Нуклеиновый и белковый обмен растений (часть 5)
Мы изучали также содержание белкового азота в клеточных структурах гомогенатоз листьев сахарной свеклы, выращенной в условиях песчаных культур на смеси ВНИСа. Определения проводили в начале (4 июня) и в конце вегетации (26 сентября) (табл. 76). Как и в опытах с бобами, горохом и кукурузой, в начале вегетации из органоидов клеток сахарной свеклы наиболее обогащена белковым азотом цитоплазма, далее следуют хлоропласты. К концу вегетации значительно возрастает общее содержание белкового азота, главным образом за счет крупных фрагментов клетки. В цитоплазме оно почти не изменяется в течение вегетации. Белковый азот (в пересчете на вес фракций) к концу вегетации значительно возрастает во всех фракциях, причем максимальное количество его приходится на долю хлоропластов.
К концу вегетации под влиянием марганца уменьшалось содержание белкового азота по фракциям в пересчете на их вес и растения этого варианта были физиологически более старыми, чем контрольные растения, отличающиеся более зеленой окраской и тургоресцентностью листьев.
Мы проводили исследования фотохимической активности хлоропластов различных растений и влияния марганца на ее интенсивность. Известно, что хлорофиллы а и b являются активными сенсибилизаторами; фотовосстановление хлорофилла проходит в две стадии. Первая стадия состоит в образовании электронноактивной лабильной восстановленной формы пигмента, быстро реагирующей с имеющимся акцептором водорода. В естественных условиях таким акцептором является промежуточный продукт, происходящий от углекислого газа. В искусственных условиях эту реакцию воспроизводят с помощью внесенного извне окислителя. Определение фотохимической активности свидетельствует о потенциальных возможностях хлорофилла к поглощению лучистой энергии и превращению ее в энергию химических связей.
Изолированные хлоропласты способны на свету осуществлять реакцию фотолиза воды (реакция Хилла) — выделять ее кислород в молекулярном виде и восстанавливать водородом ряд окислителей. Эта реакция идет по уравнению
2А + 2Н2О Свет/Хлоропласты 2АН2 + О2,
где А — акцептор водорода.
Таким образом, реакция Хилла состоит в фотоокислении воды на свету при участии одного из окислителей и хлорофилла, играющего роль сенсибилизатора. При этой реакции происходит разложение воды с выделением свободного кислорода и восстановлением так называемых окислителей Хилла — феррицианида, хинона, цитохрома с и других веществ.
Одной из физиологических функций марганца, как известно, является его участие в окислительно-восстановительных реакциях фотосинтетического цикла. В процессах окисления — восстановления особая роль принадлежит хлоропластам. В этой связи интересны данные, полученные рядом исследователей по влиянию марганца на способность изолированных хлоропластов выделять кислород на свету (реакция Хилла).
Браун, Эйстер, Таннер (1962) получили препараты хлоропластов из лаконоса американского (Phytolacca americana), гледичии колючей (Cleditschia triacanthos), свежего и замороженного огородного шпината (Spinacia oleracea). При обработке этих препаратов версеном и промывании бидистиллятом связываются тяжелые металлы. Это приводит к резкому снижению реакции Хилла. При добавлении марганца можно было восстановить эти реакции до 40%. Для повышения интенсивности реакции Хилла одинаковую роль играют как двухвалентный (MnSO4), так и семивалентный (KMnO4) марганец. Авторами показано также, что в культуре Cklorella, отличающейся низким содержанием марганца, интенсивность реакции Хилла повышалась при его добавлении в 15—20 раз, в культуре с более высоким содержанием — только в два-три раза.
Данные Спенсера, Поссингема (Spenser, Possingham, 1960) также указывают на значительную активизацию реакции Хилла под влиянием марганца, меди, цинка и других микроэлементов, а также азота, фосфора, калия. В последующих работах (1961 г.) эти же авторы показали, что недостаток марганца приводит к уменьшению фосфорилирования с участием флавинмононуклеотида на 50—70%. При этом интенсивность реакции Хилла снижалась.
Одноклеточные водоросли подобно хлоропластам способны осуществлять реакцию Хилла с хиноном. Следовательно, у них образование кислорода в процессе фотосинтеза можно исследовать независимо от фиксации углекислоты. У водорослей с недостаточностью марганца реакция Хилла полностью подавлена, а фотосинтез значительно угнетен. При добавлении марганца происходит быстрое восстановление обоих процессов — завершение фотосинтеза и образование кислорода. Скорость восстановления зависит от концентрации добавленного марганца.
Кентен и Манн (Kentenn a. Mann, 1957) наблюдали окисление двухвалентного марганца в трехвалентный под влиянием изолированных хлоропластов на свету. Следует учитывать, что окисление марганца может осуществляться перекисью водорода при реакции Мелера и тогда его нельзя отнести к фотосинтетическому механизму. Авторы попытались исключить такую возможность, проведя опыты с добавкой пероксидазы из хрена и каталазы из печени быка. Каталаза незначительно подавляет окисление марганца, тогда как пероксидаза усиливает его. Кентен и Манн предположили, что окисление марганца обусловлено частично пероксидазной системой и что окислительно-восстановительный цикл с участием марганца может играть определенную роль в реакциях фотосинтеза.
Фотохимическую активность мы определяли по Л.М. Воробьевой и А.А. Красновскому (1956) по разнице восстановленного единицей хлорофилла 2,6-дихлорфенолиндофенолята натрия на свету и в темноте в течение 5 мин. Гомогенат зеленых листьев способен на свету восстанавливать некоторые краски, в частности 2,6-дихлорфенолиндофенолят натрия. Этот краситель в окисленной форме при pH 6,5 вызывает синее окрашивание. Восстановление красителя при наличии гомогената происходит на свету.
Опыты проводили в кюветах определенного объема, плотно прикрытых крышечками, чтобы не попадали пузырьки воздуха, при освещении люминесцентными лампами Вс общей интенсивностью 3500 лк. Фотохимическую активность хлоропластов из листьев сахарной свеклы и кукурузы при наличии в питательной среде марганца определяли в течение всего онтогенетического развития растений.
Оказалось, что у молодых растений кукурузы в первой половине вегетации под влиянием марганца усиливается фотохимическая активность хлоропластов (табл. 77). Во второй половине вегетации она выше у контрольных растений. По-видимому, растения из вариантов с внесением марганца развивались быстрее и были физиологически более зрелыми, тогда как у контрольных растений физиологическая зрелость наступала позже.
