Чупахина Г.Н. Система аскорбиновой кислоты растений

Подождите немного. Документ загружается.

АК длинноволновый красный свет с ближним инфракрасным 690-1100 и 720-

1100 нм, который малоактивен для фотосинтеза. Таким образом, спектры

действия фотосинтеза и биосинтеза АК в отдельных областях не совпадают. Это

дает основание предположить, что биосинтез АК в зеленых проростках ячменя

прямо не связан с фотосинтезом.

Этиолированные проростки ячменя, несмотря на не полностью

синтезированный

за 10 часов опыта пигментный аппарат, отличались большей

чувствительностью к освещению, чем зеленые. Так, содержание АК в них

увеличилось на синем 430-520 нм, фиолетовом 370-460 нм, ультрафиолетовом

320-400 нм и инфракрасном 880-3000 нм свету, т.е. в тех участках спектра,

которые не стимулировали биосинтез АК в зеленых проростках.

На зеленом свету 480-560 нм АК накапливалась как

в зеленых, так и в

этиолированных проростках, однако в последних более интенсивно, что тоже

говорит о большой чувствительности к освещению этиолянтов.

Для этиолированных проростков ячменя, так же, как и для зеленых,

неактивным оказался красный свет с ближним инфракрасным 600-1100 нм

интенсивностью 26 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

. Увеличение содержания АК в

этиолированных проростках на УФ и инфракрасном свету - неактивных для

фотосинтеза участках спектра - подтверждает высказанное ранее предположение

о том, что биосинтез АК в растениях прямо не связан о фотосинтезом, а

протекает при участии специфических фотобиохимических реакций. Об этом же

говорят и данные опытов с использованием экзогенной глюкозы-

С [171].

Вывод об отсутствии прямой связи между фотосинтезом и биосинтезом АК

находит подтверждение в исследовании роли зеленых пигментов в накоплении

АК. При решении этого вопроса мы исходили из следующего положения: если

существует прямая зависимость между биосинтезом аскорбиновой кислоты и

наличием хлорофилла, то освещение проростков светом с длиной волны,

соответствующей пикам поглощения

хлорофилла А и В в листе [123] как в

красной, так и в сине-фиолетовой области, способствовало бы накоплению

аскорбиновой кислоты. Этим самым была сделана попытка выяснить спектр

действия биосинтеза аскорбиновой кислоты.

В результате исследований [104,109] было выяснено, что свет с длиной

волны 370-460 нм, соответствующей пику поглощения хлорофилла А в

фиолетовой области,

и 440-520 нм, включающей пик поглощения хлорофилла В

в синей области, не оказал влияния на биосинтез аскорбиновой кислоты в

проростках ячменя при интенсивности 6 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

. Красный свет 670-740

нм, соответствующий пику поглощения хлорофилла А, оказывал положительное

действие на биосинтез АК лишь при высокой интенсивности, равной 12 тыс.

эрг⋅см

-2

⋅с

-1

При добавлении к свету данного участка спектра более коротковолнового

красного света, включающего пик поглощения хлорофилла В в красной области,

накапливалось значительное количество АК уже при интенсивности света

500 эрг⋅см

-2

⋅с

-1

Одновременное освещение проростков светом, соответствующим пикам

поглощения хлорофилла А в фиолетовой и красной областях, практически не

изменило содержания АК (табл. 11), хотя, как известно, хлорофилл А является

основным пигментом фотосинтеза. Следовательно, спектры действия

фотосинтеза и биосинтеза АК в области поглощения хлорофилла А не

совпадают.

Таблица 11

Влияние света с длиной волны, включающей пики поглощения

хлорофилла А и В в красной и сине-фиолетовой областях, на биосинтез

аскорбиновой кислоты в проростках ячмени (экспозиция 10 ч)

Условия опыта

Интенсивность

света в тыс.

Содержание

восстановленной

АК

эрг⋅см

-2

⋅с

-1

в мкг/г в %

В темноте - 147,8 100

На свету с длиной волны:

370-460 нм, соответствующей пику поглощения

хлорофилла А в фиолетовой области;

670-740 нм, соответствующей пику поглощения

хлорофилла А в красной области

0,7

5,0

159,6

108

На свету с длиной волны:

440-520 нм, соответствующей пику поглощения

хлорофилла В в синей области;

635-780 нм, соответствующем пикам

поглощения хлорофилла А и В в красной области

0,7

5,0

184,4

125

На свету лампы накаливания 5,7 180,6 122

К сожалению, с помощью стеклянных светофильтров точно выделить свет,

включающий пик поглощения хлорофилла В в красной области, нам не удалось,

поэтому исследовали свет, включающий пики поглощения хлорофилла В в

синей в хлорофиллов А и В в красной областях. Этот свет оказался активным

для биосинтеза АК и по своему действию был идентичен

действию света лампы

накаливания равной интенсивности. Физиологическая роль хлорофилла В в

растениях еще не достаточно ясна. Возможно, что он, поглощая свет

соответствующей части красной области спектра, участвует и в

фотобиохимическом синтезе АК. В то же время не исключено, что активность

света 635-780 нм объясняется добавлением к неактивному участку спектра 670-

740 нм, соответствующему

пику поглощения хлорофилла А в красной области,

более коротко- и длинноволновой радиации, т.е. расширением спектра

действующего света. Во всех наших опытах белый свет (полихроматический) был эффективнее в

биосинтезе АК, чем монохроматический. При сочетании света нескольких

участков видимой области спектра также синтезировалось больше АК, чем при

действии света одного участка

спектра; в иных случаях активным оказался свет,

полученный при смешении неактивных для биосинтеза АК областей спектра.

Так, под действием синего света 430-520 нм интенсивностью 25 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

содержание АК в зеленых проростках не изменилось (рис. 9). Неэффективным

оказался и фиолетовый свет 370-460 нм интенсивностью 6 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, тогда

как сине-фиолетовый свет 370-500 нм уже при интенсивности, равной 3 тыс.

эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, положительно влиял на накопление АК. Данный эффект, вероятно,

не является точной копией эффекта Эмерсона, наблюдаемого в фотосинтезе и

заключающегося в усилении активности действующего света при

дополнительном освещении светом другой длины волны. В наших опытах

активным для биосинтеза АК оказался свет, полученный при сочетании двух

неактивных участков спектра. В связи с

этим и активность белого света в

биосинтезе АК, по-видимому, нельзя рассматривать только как простое

складывание активных для биосинтеза АК участков спектра.

Рис. 9. Процент увеличения биосинтеза АК на синем свету 430-520 нм интенсивностью

25 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

(1), фиолетовом 370-460 нм интенсивностью 6 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

(2)

и сине-феолетовом 370-500 нм интенсивностью 3 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

(3)

по отношению к контролю (темнота). Экспозиция 10 часов

Обзор литературных данных по действию света различного качественного

состава на биосинтез АК показывает, что изучается в основном действие света

широких участков спектра и остается невыясненной роль света чистых

спектральных линий. Нами [107] исследовался свет синей спектральной линии

436 нм, выделенной из излучения ртутно-кварцевой лампы ПРК-7, при

использовании светофильтров СС5, С3С18,

ЖС11, а также свет зеленой линии

546 нм (светофильтры ЖС17, С3С10, ПС7) и желтой - 577 нм (светофильтры

С3С10; ОС13; 3С7). Инфракрасная радиация устранялась водным экраном.

Действие света спектральных линий сравнивалось с действием света

соответствующих участков спектра равной интенсивности (6,5 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

рис. 10). Неэффективным для биосинтеза АК оказался свет синей спектральной

линии и синего участка спектра (430-520 нм). Свет зеленой спектральной линии

не изменил содержания аскорбиновой кислоты ни при интенсивности света,

равной 6,5 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, ни при 13 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, тогда как свет зеленого

участка спектра (480-600 нм), как всегда, проявил большую активность. Из трех

исследованных спектральных линий только свет желтой линии оказал

положительное действие на образование аскорбиновой кислоты. Однако свет

желто-оранжевого участка спектра оказался более благоприятным для

биосинтеза АК, чем свет желтой спектральной линии. Следовательно, в

биосинтезе АК свет

широких участков спектра используется лучше, чем свет

соответствующих спектральных линий при равных интенсивностях.

Рис. 10. Биосинтез АК проростками ячменя:

А - в темноте; Б - на синем свету 430-520 нм; В - на свету синей спектральной линии

436 нм; Г - на белом свету; Д - на зеленом свету 480-600 нм, с резким уменьшением

интенсивности в желтой части спектра; Е - на свету зеленой спектральной линии

436 нм; Ж -

на желто-оранжевом свету 550-780 нм со значительным уменьшением

интенсивности в красной части спектра; З - на свету желтой линии 577 нм.

Экспозиция 6 часов. Интенсивность света 6,5 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

Известно, что энергия кванта света коротковолновой области спектра

превосходит таковую в более длинноволновой области. Поэтому при сравнении

действия света различных участков спектра друг с другом необходимо

выравнивать их по квантам. Это было учтено в следующей серии опытов, где

исследовалось действие красного 652 и 645 нм, желтого 587 нм и зеленого света

553 нм интенсивностью 1,44

⋅10

квантов⋅см

-2

⋅с

-1

на биосинтез АК в 9-10-

дневных проростках озимого ячменя сорта Паллидум 330/2.

Монохроматический свет был выделен с помощью интерференционных

светофильтров от кинопроекционной лампы, мощностью 400 Вт, являющейся

точечным источником света. С помощью специальной установки на

интерференционный светофильтр проектировали параллельный пучок света, что

давало возможность выделить монохроматический свет с шириной в максимуме

пропускания 9-12 нм.

Приведенные данные (табл. 12) подтвердили сделанный ранее вывод о

высокой активности в биосинтезе АК красного света, соответствующего пику

поглощения хлорофилла В в красной области спектра (645 нм), а также зеленого

света с длиной волны в

максимуме пропускания светофильтра 553 нм. Однако

наибольшую активность в биосинтезе АК проявил желтый свет - 587 нм, на

котором уровень АК увеличился на 160% по сравнению с темновым контролем.

Сказанное дает основание заключить, что акцепторами света в процессе

светозависимого накопления АК могут быть соединения, поглощающие свет в

коротковолновой красной области спектра и в желто-

зеленой области.

Таблица 12

Влияние зеленого, желтого и красного света интенсивностью

1,44⋅10

квантов⋅см

-2

⋅с

-1

на биосинтез АК в 9-10-дневных

проростках озимого ячменя (экспозиция 8 ч)

№ Вариант Содержание АК

опыта опыта мкг/г %

1 В темноте

58±1,5

100

На зеленом свету 553 нм

110±4,0

190

2 В темноте

30±2,0

100

На желтом свету 587 нм

78±2,0

260

3 В темноте

36±0,5

100

На красном свету 645 нм

76±3,5

211

4 В темноте

22±0,5

100

На красном свету 652 нм

33±1,0

150

Продукты фотосинтеза во многом определяются качеством действующего

света: работами Н.П.Воскресенской [18, 19] и других [280, 215] показано слабое

образование углеводов на синем свету, поэтому можно предположить, что

неэффективность синего света (430-520 нм) в процессе образования АК

объясняется недостаточной обеспеченностью данного процесса углеводами.

Однако в серии опытов, проведенных с зелеными проростками ячменя,

плавающими на 0,5%-

ном растворе глюкозы, где не было недостатка в

исходном материале, также наблюдалась слабая активность синего света по

сравнению с красным (620-740 нм) и зеленым (480-600 нм) светом (рис. 11)

[102]. На синем свету в проростках, получивших экзогенную глюкозу, накопление

АК отмечалось лишь при высокой интенсивности синего света, равной 20 тыс.

эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, тогда как на белом свету в проростках даже без дополнительного

снабжения углеводами биосинтез АК шел уже при интенсивности света, равной

около 100 эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, на зеленом свету - при интенсивности света, равной 4,4

тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

, а на коротковолновом красном - при 2,3 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

Следовательно, активный для фотосинтеза синий участок спектра (430-520 нм)

проявляет некоторую активность в биосинтезе аскорбиновой кислоты лишь при

высоких интенсивностях света и при дополнительном снабжении углеводами.

Вероятно, спектры действия фотосинтеза и биосинтеза аскорбиновой кислоты в

отдельных областях не совпадают, а свет оказывает специфическое действие на

биосинтез АК помимо фотосинтетического процесса. Аналогичный вывод

делает И.Руге [379]. Однако в литературе имеется ряд

указаний о

положительном действий синего света на биосинтез АК: Нива, Катаяма [351],

И.А. Чернавина [167], К. Богдански, Н. Богданска [220]. Но так как большинство

авторов для выделения синего света использовало цветные пленки, то, скорее

всего, они имели дело не с чисто выделенным синим участком спектра, а с

комплексным светом, который используется в

биосинтезе АК лучше, чем свет

монохроматический [186].

- ДАК

- АК

Рис. 11. Биосинтез АК и ДАК листьями ячменя, находящимися на 0,5%-ном

растворе глюкозы в темноте (а), на синем 430-520 нм (б), зеленом 480-600 нм (в),

красном 620-740 нм (г) и белом свету (д) интенсивностью 20 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

8 часов

Обобщая вышеизложенное, можно заключить, что свет играет важную роль

в биосинтезе АК, причем большое значение в этом процессе имеет качественный

состав света. Действие света на биосинтез АК не только осуществляется через

фотосинтез, дающий субстрат для аскорбата, но и носит специфический

характер, что дает основание рассматривать в целом образование АК как

фотохимический процесс; хотя, скорее всего, лишь некоторые реакции (или

реакция) на пути от углеводов к АК являются фотохимическими. Таким может

быть

последний этап в образовании АК из предшественника [343].

4.2. Биосинтез аскорбиновой кислоты проростками

с измененным соотношением зеленых и желтых пигментов

При прорастании семян даже в темноте в проростках образуется АК.

Содержание ее в первые дни увеличивается до определенного предела, затем

понижается, что связывается с исчезновением субстратных ресурсов семени

[374,379]. Для новообразования

же АК необходим свет. При перенесении на

свет этиолированных проростков наряду с накоплением АК происходит их

зеленение, поэтому естественным было связывать новообразование АК с

накоплением пигментов.

Работами многих авторов показано, что хлорофиллоносные ткани растений

наиболее богаты АК [39, 52, 142]. Подтверждением этого положения могут

служить исследования Т.Сугавары [414], в которых 5-дневные этиолированные

проростки редиса

, кукурузы и китайской капусты при прозеленениии на свету

высокой интенсивности внешне были тёмно-зелёными и содержали больше АК,

чем желто-зеленые проростки, находящиеся на свету низкой интенсивности. В

других опытах освещение 5-дневных проростков кукурузы, содержащих

хлорофилл, приводило к накоплению в них АК, в то время как альбиносные

проростки при освещении

не меняли уровня АК. Увеличивающийся синтез АК

на свету, по мнению автора, был, несомненно, прямо или косвенно обусловлен

влиянием света на деятельность хлоропластов.

Как считает Ф.Я.Механик [83], прямая зависимость между содержанием АК

и хлорофилла имеет место лишь в определенных пределах уровней этих

показателей. Количество АК растет параллельно с увеличением содержания

хлорофилла лишь до 85% от его содержания в нормальных листьях. У зеленых

овощей, по данным А.Акао [197], отношение содержания хлорофилла к АК

составляет 0,81, а в семядолях японской редьки при 48-часовом освещении

между содержанием хлорофилла и АК отмечалась линейная зависимость при

коэффициенте корреляции 0,96 [284].

Детальные исследования динамики зеленения этиолированных проростков

подсолнечника, кукурузы, репы,

конских бобов и овса [415] показали, что через

30-60 минут после начала освещения в проростках появляется хлорофилл А и

начинается фотосинтез. Только после этого отмечается новообразование АК.

Хлорофилл В появляется через 2-3 часа после хлорофилла А, отсюда следует,

что присутствие хлорофилла В не обязательно для начала образования АК. В то

же время И.

Руге [379] считал, что природа листовых пигментов,

обусловливающих синтез АК, еще не ясна и что они не идентичны ни

хлорофиллу, ни каротину. М.Мириманов [342] предполагал наличие в

клеточном соке связи АК с флавонолами.

Однако, хотя большее количество АК обычно находится в

хлорофиллоносных тканях, ряд авторов [233 363, 374, 415] указывает на

отсутствие параллелизма в образовании АК и хлорофилла. М.Рэйд [374]

отмечала, что

листья могут иметь очень мало хлорофилла, но содержать много

АК или иметь очень много хлорофилла, но сравнительно мало АК. В работе

К.Г.Врублевской [22] показано, что в отдельные фазы онтогенеза конских бобов

значительное количество АК находится в корнях, куда она может

транспортироваться из листьев [169]. Независимость образования АК от

содержания хлорофилла

А.М.Смирнов и К.Е.Овчаров [148] подтверждают

опытами с изолированными корнями ряда растений, в которых на свету

отмечалось увеличение содержания АК. Корни более 25 месяцев росли без

надземных органов, поэтому, как считают авторы, нет оснований считать, что в

синтезе АК принимал участие хлорофилл. Вопрос о взаимоотношении АК и желтых пигментов изучен

крайне

недостаточно. В.А.Бунаков и др. [10, 363], исследуя плоды томата, моркови,

шиповника, отмечают отсутствие определенного соотношения между

содержанием АК и каротина. Некоторые авторы считают, что существует

антогонизм между процессами образования каротина и АК. В.С.Фёдорова [160],

напротив, наблюдала одновременное накопление АК и каротина у лиственницы,

кедра и кипрея с поднятием

их в горы до верхних границ массового

распространения видов. Такие противоречивые сведения дают основание сказать, что

функциональные связи между хлорофиллоносностью клеток и синтезом в них

АК остаются пока неясными [247]. То же самое с еще большим правом, можно

сказать о взаимосвязи биосинтеза АК и желтых пигментов.

В работе М.М.Окунцова и

др. [109] было показано, что, создавая различные

условия освещения для этиолированных проростков, можно получить растения с

определенным соотношением зеленых и желтых пигментов и что особенно

большим различием в содержании зеленых пигментов отличаются проростки,

выращенные на синем и зеленом свету. В своих исследованиях мы использовали

это свойство проростков для получения растений, отличающихся

по

содержанию пигментов, с тем чтобы на этих объектах выяснить зависимость

образования АК от количественного содержания пигментов (хлорофилла А,

хлорофилла В, каротина, лютеина, виолаксантина). В результате проведенных

опытов не обнаружено количественной зависимости в содержании АК и

пигментов, а в некоторых случаях растения, содержащие больше зеленых и

желтых пигментов, отличались даже более

низким уровнем АК (табл.13).

Возможно, здесь имеет место такое же явление, как в случае фотосинтеза и

хлорофилла, где также не наблюдается количественной зависимости

интенсивности фотосинтеза от содержания зеленых пигментов, хотя роль

хлорофилла в фотосинтезе общеизвестна.

4.3. Исследование способности альбиносных проростков

накапливать аскорбиновую кислоту на свету

Освещенные части растений обычно содержат больше АК, однако при

исследовании действия света на ее биосинтез рядом исследователей

высказывалось предположение, что этот процесс прямо не связан с

фотосинтезом [244, 246, 339]. Подтверждением такого мнения могут служить

данные о несовпадении в некоторых областях спектров действия биосинтеза АК

и фотосинтеза [101, 103]. Неясными пока остаются функциональные связи

между хлорофиллоносностью

клеток и синтезом в них АК [24, 109].

Таблица 13

Влияние белого света на образование аскорбиновой кислоты и пигментов в проростках ячменя,

выращенных на синем (430-520 нм) и красном свету (620-1100 нм) интенсивностью 9 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

Содержание пигментов в γ на 1 г

Содержание АК

Условия выращивания проростков хлорофилл каро- люте- виолак- в мг % в %

А В тин ин сантин

1, 2 день - в темноте 0,00 0,00 6,70 23,91 17,84 13,42 100

3, 4, 5 день:

в темноте

по 8 часов на синем свету ежедневно

по 8 часов на красном свету ежедневно

192,83

47,85

14,97

31,44

23,11

107,2±1,3

154

6 день:

в темноте

8 часов на белом свету интенсивностью 5 тыс. эрг⋅см

-2

⋅с

-1

После освещения 15 часов в темноте

725,58

846,26

245,01

285,41

36,86

43,60

48,26

50,03

35,75

36,40

184,0±2,2

179,2±4,4

137

134