Изменения состава и структуры мембран при перегреве могут привести к потере активности мембрано-связанных ферментов и нарушению деятельности ЭТЦ (электрон-транспортная цепь). Ведь фотосинтез и дыхание растения, являются основными энергопродуктивными процессами. Электрон-транспортная цепь фотосинтезы, а именно фотосистема II наиболее чувствительна к колебанию температуры. Большинство ключевых ферментов растений термолабильны, включая РБФК, каталазу и СОД. Жара подавляет также способность превращать сахарозу в крахмал у ячменя, пшеницы и картофеля, указывая на то, что один или несколько ферментов в цепи превращения сильно подавляются жарой. Например, влияние высоких температур на активность крахмалсинтазы в эндосперме пшеницы идет е? спад в накоплении.

У некоторых видов растений может активно подавляться каталаза, но при этом другие ферменты могут быть более устойчивы к температурным изменениям. Например, при воздействии высоких температур у ржи необратимо меняется активность каталазы. При нарушении целостности мембран приводит к повышенной проницаемости для ионов и растворов, при этом идет одновременное нарушение деятельности ассоциированных с мембранами ферментов фотосинтеза, дыхания и транспорта ассимиляторов.

В условиях повышенной температуры мембраны избирательно повреждались, что привело к деградации мРНК b-амилазы. Все эти нарушения могут провести к полной гибели клеток.

Самый распространенный стресс у растения, является окислительные стресс, и именно он был признаны одним из самых главных отрицательным фактором действия высоких температур на растения. После появление дисбаланса между количественным поглощением солнечных лучей и транспортом электронов через цитохромы вызывают процесс фотоингибрирование (подавление света). Основными зонами окислительного нарушения в клетках являются митохондрии и хлоропласты, ведь там происходит повреждения транспорта электронов.

Действие высоких температур приводит к образованию белков теплового шока. Эти белки характерны для всех типов живых организмов, как для высших растений, так и для низших. БТШ состоят из большого набора полипептидов, при этом еще принято их именовать килодальными белками (в соответствии их молекулярной массы). Например, БТШ с молекулярной массой 70 кДа называют БТШ 70. Эти белки теплового шока растений представлены двумя группами:

· Выскогомолекулярные белки (110 - 60 кДа)

· Низкомолекулярные белки (35 - 15 кДа)

Синтез БТШ является стрессовой программой, которая включает тепловой шок у растений, при подъеме температуры на 8 - 10°С выше нормы. Например, в листьях ячменя максимальный синтез БТШ достигается при 40°С, а в листьях риса при 45°С [23].

Высокие температуры, негативно сказываются на росте и продуктивности растений. Активные формы кислорода являются важными сигнальными молекулами. Увеличение их содержания в клетках растений может привести к повышению устойчивости к биотическим и абиотическим факторам. Именно эта молекула запускает синтез ряда стрессовых белков - БТШ. В связи с этим была проведена работа по изучение синтеза БТШ в листьях картофеля с измененной экспрессией гена. В этой работе использовали контрольные и трансгенные растения картофела (Solanum tuberosum L., сорт Скарб). Для эксперимента отбирали листья среднего яруса и воздействовали на них температурой от 18-23°С (утром) и 35-43°С (днем). После чего были полученные результаты.

Было показано, что содержание высокомолекулярных и низкомолекулярных БТШ в листьях контрольных и трансгенных растений в утренние часы одинаковы. Но содержание БТШ значительно увеличилось в дневные часы при повышении температуры, как у контрольных, так и у трансгенных линий [1].

У растений существует стрессовая программа, и именно она включает в себя репрограммирование генома, которое связно с торможением экспрессии генов и вызывает активность генов ТШ (теплового шока). Примерно через 5 минут после воздействий высоких температур в растительной клетке можно уже обнаружить БТШ (начало стресса). Так же тепловой шок вызывает изменения в синтезе мРНК еще до шока, ведь это связанно с модификацией мРНК БТШ, которые имеют отличия от мРНК обычных белков. Из-за чего происходит ослабление, а затем и прекращение синтеза обычных белков и переключение аппарат на синтез БТШ, которые обнаруживаются в клетке уже через 15 минут после начала ТШ.

Помимо этого синтез различных белков теплового шока происходит при разной температуры (норма для растений). Например, в хлоропластах синтез этих белков происходит при 34 - 42°С и ослабляется при 44°С, а образование низкомолекулярных белков ТШ была ослаблена при 40 - 42°С. Белки ТШ так же имеют в клетках родственные белки, которые синтезируются при нормально температуре или в определенной фазе онтогенеза. Белки, в частности БТШ 70, могут присоединяться к другим белкам, вызывая их разворачивание - это необходимо для их проникновения через мембрану хлоропластов и митохондрий. Ведь белки ТШ должны защищать живые клетки от повреждений, которые вызваны температурой. БТШ 70 и 60 относят к шапперонам, ведь именно они играют большую роль в клетках, а именно могут из цитоплазмы передавать хлоропластные белки через мембрану клеток, обеспечивать правильную сборку четвертичной структуры клеточных белков, таких как ферменты РБФК.

Низкомолекулярные белки направлены на защиту "дошоковые" мРНК, что позволяет использовать синтез белка после окончания шока (стресса). Так же они могут обнаружиться в клетках хлоропластах, чтоб защитить тилакоиды мембран от ТШ. Ведь мы знаем, что световые фазы фотосинтеза очень чувствительны к любым стрессам [23].

1.2.2 Влияние температуры на фотосинтез

На низком уровне освещенность фотосинтеза идет с одинаковой скоростью при + 15 - + 25°С. Так же это связанно с тем, что при такой освещенности интенсивность фотосинтеза ограничивается скоростью световых реакций и ограничивается скоростью светового потока.

При высокой освещенности скорость фотосинтеза определяется протеканием темновой реакции. В таких условиях влияние на этот процесс очень отчетливо проявляется и температурный коэффициент Q10 может быть около двух.

У разных групп высших растений максимальная скорость фотосинтеза соответствует различным значениям температур, что определяется адаптацией фотосинтетического аппарата к различным пределам температур. Ведь для большинства C3-растений умеренной зоны произрастания оптимальная для фотосинтеза температура находится в интервале 20 - 20°C. А для растений с С4 - путем фотосинтеза и с CAM - фотосинтезом температурный оптимум приходится на 30 - 35°C. Для одного и того же вида растения температурный оптимум фотосинтеза непостоянен. Он зависит от возраста растения, адаптации к определенным условиям температур и может изменяться в течение сезона. В адаптации растений к различным повреждающим факторам, в настоящее время выделяют различные пути возможной регуляции данного процесса [45].

Одним из путей низкотемпературной адаптации хвойных пород деревьев является изменение содержания пигментов фотосинтеза в зависимости от сезонности, так как деревья хвойных пород приспособлены к переживанию морозов и сохраняют иглы в течение нескольких лет [48].

Пигментный состав взрослой хвои сосны и ели представлен двумя формами хлорофилла a и b, соотношения которых в хвое колеблется в зависимости от внешних факторов: от 1,5 до 3,0 и каротиноидами.

Возрастные колебания содержания зеленых пигментов довольно значительны. Первоначально это связано с развитием молодой хвои и накоплением в ней хлорофилла, а затем более сильным распадом хлорофилла в ней в зимнее время. К началу следующей вегетации количество хлорофилла в 1 - и 2-летней хвое сравнивается. Для хвои старших возрастов характерно более высокое содержание обоих форм хлорофилла. В тоже время возраст деревьев не влияет на количество зеленых пигментов в хвое. Видимо, на накопление пигментов большее влияние оказывают эдафические и климатические условия. Сосна и ели являются и холодоустойчивыми, и морозоустойчивыми видами.

С переходом в состояние зимнего покоя происходит воздействия низких температур на структуру хлоропластов, которые приводят к разрушению пигмент-белковых комплексов и фотоокислению хлорофилла. Поэтому годичные изменения количества зеленных пигментов очень значительны. Хвойные растения чувствительны к таким переменам в температуре как повышенным, так и пониженным [40].

Анализируя кривую зависимость фотосинтеза от температуры, можно увидеть быстрое возрастание скорости фотосинтеза при повышении температуры. Дальнейшее повышение температуры сверхоптимальной ведет к быстрому ингибированию процесса. Верхний предел температуры для поглощения CO2 для большинства C3-растений находится в области 40 - 50°C [27].

После вызванного стресса, фотоингибирование фотосинтеза и инактивацию каталазы приводит к накоплению активных форм кислорода (АФК) и к потере пигментации хлорофилла. Ведь фотосистема II признана самой чувствительной к действию высоких температур, приводящей к распаду функциональных компонентов комплекса ФС II и так же это влияние приводит к нарушению процессов в первой фотосистеме. Действия высоких температур приводит к образованию белков теплового и холодного шока. Эти белки характерны для всех типов живых организмов, как для высших растений, так и для низших [23].

Диапазон температур воздуха, при которых возможен фотосинтез хвойных растений, довольно широк: от - 7°C до + 53°C причем температуры выше +40°C вызывают временное подавление фотосинтеза. Фотосинтетический периоду хвойных растений зависит от климатических условий произрастания. Для умеренно холодного климата период ассимилирующей активности хвои довольно длинный. Так, в условиях Карелии фотосинтетическая активность у хвои отмечается в течение 7 месяцев. Период низких температур необходим для жизнедеятельности всех хвойных растений. Потребность в холоде может быть снижена лишь у растений, адаптированных к тепличным условиям или увеличенному фотопериоду, так как эти растения не были подверженным к реальным условиям окружающие среды и к перепадам температуры.

В период осенних температур в тканях сосны, ели накапливаются основные запасные вещества - белки, жиры и сахара. Эти вещества выполняют роль криопротекторов, которые не играю существенную роль для хвойных растений [27]. В свою очередь зависимость фотосинтеза от температуры были изучены на разных уровнях организации фотосинтезирующих систем.

Наиболее термозависимыми в растении являются реакции углеродных циклов. Снижение интенсивности фотосинтеза в области сверхоптимальных температур объясняют снижением тургора в листьях и закрыванием устьиц в этих условиях, что затрудняет поступление углекислого газа к центрам его фиксации. Кроме того, при повышении температуры снижается растворимость CO2, уваливается отношение растворимостей O2/CO2 и степень кислородного ингибирования, изменяются кинетические константы карбоксилирующих ферментов [26, 34].

Способность к ассимиляции СО2 при фотосинтезе у хвойных сохраняется при снижении температуры до - 5°С. Дыхание продолжается и при более низких температурах, вплоть до - 20°С. Даже слабо протекающий фотосинтез и дыхание позволяют сосне поддерживать более высокую внутриклеточную температуру по сравнению с температурой окружающей среды. После дальнейшего понижения температуры растения могут перейти на анаэробный путь дыхания, который является менее чувствительным к повреждающему действию низких температур. Реакция транспорта электронов и синтеза АТФ, будучи по своей природе ферментативными процессами, также весьма чувствительны к температуре. Первичные же реакции фотосинтеза, связанные с поглощением света, миграцией энергии возбуждения и разделением зарядов в реакционных центрах, практически не зависят от температуры.

При перегреве интенсивность фотосинтеза резко падает и одновременно высвобождается много СO2. Верхняя температурная кардинальная точка фотосинтеза лежит на 2 - 12°С ниже температуры тепловой смерти и соответствует условиям, при которых отмечается равновесие между ингибированием фотосинтеза и повышением скорости дыхания.

Поэтому температурный максимум нетто-фотосинтеза можно рассматривать как тепловую точку компенсации, которая достигается тем раньше, чем чувствительнее к теплу фотосинтез и чем круче подъем дыхания. Усиливающийся расход С02 на дыхание может быть покрыт фотосинтезом при более высокой интенсивности света. Поэтому если освещенность повышается, то максимальная температура фотосинтеза тоже увеличивается. При постоянной же освещенности восходящая кривая дыхания и нисходящая фотосинтеза пересекаются в верхней точке. Верхняя температурная граница неттофотосинтеза подвержена сезонным и адаптивным изменениям (вызываемым жарой и засухой). Она тем выше, чем южнее ареал вида. Так, для растений высоких широт она лежит около 30°С, для видов умеренной зоны - в диапазоне от + 37 до +44°С, для средиземноморских растений - в диапазоне + 42 - + 48°С, а для видов жарких пустынь составляет + 55°С. У некоторых тропических злаков и маревых из чрезвычайно жарких местообитаний тепловые точки компенсации близки к абсолютному пределу переносимости температур (+58+ 60°С), однако обычно такие показатели в естественных условиях не наблюдаются [24].

1.2.3 Рост

Скорость роста зависит от интенсивности всех физиологических процессов, питания растительного организма, а так же снабжения их водой и процессов обмена веществ, энергии. Из-за чего можно сделать вывод, что влияние внешних условий может отразиться на интенсивности роста растений, через изменение или нарушения любого из указанных процессов. Рост растений во многом зависит от температурных условий. Минимальные температуры роста обычно лежат чуть выше точки замерзания тканей - 0 до - 5°С, а максимальные находятся на несколько градусов ниже показателя тепловой смерти. Конечно, эти показатели у многих растений отличаются друг от друга. Например, процессы деления и дифференцировки клеток могут проходить, но очень медленно и особенно зимой при низких температурах [46].

Но для активного процесса митоза нужны высокие, положительные температуры, которые могут быть выше + 5°С, при этом температурные точки для роста могут изменяться в зависимости от адаптации, фазы развития, сезона и времени суток. Для роста многих растений благоприятной средой, является сменная температура в течение суток - днем повышенная, а ночью пониженная. Это явление Ф. Вент назвал термопериодизмом. Показано, что пониженные ночные температуры ускоряют рост корневой системы и боковых побегов у растений.

Такое влияние может быть объяснено тем, что при понижении температуры начинают активно вырабатывать ферменты, катализирующие распад крахмала на сахара. В листьях образуются растворимые транспортные формы углеводов, которые легко передвигаются к точкам роста корня и боковых побегов, благодаря чему их рост усиливается.

В процессе роста растения особенно чувствительны к недостатку воды. Уменьшение содержания H2O в почве приводит к уменьшению содержания ее в растении, из-за чего резко тормозится процессы роста растения. То есть снижается деление клеток и их растяжение в процессе роста. Для различных физиологических процессов нужна разная насыщенность влаги в почве. Насыщенность клеток, тканей растений водой называют - гидратурой, она выражается в процентах.

Рост клеток идет лишь в том случае, если объем воды не падает ниже 95%. Для того чтобы поддержать такую гидратуру, точки роста надземных органов растения защищены смыкающимися листочками с хорошо развитой кутикулой.

Влияние географического аспекта тоже играет особую роль в росте растений. Чем выше температуры естественных местообитаний, тем выше лежат и кардинальные точки температурной кривой роста. Так, рост побегов большинства растений умеренной зоны начинается при температуре на несколько градусов выше 0°С. Для роста побегов растений умеренной зоны наиболее благоприятны положительные температуры варьируют от + 15 до +25°С.

Но есть и такие виды растений, которые проходят весь цикл развития в районах с постоянно высокой или низкой температурой. Например, многие арктические и северные морские растения живут в местообитаниях с температурами чуть выше 0°С, а водоросли горячих источников всю жизнь могут существовать при температурах выше + 60°С (В. Лархер, 1978) [45].

1.2.4 Дыхание

Помимо процесса фотосинтеза, может так же нарушится процесс дыхание, который тоже является одним из важнейших и необходимый процессов, протекающий в организме растениях. Он заключается в непрерывном газообмене растения с окружающей средой путем поглощения кислорода, окисления с его помощью органических веществ, выделения углекислого газа, воды и большого количества тепловой энергии. Эта энергия тратится на движение цитоплазмы в клетках, а так же на рост и развитие растения в целом.

Дыхание у ряда растений осуществляется и при температуре ниже 0°С. Как всякая ферментативная реакция с повышением температуры интенсивность дыхания возрастает. Однако это происходит до определенного предела, выше которого работа ферментов снижается, как и интенсивность дыхания растения. При этом надо учитывать длительность выдерживания растительного организма при данной температуре. При кратковременной экспозиции интенсивность дыхания возрастает при повышении температуры до + 35°С и даже + 40°С. При длительном выдерживании в условиях высоких температур интенсивность дыхания начинает уменьшается. Для суждения о влиянии температуры на какой-либо процесс обычно используют такой показатель как температурный коэффициент. Температурный коэффициент (Q10) процесса дыхания зависит от типа растений и от градаций температуры. Так, при повышении температуры от + 5 до + 15°С Q10 может возрастать до 3, тогда как повышение температуры от + 30 до + 40°С увеличивает интенсивность дыхания менее значительно. Это может быть связано с тем, что повышение температуры в большей степени ускоряет ферментативные процессы по сравнению с поступлением кислорода в живой организм. Из-за чего возникает недостаток кислорода, который еще лимитирует этот процесс.

На интенсивности дыхания могут сказаться фазы роста и развития растений. По данным Б.А. Рубина, было выяснено, что на каждой фазе развития растений для процесса дыхания наиболее благоприятны те температуры, на фоне которых обычно происходит эта фаза. Изменение оптимальных температуры растений при дыхании в зависимости от фазы их развития связано с тем, что в процессе онтогенеза меняются пути дыхательного обмена. Между тем для разных биохимических процессов наиболее благоприятными являются различные температуры, которые не выходят за пределы нормы (оптимума).

Так, температурный min работы цитохромов лежит выше по сравнению с флавиновыми дегидрогеназами. В этой связи интересно, что в более поздние фазы развития растений наблюдаются случаи, когда флавиновые дегидрогеназы выступают в роли конечных оксидаз, передавая водород непосредственно кислороду [45].

1.2.5 Характеристика ели

Одним из наиболее удобных объектов для исследования является хвойные растения. В основном опыты проводятся на сосне обыкновенной, лиственнице или же на ели европейской, сибирской.

Ель является теневыносливым, засухоустойчивым и морозостойким растением, хотя может страдать от весенних заморозков. Хорошо переносит задымленность и загазованность, по многим исследованием этот объект является частью экологического анализа среды.

Ель принадлежит к числу основных лесообразующих пород на территории России и по своему распространению, и по хозяйственному значению. Время проявления самой древней ели - Pinus protopicea Velenovsky, палеоботаники датируют верхним мелом. В плейстоцене ель принадлежит к числу широко распространенных древесных пород [Нейштадт, 1957]. На основания этих данных В.Н. Сукачев в 1936 г. пришел к выводу, что к началу того периода флора на территории СССР была сходной с современной. На территории России произрастают следующие виды рода Picea, которые выделил Е.Г. Бобров в 1978 году и С.К. Черепанов в 1995 году:

· Picea abits (l.) Karst.

· P. ajanensis

· P. glehnii

· P. koraiensis Nakai

· P. obovata Ledeb.

Ель же отличается большой полиморфностью и интенсивной способностью к гибридизации, из-за чего число " Российских" видов этого рода является в известной степени дискуссионным вопросом.

В западной половине европейской части России лесообразующей породой еловых древостоев является ель европейская. Ее ареал распространения идет от гор Западной Европы - Альпах, Карпатах, в Германии, Скандинавии. Граничит с елью сибирской от линии юга Кольского полуострова на Южном Урале.

Характеризуя внутривидовую систематику ели европейской, В.И. Парфенов в 1971 году констатирует, что она остается по-прежнему недостаточно разработанной. Он предложил выделить четыре подвида, каждый из которых обладает географической определенностью.

Ель европейская обыкновенная: Этот подвид типичен для значительной части Русской равнины.

В пределах каждого подвида встречается ряд экотипов и большое число внутренних форм, которые различаются по строению кроны и типу ветвления, а так же по цвету и строению коры, и по размерам хвоинок.

Ель европейская в благоприятных условиях может достигать до 40 метров высоты и 60 - 70 см в диаметре. Продолжительность жизни - до 500 лет, но таких долгожителей очень трудно встретить [35, 21].

Ствол прямой, мало сбежистый. Кора тонкая, темно-коричневая или красно-коричневая, шелушащаяся тонкими мелкими чешуйками. У старых деревьев чешуйки становятся грубее и крупнее, кора - грубо-шероховатая. Ветвление мутовчатое с хорошо выраженными "листовыми подушечками", к которым крепится хвоя. Почки яйцевидно-конические, заостренные, незасмоленные, светло-коричневые, с многочисленными мелкими чешуйками. На вершине сильных осевых побегов хвоя спирально заворачивается, прикрывая почку.

Хвоя колючая, четырехгранная, длиной от 1, 2,5 см, темно-зеленая, с одним сосудисто проводящим пучком, держится на побеге 6 - 10 лет, ориентирована двухрядно, в черешке перекручена на 180°.

Мужские стробилы (микростробилы) одиночные, 1 - 1,5 см длины, располагаются в средней и верхней части дерева, ближе к вершине прошлого приростов. Вначале они округлые, красноватые; во время пыления - округло - цилиндрические, желтые от пыльцы.

Тычинка состоит из двух микроспорангиев (пыльников), гребешка и короткой тычиночной нити. Пыльцевое зерно состоит из двух воздушных мешка.

Женские стробилы достигают до 2,5 см длины, красного или зеленого цвета. Они ориентированы вертикально вверх, располагаются в верхней части дерева на вершинах прошлогодних приростов, состоят из оси и спирально сидящих на ней кроющих чешуй. В пазухе каждой кроющей чешуи расположена семенная чешуя с двумя семязачатками. Кроющие чешуи у ели всегда меньше семенных.

После оплодотворения семенные чешую смыкаются, шишка утрачивает вертикальное положение и свисает с побега вниз. Зрелые шишки ели обыкновенной цилиндрической формы, длиной 10 - 15 см, шириной 3 - 4 см. Семенные чешуи кожисто-деревянистые, ромбической формы, с зубчатой или выемчатой вершинкой. При созревании шишка раскрывается, семена выпадают, выпадение семян продолжается с января по июнь.

Сами семена бурого цвета, от 4 - 5 мм длины, с крылышками до 10 мм длины. Крылышко отделается от семени "ложечкой". Пустые шишки остаются висеть на дереве еще в течение года [18].

Характер корневой системы ели европейской во многом определяют эколого-лесоводственные особенности этой породы. Основная масса корней размещается в верхних горизонтах почвы, что определяет ее подверженность ветровалам и низкую засухоустойчивость. Все же от горизонтальных корней вглубь уходят якорные корни, которые обеспечивают дереву большую устойчивость. Такое расположение корневой системы дает возможность расти на влажных почвах с близким уровнем грунтовых вод.

По отношению к влаге ель является мезофитом. Она предпочитает свежие и хорошо дренируемые почвы. Если же она растет в местах с застойным переувлажнением, которые бывают в периоде ранней весны или же в осенне-зимний периоды - тогда корни находятся в состоянии покоя [34].

Это самая многочисленная группа голосеменных растений. Их насчитывается свыше 550 видов. В свою очередь, они играют важную роль в природе, например: образуют леса, создают тем самым условия жизни разнообразным представителям живого мира. Являются сильными доминантами в лесообразовании. Конечно же, хвойные растения участвуют в почвообразовании и имеют большое водорегулирующее и почвозащитное значение. Их широко используют в качестве древесины, а так же хвою, семена, смолу и кору. Задача же людей - сохранить биологическое разнообразие голосеменных растений. В свою очередь люди обращали внимание на внешние особенности деревьев, достаточно ясно отличающие эту древесную породу от других представителей. Ведь в то время ботаники руководились исследованием Карла Линнея и называли ель сосной - Pinus abies.

Сами же представители появились на Земле более 350 (370) млн. лет назад в каменноугольном периоде и были распространенны по всему Северному полушарии, и около 150 млн. лет назад они стали господствующими в растительном покрове планеты. Хвойные растения - самые древние из всех ныне живущих семенных растений. Среди хвойных представителей есть низкорослые и стелющиеся формы для ландшафтного дизайна, например, сосана карликовая сосна или можжевельник казацкий. Такие крупные деревья, как ель, сосна, лиственница, пихта, кипарис, кедр, обычно живут по 200-400 лет, достигая в высоту 35-40 м [51].

В нашей стране распространенны такие виды, как - ель, сосна, пихта, лиственница и можжевельник.

Впервые правильную характеристику ели дал немецкий форстместер - Фрединанд Габриэль Фокель. В своей книге, которая вышла в 1766 году, приведены разнообразные сведения и по другим древесным породам центральных районов Росси. Но эту книги опубликовали спустя 14 лет (момент передачи рукописи в издательство - 1752 г.). Такая задержка была связанна с отрицательными отзывами рецензентов: отмечались ошибки в ботанических названиях и довольно непонятный местами текст [32].

2. Объекты и методы исследований

2.1 Объект исследования