doi: 10.15389/agrobiology.2020.1.66rus
УДК 633.15:581.132
Работа выполнена по гранту РФФИ 20-04-00465 А.
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЕ ПИГМЕНТЫ И ФОТОХИМИЧЕСКАЯ
АКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ЛИСТЬЕВ
КУКУРУЗЫ (Zea mays L.) ПОД ВЛИЯНИЕМ ТИАМЕТОКСАМА
Д.А. ТОДОРЕНКО1, О.В. СЛАТИНСКАЯ1, J. HAO2, Н.Х. СЕЙФУЛЛИНА1,
Č.N. RADENOVIĆ3, Д.Н. МАТОРИН1, Г.В. МАКСИМОВ1, 4
В последнее десятилетие неоникотиноидные инсектициды активно используются для защиты растений от вредителей. При этом мало изучено их воздействие на сами растения, в частности на состояние фотосинтезирующих пигментов. В настоящей работе впервые показано, что обработка листьев кукурузы (Zea mays L.) инсектицидом тиаметоксамом (TMX) приводит к снижению функциональной активности фотосистемы II и уменьшению энергизации мембран тилакоидов. Кроме того, эффект воздействия тиаметоксама зависит от генотипа кукурузы. Цель работы заключалась в изучении действия пестицида тиаметоксама на фотосинтетические пигменты и фотохимическую активность фотосинтетического аппарата листьев кукурузы двух генотипов. Опыты проводили в 2018-2019 годах. Объектом исследования служили образцы листьев кукурузы инбредной линии zppl 225 и гибрида zp 341 с высокими показателями всхожести, качества зерна и урожайности (Institut za kukuruz «Zemun Polje»,г. Белград, Сербия). Семена проращивали до появления корешков (длина не менее 5 мм), после чего высаживали в грунт (смесь вермикулит: чернозем — 1:1) и выращивали в условиях 16-часового светового дня при постоянной температуре 25 °С. При появлении 3-го настоящего листа (длина более 4 см) растения опрыскивали раствором TMX в концентрации 0,2 мг/л. В качестве контроля использовали растения, выращенные в аналогичных условиях без опрыскивания TMX. Измерения проводили при достижении 5-м настоящим листом размера 12-14 см. Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофилла a, bи каротиноидов) определяли спектрофотометрически в 100 % экстракте ацетона и рассчитывали по формулам Хольма-Веттштейна. Изменение конформации молекул каротиноидов регистрировали методом спектроскопии комбинационного рассеяния (КР). Светоиндуцированные кинетики быстрой флуоресценции (БФ), замедленной флуоресценции (ЗФ) и модулированного отражения при λ = 820 нм (МР) регистрировали одновременно с помощью мультифункционального анализатора растений M-PEA-2 («Hansatech Instruments», Великобритания). Индукционные кривые БФ (OJIP-кривые) анализировали с помощью стандартного JIP-теста. Установлено, что в фазу 5-го настоящего листа у инбредной линии zppl 225 содержание хлорофиллов в присутствии TMX снижалось с 0,74 до 0,61 мг/г: количество хлорофилла а уменьшилось на 17 %, хлорофилла b — на 24 %. Напротив, в листьях гибрида zp 341 при воздействии TMX изменений в пигментном составе не выявляли. OJIP-кривые у контрольных и обработанных TMX листьев имели типичный вид кривых с характерными фазами O-J, J-I и I-P, которые отражали процессы последовательного восстановления переносчиков в электрон-транспортной цепи фотосинтеза (ЭТЦ) между двумя фотосистемами. Воздействие пестицида на листья двух генотипов кукурузы проявлялось в снижении функционального состояния фотосистемы II, определенного по параметру флуоресценции (PIABS), который был получен на основании анализа OJIP-кривых с помощью JIP-теста. Сравнение PIABS в контроле и при воздействии TMX выявило статистически значимые (p < 0,05) различия: в листьях у образцов zppl 225 и zp 341, обработанных TMX, параметр PIABS снижался соответственно на 29 и 24 %. В листьях кукурузы были обнаружены изменения в быстрой фазе замедленной флуоресценции, связанные с уменьшением энергизации тилакоидной мембраны при воздействии TMX. Анализ максимальных скоростей окисления и восстановления Р700 (кинетика МР) свидетельствует об уменьшении пула акцепторов на акцепторной стороне ФСI в листьях zppl 225 при воздействии TMX. Обнаружено, что реакционные центры (РЦ) ФСI zp 341 проявили устойчивость к воздействию TMX (отсутствие изменений в редокс-превращениях Р700). TMX вызывал изменения конформации молекул каротиноидов, но не менял их содержание в листе. Предложенная комбинация методов быстрой флуоресценции, замедленной флуоресценции, модулированного отражения при λ = 820 нм и спектроскопии комбинационного рассеяния может стать основой для формирования эффективной технологии диагностики ранних дефектов состояния фотосинтетических пигментов при попадании пестицидов в интактное растение.
Ключевые слова: кукуруза, пестициды, тиаметоксам, хлорофилл, каротиноид, флуоресценция, комбинационное рассеяние, Рамановская спектроскопия.
D.A. Todorenko1, O.V. Slatinskaya1, J. Hao2, N.Kh. Seifullina1,
Č.N. Radenović3, D.N. Matorin1, G.V. Maksimov1, 4
In the last decade, neonicotinoid insecticides have been actively used to protect plants from pests. Moreover, their effect on the plants, in particular on the state of photosynthetic pigments, has been studied paucity. In the present work, it was shown for the first time that treatment of maize (Zea mays L.) leaves with a thiamethoxam (TMX) insecticide leads to a decrease in the functional activity of photosystem II and a decrease in the energyzation of thylakoid membranes. In addition, the effect of thiamethoxam depends on the genotype of maize. The aim of the work was to study the effect of thiamethoxam pesticide on photosynthetic pigments and the photochemical activity of the photosynthetic apparatus of corn leaves of two genotypes. The experiments were carried out in 2018-2019. The object of the study was samples of maize leaves of the inbred line zppl 225 and hybrid zp 341 with high rates of germination, grain quality and yield (Institut za kukuruz “Zemun Polje”, Belgrade, Serbia). The seeds were germinated until the roots appeared (length not less than 5 mm), after which they were planted in the soil (vermiculite:chernozem mixture, 1:1) and grown under 16-hour daylight at a constant temperature of 25 °С. When the third true leaf appeared (more than 4 cm in length), the plants were sprayed with a TMX solution at a concentration of 0.2 mg/l. Plants grown under similar conditions without TMX spraying were used as controls. The measurements were carried out when the fifth true leaf reached a size of 12-14 cm. The content of photosynthetic pigments (chlorophyll a, b and carotenoids) was determined spectrophotometrically in 100 % acetone extract and calculated using the Holm-Wetstein formula. A change in the conformation of carotenoid molecules was recorded by Raman spectroscopy. Light-induced kinetics of prompt fluorescence (PF), delayed fluorescence (DF) and modulated reflection at λ = 820 nm (MR) were recorded simultaneously using a multifunctional plant efficiency analyzer M-PEA-2 (Hansatech Instruments, Great Britain). PF induction curves (OJIP curves) were analyzed using a standard JIP-test. It was found that in the phase of the fifth true leaf, in the inbred line zppl 225, the chlorophyll content in the presence of TMX decreased from 0.74 to 0.61 mg/g: the amount of chlorophyll a decreased by 17 %, chlorophyll b by 24 %. In contrast, no changes in pigment composition were detected in the leaves of the zp 341 hybrid when exposed to TMX. The OJIP curves of the control and TMX-treated leaves had a typical curve with characteristic O-J, J-I, and I-P phases, which reflected the processes of sequential reduction of carriers in the electron transport chain of photosynthesis (ETC) between two photosystems. The effect of the pesticide on the leaves of two maize genotypes was manifested in a decrease in the functional state of photosystem II, determined by the fluorescence parameter (PIABS), which was obtained based on the analysis of OJIP curves using the JIP-test. Comparison of PIABS in the control and under the influence of TMX revealed statistically significant (p < 0.05) differences: in the leaves of zppl 225 and zp 341 samples treated with TMX, the PIABS parameter decreased by 29 and 24%, respectively. Changes in the fast phase of delayed fluorescence, associated with a decrease in the energyzation of the thylakoid membrane upon exposure to TMX, were detected in the leaves of maize. An analysis of the maximum oxidation and reduction rates of P700 (MR kinetics) indicates a decrease in the acceptor pool on the acceptor side of PSI in zppl 225 leaves when exposed to TMX. It was found that the reaction centers (RCs) of PSI zp 341 showed resistance to TMX (no change in the redox transformations of P700). TMX caused changes in the conformation of carotenoid molecules, but did not change their content in the leaf. The proposed combination of methods for prompt fluorescence, delayed fluorescence, modulated reflection at λ = 820 nm and Raman spectroscopy can be the basis for the formation of an effective technology for the diagnosis of early defects of photosynthetic pigments when pesticides enter an intact plant.
Keywords: Zea mays L., pesticides, Raman spectroscopy, thiamethoxam, chlorophyll, carotenoids, chlorophyll fluorescence.
1ФГБОУ ВО Московский государственный университет |
Поступила в редакцию |
