Study of photosynthetic activity of Tilia cordata Mill. leaves in conditions of anthropogenic load

Full Text

Введение

Современный этап развития общества характеризуется активной урбанизацией, сопровождающейся ростом численности населения, увеличением транспортных потоков и интенсификацией промышленного производства. Эти факторы приводят к значительному загрязнению окружающей среды, негативно влияя на все компоненты экосистем [1–3].

Древесные растения, будучи неотъемлемой частью городской среды, первыми подвергаются воздействию техногенных загрязнителей. Это приводит к повреждениям листового аппарата, накоплению токсичных веществ, снижению уровня хлорофилла и питательных элементов [4; 5]. В результате растения становятся более уязвимыми к фитопатогенам, вредителям и изменяющимся климатическим условиям, что в критических случаях может вызвать их массовое усыхание и деградацию городских зелёных насаждений [6; 7]. Для биоиндикации загрязнения древесные растения обладают рядом преимуществ: они реагируют на широкий спектр загрязняющих веществ, отличаются высокой чувствительностью и пригодны для длительного мониторинга [8; 9]. Ключевым методом оценки состояния растений является изучение фотосинтетической активности, так как фотосинтетический аппарат первым реагирует на неблагоприятные факторы. Его изменения позволяют судить о механизмах адаптации и степени повреждения растений [10; 11]. Данный подход нашел свое применение в нескольких регионах России [12–16], однако исследования по влиянию антропогенного загрязнения на фотосинтетическую активность в Донецком регионе ранее не проводились.

Донецкий регион представляет собой промышленно развитую территорию с высокой концентрацией предприятий металлургической, химической и горнодобывающей отраслей. Анализ состояния атмосферного воздуха, почвы и водных объектов в городах региона выявил превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по ряду опасных загрязняющих веществ: включая диоксид азота, сернистый ангидрид, угарный газ, бензапирен и т.д., что свидетельствует о значительном техногенном воздействии на природные компоненты городской среды [17–22]. В связи с этим одной из актуальных задач является разработка и внедрение объективных методов экологического мониторинга, позволяющих оперативно выявлять уровень антропогенного загрязнения и его влияние на биоту.

Целью работы являлось изучение фотосинтетической активности листовых пластинок липы мелколистной (Tilia cordata Mill.), произрастающей на территории города Донецка, с использованием метода сканирующей импульсной флуориметрии.

Материалы и методика исследования

В качестве объекта исследования был взят вид древесных растений – липа мелколистная (Tilia cordata Mill.). Использование липы мелколистной как индикатора обусловлено высокой чувствительностью фотосинтетического аппарата растения к токсическим веществам окружающей среды [23]. К тому же, липа является основной породой деревьев, широко используемой в озеленении городов в связи с высокой устойчивостью к агрессивной городской среде, теневыносливостью и ветроустойчивостью [24; 25]. Использование данного вида позволяет получить репрезентативные данные о состоянии окружающей среды в городской экосистеме [26; 27].

Исследования проводили с июля по сентябрь 2024 г. Листовые пластинки были отобраны с нижней, световой части кроны деревьев. Сбор листьев происходил в первой половине дня (09:00–11:00) для минимизации влияния суточных колебаний физиологических параметров. Все объекты исследования находились в примерно сходных климатических условиях произрастания. Размер выборки для каждой опытной и контрольной группы составлял не менее 15 листовых пластинок.

В качестве опытных групп рассматривали растения, произрастающие вдоль автомагистральных дорог г. Донецка с различной интенсивностью транспортного потока: 1) ул. Университетская; 2) просп. Гурова; 3) просп. Ильича, с двух сторон дорожного полотна. Также были рассмотрены растения, произрастающие в жилом квартале Будёновского района, отдалённого от автомагистралей, с меньшим уровнем антропогенной нагрузки (рис. 1). Возраст деревьев в городской среде составлял 10–20 лет.

 

Рисунок 1 – Места сбора листовых пластинок опытных и контрольных групп липы мелколистной (T. cordata): 1 – ул. Университетская, 2 – просп. Гурова, 3 – просп. Ильича (1), 4 – просп. Ильича (2), 5 – жилой квартал (Будёновский район); дендрарий ботанического сада (1К – старовозрастные, пораженные, 2К – средневозрастные, здоровые, 3К – молодые, пораженные)

 

В качестве контрольных групп были взяты растения территории дендрария ботанического сада. Выбор данной территорий обусловлен её меньшей подверженностью воздействию антропогенных факторов по сравнению с придорожными насаждениями. Часть деревьев на исследуемом участке была поражена липовым войлочным клещом (Eriophyes tiliae var. Leiosoma Nal.). Контрольные группы в дендрарии отличались друг от друга степенью поражения листовых пластинок липовым войлочным клещом (E. tiliae) и возрастом деревьев. Поэтому контрольная группа была разделена на три отдельные: контроль 1 – старовозрастные (40–45 лет), пораженные клещом; контроль 2 – средневозрастные (20–25 лет), здоровые; контроль 3 – молодые (10–15 лет), пораженные клещом (рис. 1).

Параметры активности функционирования фотосинтетического аппарата определяли с помощью сканирующего импульсного флуориметра «Hexagon-Imaging-PAM» (Heinz Walz, Германия). Измерение параметров кинетики изменения амплитуды флуоресценции хлорофилла состояло из 15 последовательных насыщающих импульсов, между которыми листья освещались слабым измерительным светом 21 мкмоль фотонов м⁻²·с⁻¹. Общая длительность измерения составляла около 5 минут. Измерения световых кривых различных параметров флуоресценции на свету проводили при последовательном увеличении интенсивности измерительного света от 0 до 701 мкмоль фотонов м⁻²·с⁻¹. Каждое измерение длилось 4 минуты и состояло из 13 этапов постепенного повышения интенсивности действующего света. В ходе исследования изучали следующие параметры флуоресценции согласно [28]:

F – интенсивность флуоресценции в текущий момент времени;

F₀ – минимальная флуоресценция в темноте, когда все реакционные центры (РЦ) фотосистемы II (ФС II) открыты;

Fₘ – максимальная флуоресценция в темноте, когда все РЦ ФС II закрыты;

F′ₘ – максимальная флуоресценция хлорофилла на свету;

F′₀ – минимальная флуоресценция на свету;

Y(II) = (F′ₘ − F) / F′ₘ – эффективный квантовый выход фотохимических реакций ФС II;

Y(NO) = 1 / (NPQ + 1 + qL ((Fₘ / F₀) − 1)) – квантовый выход нерегулируемого рассеяния поглощенной энергии в ФС II;

Y(NPQ) = 1 − Y(II) − Y(NO) – квантовый выход регулируемой диссипации поглощенной энергии в ФС II;

NPQ = Fₘ / F′ₘ − 1 – уровень нефотохимического тушения флуоресценции;

qN = 1 − (F′ₘ − F′₀) / (Fₘ − F₀) – коэффициент нефотохимического тушения;

qP = (F′ₘ − F) / (F′ₘ − F′₀) – коэффициент фотохимического тушения;

qL = qP × F′₀ / F – коэффициент фотохимического тушения, являющийся показателем доли открытых РЦ ФС II;

ETR = 0,5 × Y(II) × PAR × 0,84 – скорость фотосинтетического электронного транспорта, PAR (photosynthetically active radiation) – фотосинтетически активное излучение, мкмоль квант м⁻²·с⁻¹.

Результаты исследований и их обсуждение

Виды повреждений листовых пластинок липы мелколистной

Визуальная оценка состояния листового аппарата выявила наличие различных типов повреждений, обусловленных биотическим и абиотическим стрессовыми факторами. Для контрольных старовозрастных и молодых групп на нижней стороне листа было обнаружено образование коричневых плоских войлочных пятен разнообразной формы, а также тёмные пятна площадью 0,02–0,04 см² на верхней стороне листа (рис. 2: В, Г). Это свидетельствует о повреждении листовых пластинок вредителем – липовым войлочным клещом (E. tiliae) [29]. Данный вид клещей может вызывать снижение содержания хлорофилла и оказывать влияние на размеры ассимиляционных органов, что проявляется в уменьшении длины и ширины листовых пластинок [30; 31].

 

Рисунок 2 – Виды повреждений листовых пластинок липы мелколистной (T. cordata): А – асимметрия листа (ул. Университетская); Б – краевой некроз (ул. Университетская); В, Г – повреждение липовым войлочным клещом E. tiliae (контроль 1)

 

Также для всех групп деревьев был обнаружен некроз краёв листовых пластинок (рис. 2: Б). Причинами развития краевого некроза могут служить высокие температуры от +28 до +35°C в течение всего лета и, как следствие, недостаток влаги.

Для растений из опытной группы по ул. Университетской видна сильная асимметрия листовых пластинок и неравномерная флуоресценция (рис. 3: А). Листовой материал на просп. Ильича собирался в осенний период из-за чего наблюдается деградация пигментов, происходит их локализация, что свидетельствует о естественных физиологических изменениях, связанных с сезонной перестройкой метаболизма (рис. 3: Д, Е). В летний период данного эффекта не было обнаружено.

 

Рисунок 3 – Флуоресценция листовых пластинок липы мелколистной (T. cordata) с различными видами повреждений и отклонений: А – асимметрия листа и неравномерность флуоресценции (ул. Университетская); Б – краевой некроз (ул. Университетская); В – краевой некроз и повреждение липовым войлочным клещом (контроль 3); Г – повреждение липовым войлочным клещом (контроль 1); Д – деградация пигментов, краевой некроз (просп. Ильича (1)); Е – деградация пигментов и краевой некроз (просп. Ильича (2))

 

Интенсивность флуоресценции опытных групп в среднем одинакова для всех листьев, тогда как для контрольных групп в зависимости от степени поражения листовых пластин войлочным клещом, наблюдалась различная степень фотосинтетической активности, что вносило дополнительную погрешность в измерения и может быть причиной отсутствия достоверных отличий для опытных групп в черте города.

Оценка фотосинтетической активности листьев липы методом регистрации световых кривых флуоресценции хлорофилла

По результатам анализа параметров кинетики флуоресценции хлорофилла не выявлено статистически значимых различий между опытной группой 1 (ул. Университетская), и контрольной группой старовозрастных деревьев с признаками поражения клещом (контроль 1). В сравнении со средневозрастными здоровыми деревьями (контроль 2) наблюдались изменения в процессах тепловой диссипации поглощенной световой энергии – происходило увеличение квантового выхода регулируемой диссипации энергии в фотосистеме II (Y(NPQ)). Поскольку не было выявлено изменений квантового выхода фотохимии и снижения числа активных реакционных центров, то увеличение нефотохимического тушения можно связать с адаптацией деревьев к условиям произрастания в городской среде. Наблюдались отличия между параметрами флуоресценции контрольных групп пораженных деревьев дендрария. Интенсивность флуоресценции непораженных клещом участков листа у молодых растений (контроль 3) была выше, чем у старовозрастных (рис. 3: В, Г, соответственно). Это можно объяснить более высокой долей активных реакционных центров (РЦ) у молодых деревьев (qL).

У растений, произрастающих на просп. Гурова, достоверных отличий по параметрам флуоресценции в сравнении с контрольными группами старо- и средневозрастных растений не выявлено. Для опытной группы доля открытых РЦ (qL) была ниже по сравнению с молодыми растениями дендрария, что может свидетельствовать о частичном закрытии РЦ в результате избыточной световой нагрузки. Статистически значимых изменений других фотосинтетических параметров в опытной группе относительно контрольных групп не зафиксировано.

Эффективный квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II (Y(II)) в опытной группе, произрастающей на просп. Ильича (1), был достоверно ниже по сравнению с контрольными группами дендрария (рис. 4: А). Снижение Y(II) указывает на ограничение фотохимического преобразования энергии в реакционных центрах фотосистемы II, при котором значительная часть поглощённых квантов света не участвует в разделении зарядов, а диссипирует посредством нефотохимических процессов (рис. 3: Б). Это согласуется с ростом коэффициента нефотохимического тушения (qN) в опытной группе относительно контрольных групп 2 и 3 (рис. 4: В) и снижением ETR относительно контроля 2 (рис. 4: Г). Изменение фотосинтетической активности опытной группы отличается от всех контрольных групп сходным образом, поэтому в качестве примера на рисунке 4 представлены кривые флуоресценции только для одного контроля.

 

Рисунок 4 – Изменение параметров флуоресценции для опытной группы по просп. Ильича (1) и контрольной группы № 2: А – эффективный квантовый выход (Y(II)); Б – квантовый выход регулируемой диссипации энергии в ФС II (Y(NPQ)); В – коэффициент нефотохимического тушения (qN); Г – скорость электронного транспорта (ETR)

 

Отсутствие изменений в Y(NO) свидетельствует о сохранении стабильности фотосинтетического аппарата, а неизменность уровня хлорофилла – об отсутствии деградации пигментного комплекса. Полученные данные могут указывать на адаптацию растений опытной группы к чрезмерной интенсивности света в течение летнего периода за счёт активации механизмов регулируемого NPQ, которые минимизировали фотоокислительный стресс без нарушения базовых фотохимических процессов.

Установлено снижение квантового выхода фотосистемы II и ETR у деревьев, произрастающих на просп. Ильича (2), в сравнении с контрольной группой старо- и средневозрастных деревьев (рис. 5: В, Г). Снижение данных параметров свидетельствует о нарушении процессов фотохимического преобразования энергии, что подтверждается усилением нефотохимического тушения избыточной энергии: снижении коэффициента qL в опытной группе относительно контролей 1 и 3 (рис. 5: Д), увеличении Y(NPQ) и NPQ относительно контрольной группы 2 (рис. 5: А, Б). В то же время показатель Y(NO) не отличался от значений контрольных групп, что указывает на отсутствие световых повреждений фотосинтетического аппарата.

 

Рисунок 5 – Изменение параметров флуоресценции для опытной группы по просп. Ильича (2) и контрольных групп № 1 и № 2: А – квантовый выход регулируемой диссипации энергии в ФС II (Y(NPQ)), Б – уровень нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ), В – эффективный квантовый выход (Y(II)), Г – скорость электронного транспорта (ETR), Д – коэффициент фотохимического тушения (qL)

 

Для опытной группы деревьев жилого квартала Будёновского района было обнаружено снижение доли открытых РЦ фотосистемы II относительно трёх контрольных групп, произрастающих в дендрарии ботанического сада. Для других параметров кинетики достоверных отличий от представленных контролей не выявлено.

Результаты измерения световых кривых параметров флуоресценции согласуются с данными, полученными при измерении параметров кинетики изменения амплитуды флуоресценции хлорофилла.

Заключение

Несмотря на повреждение листовых пластинок деревьев на территории дендрария липовым войлочным клещом, фотосинтетическая активность данной группы оставалась высокой в сравнении с деревьями липы городской черты. Наибольшие изменения в функциональном состоянии фотосинтетического аппарата выявлены для деревьев липы на территории с высокой автотранспортной загруженностью – на просп. Ильича и ул. Университетской. Группы деревьев, произрастающие с разных сторон дорожного полотна, имеют сходные черты изменения фотосинтетической активности. Для липы на ул. Университетской и просп. Ильича наблюдалось снижение интенсивности протекания фотохимических процессов и возрастание нефотохимического тушения флуоресценции, что проявлялось в повышении параметров Y(NPQ) и NPQ, уменьшении числа открытых РЦ фотосистемы II и снижении концентрации хлорофилла в листовых пластинках.

Деревья, произрастающие на просп. Гурова и в жилом квартале Будёновского района, были менее подвержены антропогенной нагрузке, в следствии чего, их фотосинтетические показатели мало отличались от контрольных групп. Исключение составляли только некоторые параметры активности функционирования фотосинтетического аппарата, на основании которых нельзя обосновать какие-либо изменения в функциональном состоянии фотосистемы II.

About the authors

Liliya Pavlovna Antropova

Donetsk State University

Author for correspondence.
Email: antropowalilya@yandex.ru

laboratory assistant of Scientific Research Laboratory for Monitoring and Forecasting of Donbass Ecosystems

Russian Federation, Donetsk

Sergey Viktorovich Chufitsky

Donetsk State University

Email: chufitsky@donnu.ru

senior lecturer of Physiology and Biophysics Department

Russian Federation, Donetsk

References

Supplementary files