7. Интенсивность фотосинтеза и методы его определения

Под интенсивностью фотосинтеза (ИФ) понимают количество СО₂, усваиваемое единицей листовок поверхности за единицу времени. ИФ измеряется преимущественно в мг СО₂/(дм²ч) или в мкмоль^ СО₂/(м² с). Реже для характеристики активности фо­тосинтеза используют количество О₂, выделяемое единицей лис­товой поверхности за единицу времени.

Наиболее распространенным методом определения ИФ как в лабораторных, так и в полевых условиях является газометричес­кий. Измерение поглощения СО₂ имеет ряд важных преимуществ (в сравнении с определением накопления сухой массы):

1. данный метод применим в любое время,

2. не приводит к уничтожению растения,

3. позволя­ет оценить прибавку сухои массы за короткий интервал времени (за минуты, часы или дни),

4. дает возможность изучать каждый лист в отдельности и соответственно оценить вклад каждого яруса в фотосинтетическую деятельность расте­ния, отделяя прибыль углерода за счет фотосинтеза от потерь за счет дыхания.

При использовании этого метода лист, растения или группы растений помещпомещаются в прозрачную камеру. ИФ таких объектов определяют с помощью инфракрасных газоанализаторов по содержанипю СО₂ в токе воздуха. Это самый производительный и точный метод учета погло­щения СО₂. Недавно появивились порта­тивные ИК-газоанализаторы на СО₂, используемые при работе в поле.

Обмен СО₂ больших участков, например поля, можно измерить с помощью микрометеорологического метода. При этом ИФ по­севов определяют с помощью параллельных измерений концентрации СО₂ и движения воздуха над посевом.

Радиометрический метод предполагает введе­ние метки по ¹⁴С в виде СО₂. С этой целью лист (целое расте­ние) экспонируется с ¹⁴СО₂ в течение короткого (менее 60 с), но точно изморенного, периода времени. Затем лист срезают, фикси­руют в жидком азоте и определяют содержание в нем ¹⁴С, которое прямо пропорционально ИФ. Метод широко используется для полевого измерения.

Недостатки метода: во-первых, он приводит к гибели растения, во-вторых, может систематически завышать ИФ, осо­бенно у С3-растений, обладающих в сравнении с С₄-растениями значительным фотодыханием.

Полярографическое определение О₂ при помощи электрода, прикладываемого к листовой высечке, является более дешевым методом, альтернативным газометрическому. Он может дать дополнительную ин­формацию, например, о том, что отношение между выделив­шимся О₂ и поглощенной СО₂ не всегда равно 1. Электрод для листовой высечки можно использовать для измерения макси­мальных скоростей фотосинтеза в условиях насыщения СО₂. Этим же способом удобно проводить измерение скорости фото­синтеза в зависимости от освещенности.

Фотосинтетическую активность изолированных хлоропластов также наиболее целесообразно измерять при помощи кислородного электрода (дает возмож­ность определять в суспензии содержание О₂ порядка 0,01 мкмоль).

8. Эндогенные механизмы регуляции фотосинтеза

Проводимость листа. Проводимость листа для молекул СО₂, тесно коррелирует с ИФ. Различают устьичную и остаточную проводимость. Последняя представлена главным образом проводимостью мезофилла. Проводимость - это величина, обратная сопротивлению (измеряется в см/сек).

Устьичная проводимость (УП), или проводимость в газовой фазе, у растений колеблется от 1 см/с, когда устьица широко открыты, до 0,02 см/с при закрытых устьицах.

Проводимость мезофилла (МП), или проводимость молекул СО₂ в жидкой фазе, при их прохождении через клеточные стенки, мембраны, цитозоль и двойную мембрану хлоропласта к местам карбоксилирования в стреме определяется прежде всего актив­ностью карбоксилирующих ферментов фотосинтеза. МП имеют значения 0,1-0,5 см/с у С3-растений и  0,5 см/с у С₄-рас­тений. Более высокая МП у С₄-видов объясняется главным об­разом незначительным фотодыханием. УП у С₄-видов, напротив, ниже, чем у С3-видов, что обусловлено как меньшим числом устьиц на единицу площади листьев, так и меньшими размерами устьичных щелей. Однако суммарная проводимость листа для молекул СО₂ в целом выше для С₄ -растений, что определяет преимущество пос­ледних по ИФ.

Фотохимическое лимитирование фотосинтеза. Скорость фото­синтетического метаболизма часто ограничивается поступлением энергии в форме АТФ и НАДФН, образующихся в мембранах хлоропластов за счет энергии поглощенного света. Считается, что звено, ограничивающее скорость транспорта электронов, на­ходится между ФС1 и ФС2. При этом существует корреляция между транспортом электронов и количеством цитохромов *- и *_-типов, пластохинона и сопрягающего фактора, связанного с мембранами.

Биохимическое лимитирование фотосинтеза. Реакции, катали­зируемые РДФ-карбоксилазой/оксигеназой, наиболее вероят­ное звено лимитирования скорости ассимиляции СО₂. Скорость реакции карбоксилирования является функцией количества фермента, присутствующего в хлоропласте; концентрации суб­стратов (СО₂, О₂ и РДФ) вблизи фермента; степени активации фермента. Содержание карбоксилазы в листьях С3-растений 2,0-3,5 г/м_, что достаточно для обеспечения довольно высо­кой скорости фотосинтеза. Белок РДФ-карбоксилазы представ­ляет большую часть растворимого белка листьев у С3-видов, чем у С₄-видов.

Карбоксилирующий фермент, как правило, содержится в лис­тьях в избыточном коли­честве и поэтому вряд ли ограничивает ассимиляцию СО₂. Ско­рость ферментативной реакции скорее всего лимитируется снаб­жением субстратом РДФ, особенно если недостаточна скорость поступления энергии из световой фазы. Несмотря на то что у С₄-видов первым ферментом карбоксили­рования является ФЭП-карбоксилаза, а не РДФ-карбоксилаза, как у С3-, так и у С₄ -видов существует очень тесная корреляция между ИФ и активностью РДФ-карбоксилазы. Однако энергия, сэкономленная за счет подавления фотодыхания, примерно равна энергии, затраченной на концент­рирование СО₂. Поэтому основным преимуществом С₄-цикла можно считать то, что РДФ-карбоксилаза у С₄ -видов функцио­нирует в условиях насыщающих концентраций СО.

Гормональный эффект. Из донорного листа экспортируются также синтезируемые в хлоропластах вещества гормональной природы, в том числе абсцизовая кислота (АБК). При торможении экспорта ассимилятов, например, путем удале­ния бобов у сои, устьичная проводимость и ИФ резко снижают­ся. Одновременно содержание АБК в листе в сравнении с кон­тролем возрастает в 10 раз. Это приводило к закрыванию устьиц и торможению фотосинтеза.

Частичное удаление корней, где синтезируется цитокинин, транспортируемый по ксилеме водным током, также подавляло фотосинтез листьев. Избыточного накопления углеводов в листьях при этом не установлено, что указывает на важную роль фитогормонов в эндогенной регуляции фотосинтеза.

Донорно-акцепторные отношения. ИФ листа (донор) сильно зависит от запроса на ассимиляты со стороны потребляющих органов (акцептор). Так, удаление клубней с растений карто­феля или плодоэлементов у томата подавляло фотосинтез, а увеличение спроса на ассимиляты или усиление «силы» акцеп­тора, напротив, стимулировало ассимиляцию СО₂ листьями. Например, частичная дефолиация молодых растений яблони или кукурузы резко увеличила ИФ оставшихся листьев для того, чтобы удовлетворить запрос акцепторов на ассимиляты. Удаление колоса у пшеницы снизило ИФ флагового листа на 40 %, а последующее затенение нижних листьев практически восстановило ИФ на прежнем уровне.

Изменение ИФ в онтогенезе растения также можно объяснить изменением запроса на ассимиляты. Высокая ИФ отмечена у листьев обеспечивающих прежде всего рост и развитие плодов.

Накопление углеводов. Повышенная концентра­ция сахарозы или крахмала в листе рассматривалась ранее как один из важных факторов, обусловливающих снижение ИФ. Однако в последние годы появились данные, которые не позволяют однозначно ин­терпретировать влияние высо­кой концентрации углеводов на фотосинтез листа.

Возраст листа (растения). ИФ, как правило, быстро возрастает в период интенсивного роста листовой пластинки, достигая наи­больших значений у завершившего рост листа. Затем начинается постепенное снижение ИФ, которое обусловлено параллельным уменьшением проводимости устьиц и мезофилла для молекул СО₂. Одна из причин снижения МП является уменьшение содержания хлорофилла в результате деградации хлоропластов по мере старения листа (рис.). Скорость транспорта электронов по ЭТЦ и активность ключевого фермента фотосинтеза РДФК снижались. Следовательно, уменьшение фотосинтеза в ходе старения листа нельзя связывать со снижением скорости реакций ни световой, ни темповой фазы в отдельности.

ИФ целого растения или посева достигает максимума в фазе цветения-бутонизации и затем постепенно снижается, достигая наименьших значений перед созреванием репродуктив­ного органа (рис.). Подобный колоколообразный ход ИФ объясняется формированием определенного индекса листовой поверхности (ИЛП) в онтогенезе растения в посеве. Вслед за прекращением роста листьев начинается сни­жение ИФ посева в результате уменьшения площади листьев и увеличения вклада дыхания в суммарный СО₂ обмен посева по мере формирования репродуктивного органа.