Об использовании изотопных различий углерода фракций биомассы в растениях для изучения транспортных потоков и донорно-акцепторных отношений при разных световых режимах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Показано, что различия в изотопном составе углерода водорастворимой и водонерастворимой фракции биомассы листа растений, а также флоэмы эволюционно обусловлены, связаны с метаболическими реакциями при ассимиляции и фотодыхании и не зависят от режима освещенности и от спектральных диапазонов ФАР, используемых при освещении. Они являются причиной изотопных различий ассимиляционного и фотодыхательного углеродных фондов, питающих различные метаболические процессы. Благодаря строгой временной и пространственной организации метаболизма потоки углерода из фондов сохраняют изотопные различия, полностью не перемешиваясь. Отличия изотопного состава углерода водорастворимой фракции биомассы и углерода сока флоэмы от углерода водонерастворимой фракции невелики (1–3‰), но вполне устойчивы и легко фиксируются. Углерод водорастворимой фракции весьма близок по изотопному составу к углероду флоэмы и заметно обогащен изотопом 13С относительно водонерастворимой фракции, что позволяет использовать его как маркер при изучении транспорта ассимилятов в растениях, особенно в период бутонизации и плодоношения. Показано, что причиной обогащенности автотрофных органов и тканей изотопом 12С относительно углерода гетеротрофных частей растения является преимущественное участие в их образовании изотопнолегкого ассимиляционного фонда, тогда как в формировании гетеротрофных органов принимает участие изотопнотяжелый фотодыхательный фонд. Показано, что проявлением двух изотопноразличающихся фондов является обнаруженная связь изотопного состава углерода листьев с их возрастом.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Ивлев

Всероссийский научно-исследовательский геологический нефтяной институт (ВНИГНИ), Апрелевское отделение

Автор, ответственный за переписку.
Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, 1-я ул. Кетрица, г. Апрелевка, Московская область, 143360

В. А. Литвинский

Палеонтологический институт РАН имени А. А. Борисяка

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Профсоюзная ул., Москва, 117647

Н. М. Пржевальский

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

Д. А. Товстыко

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

А. С. Шмаков

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

М. П. Ломакин

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

Н. Н. Слепцов

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

И. Г. Тараканов

Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К. А. Тимирязева

Email: aa.ivlev@list.ru
Россия, Тимирязевская ул., 49, Москва, 127434

Список литературы

  1. Биогенез природных соединений /Под ред. Гинодмана Л. М. М.: Мир 1965. 712 с.
  2. Ивлев А. А. О потоках «легкого» и «тяжелого» углерода при сопряжении фотосинтеза и фотодыхания. // 1993. Физиология растений. Т. 40. С. 872–880.
  3. Ивлев А. А. Изотопное фракционирование и клеточные механизмы углеродного метаболизма в фотосинтезирующей клетке. М.: РГАУ – МСХА. 2009. 74 с.
  4. Ивлев А. А. Тараканов И. Г. Интерпретация суточных вариаций изотопных характеристик углерода растений в рамках осцилляционной концепции фотосинтеза на примере клещевины (Ricinus communis L.). // Известия ТСХА. 2013. Вып. 1. С. 36–46. https://doi.org/10.1134/S1062359023601726
  5. Ивлев А. А., Товстыко, Д. А., М. П. Ломакин, А. С. Шмаков, Н. Н. Слепцов, В. А. Литвинский, Н. М. Пржевальский, И. Г. Тараканов. О влиянии длин волн разных диапазонов фотосинтетически активной радиации на изотопный состав углерода биомассы растений и ее фракций (на примере салата (lactica sativa l.) сорта Афицион) // Изв. РАН. Серия биол. 2023, № 5. С. 1–8. https://doi.org/10.0.124.113/S1026347022600534
  6. Калинкина Л. Г., Удельнова Т. М. Влияние фотодыхания на фракционирование стабильных изотопов углерода у морской хлореллы // Физиология растений. 1990. Т. 37. С. 96–104.
  7. Калинкина Л. Г., Удельнова Т. М. Механизм вовлечения гликолатного пути в накопление свободного пролина у морской водоросли в условиях засоления // 1991. Физиология растений. Т. 38. С. 948–958.
  8. Калинкина Л. Г., Русинов Н. Г. Влияние NaCl на оксигеназную активность рибулозодифосфаткарбоксилазы, на активность гликолатдегидрогеназы и выделение гликолевой кислоты // Физиология растений. 1981. Т. 28. С. 5–13.
  9. Курсанов А. А. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука. 1976. 644 с.
  10. Чиков В. И. Фотодыхание // Соросовский образовательный журнал 1996. № 11. С. 2–8.
  11. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4 – растений: механизмы и регуляция. М.: Мир. 1986. 589 с.
  12. Badeck Franz-W., Tcherkez G., Nogue S. Cle´ment P., Ghashghaie J. Post-photosynthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs – a widespread phenomenon // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005. V. 19. C. 1381–1391. https://doi.org/10.1002/rcm.1912
  13. Batheller C., Badeck F.-W., Couzi Ph., Harscoet S., Mauve C. Divergence in δ13C of dark respired CO2 and bulk organic matter occurs during transition between heterotrophy and autotrophy in Phaseolus vulgaris plants // New Phytologist. 2008. V. 177. P. 406–418. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02246.x
  14. Сraig H. Carbon-13 in plants and relationships between carbon-13 and carbon-14 variations in nature // J. Geology. 1954. V. 62. № 2. P. 53–92.
  15. Cernusak L. A., Tcherkez G., Keitel C., Cornwell W. K, Santiago L. S., Knohl A., Barbour M. M., Williams D. G., Reich P. B., Ellsworth D. S., Dawson T. E., Griffiths H. G., Farquhar G. D., Wright I. J.. Why are non-photosynthetic tissues generally 13C enriched compared with leaves in C3 plants? Review and synthesis of current hypotheses // Funct. Plant Biol. 2009. V. 36. P. 199–213. https://doi.org/10.1071/FP08216
  16. Cernusak L. A., Arthur D. J., Pate J. S. & Farquhar G. D. Water relations link carbon and oxygen isotope discrimination to phloem sap sugar concentration in Eucalyptus globulus // Plant Physiology. 2003. V. 131 P. 1544–1554. https://doi.org/10.1104/pp.102.016303
  17. Chen X. L., Yang Q. C., Song W. P., Wan, L. C., Guo W. Z., Xue X. Z. Growth and nutritional properties of lettuce affected by different alternating intervals of red and blue LED irradiation. // Sci. Hortic. 2017. V. 223. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2017.04.037
  18. Dubinsky A. Yu., Ivlev A. A. Computational analysis of the possibility of the oscillatory dynamics in the processes of CO2 assimilation and photorespiration // Biosystems. 2011. V. 103 P. 285–290. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2010.11.003
  19. Dubinsky A. Yu., Ivlev A. A., A., Igamberdiev A. U. Theoretical Analysis of the Possibility of Existence of Oscillations in Photosynthesis // Biophysics. 2010. V. 55. № 1. P. 55–58. https://doi.org/10.1134/S0006350910010094
  20. Gessler A., Keitel C., Kodama N., Weston Ch, Winters A. J., Keith H., Grice K., Leuning R., Farquhar G. D. δ13C of organic matter transported from the leaves to the roots in Eucalyptus delegatensis: short-term variations and relation to respired CO2 // Funct. Plant Biology. 2007. V. 34. P. 692–706. https://doi.org/10.1071/FP07064
  21. Gessler A., Tcherkez G., Peuke A. D., Ghashghaie J. G., Farquhar G. D. Experimental evidence for diel variations of the carbon isotope composition in leaf, stem and phloem sap organic matter in Ricinus communis // Plant, Cell Environ. 2008. V. 31 P. 941–953. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2008.01806.x
  22. Ivlev A. A. Oscillatory nature of metabolism and carbon isotope distribution in photosynthesizing cells Oscillatory nature of metabolism and carbon isotope distribution in photosynthesizing cells // Photosynthesis – fundamental aspects / ed. Najafpour M. M. Intech Publishers. Croatia. 2012. P. 341–366. https://doi.org/10.5772/26219
  23. Lerman J. C., Deleens E., A. Nato, A. Moyse. Variations in the Carbon isotope Composition of a Plant with Crassulacean Acid Metabolism // Plant Physiology. 1974. V. 53. P 581–584. https://doi.org/10.1104/pp.53.4.581
  24. Lanoue J., Leonardos E. D., Grodzinski B. Effects of light quality and intensity on diurnal patterns and rates of photo-assimilate translocation and transpiration in tomato leaves. Front. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 756–762. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00756
  25. Monti A., Amaducci M. T., Pritoni G., Venturi G. Variation in carbon isotope discrimination during growth and at different organs in sugar beet (Beta vulgaris L.) // Field Crops Research. 2006. V. 98. Iss. 2.3. P. 157–163. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2006.01.002
  26. Murthy B. F., Nier A. O. Variations in the relative abundances in the carbon isotopes // Phys. Rev. 1941. V. 59. P. 771–772. https://doi.org/10.1021/ja01872a047
  27. Saranga Y., Flash I., Patersson A. H., Yakir D. Carbon isotope ratio in cotton varies with growth stage and plant organ // Plant Science. 1999. V. 142. P. 47–56. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(99)00004-7
  28. Shimazaki K., Doi M., Assmann S. M., Kinoshita T. Light regulation of stomatal movement // Annu. Rev. Plant Biol. 2007. V. 58. P. 219–247. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105434
  29. Son K. H., Oh M. M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hort. Sci. 2013. V. 48. P. 988–995. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.48.8.988
  30. Tarakanov I. G., Tovstyko D. A., Lomakin M. P., Shmakov A. S., Sleptsov N. N., Shmarev A. N., Litvinskiy V. A., Ivlev A. A. Effects of light spectral quality on the photosynthetic activity, biomass production, and carbon isotope fractionation in lettuce plants // Plants. 2022. V. 11. P. 441. https://doi.org/10.3390/plants11030441
  31. Wickman F. E. Variations in the relative abundance of carbon isotope in plants // Geochim. et Cosm. Acta. 1952. V. 2. P. 243–254. https://doi.org/10.1038/1691051a0

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024