використанням енергії, яку постачає дихання. Транспорт речовин у рослині також тісно пов’язаний з диханням. Тому судинно-волокнистим пучкам властиве більш активне дихання, ніж паренхімним тканинам.

Встановлено, що дефіцит калію призводить до підвищення інтенсивності дихання. Воно може бути наслідком порушення азотного обміну. На окисно-відновновні процеси чинять значний вплив форми азотних добрив. Інтенсивність дихання помітно знижується в умовах нітратного живлення, порівняно з аміачним.

Процеси відновлення NО₃^ залежать від окисно-відновних умов у тканинах кореня. При високій концентрації кисню у навколишньому середовищі відновлення поглинутих нітратів пригнічується, і тому вони накопичуються у тканинах коренів, а це, у свою чергу, стримує їх надходження. Якщо ж у поживному середовищі міститься аміачний азот, то його поглинання підсилюється пропорційно збільшенню парціального тиску кисню.

Внутрішні фактори. Усі органи рослин відрізняються характером онтогенетичного ходу дихання та його інтенсивністю.

Інтенсивність дихання – величина не стала. Найбільшою інтенсивністю дихання характеризуються ростучі тканини (меристеми, зони розтягування), проростаюче насіння та ін. Дуже енергійно дихають квіти, особливо приймочки і пиляки. Висока інтенсивність дихання молодих частин рослин призводить до втрати ними близько 1% своєї маси за добу. Втрати маси старими органами рослини у 10–20 разів менші. Протягом доби рослина у процесі окислення може виділити 5–10 – кратний об’єм СО₂ від об’єму власного тіла.

У листка активність дихання наростає у міру його росту. По закінченні росту збільшення швидкості дихання припиняється, потім вона знижується приблизно вдвоє і досить тривалий час залишається на такому рівні. Найбільш повільно дихають запасаючі тканини. Це пов’язане з низьким вмістом кисню або з наявністю у них інгібіторів ферментів дихання.

Вивченню дії фізіологічно активних речовин на рослинний організм у цілому, а також на функцію дихання і ріст присвячені численні дослідження. На пшениці показано, що гетероауксин (-індолілоцтова кислота) викликає підвищення загального рівня активності дихання і посилення пентозофосфатного перетворення глюкози, порівняно з гліколатним. Прийнято вважати, що гліколітична спрямованість дихання сприяє синтезу ДНК, а значить – і діленню клітин. Пентозофосфатний шлях перетворення глюкози, внаслідок якого утворюється значна кількість рибози, активує синтез РНК. Зростання кількості РНК пропорційно пов’язане зі збільшенням маси сирої речовини. Тому вважають, що ауксини активують ріст рослин через безпосередній вплив на синтез РНК.

Крім ауксину, підсилення інтенсивності дихання при проростанні насіння та у вегетуючих рослин спостерігається також при застосуванні гібереліну і препарату 2,4-Д. Ці інгібітори мають вплив на переміщення ауксинів по рослині і тим впливають на дихання. Інгібітор росту гідразин малеїнової кислоти помітно знижує поглинання тканинами кисню. Обробка посівів цукрового буряку і картоплі за 2-3 тижні до збирання розчином гідразину малеїнової кислоти (9 кг на 1 га) призводить до зменшення втрат крохмалю і цукру при зберіганні врожаю у 2–3 рази.

Отже, створюючи певні зовнішні умови або впливаючи окремими факторами, можна регулювати процес дихання з метою забезпечення максимальної продуктивності рослин.