Transcript М3.В.5 Экологичесая физиология растений (6.1Mб, ppt)

ИНСТИТУТ
ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ
И БИОТЕХНОЛОГИИ
Кафедра биотехнологии
Презентационные материалы по дисциплине
«Экологическая физиология растений
Гаевский Н.А., Гольд В.М., Голованова Т.И.,
Белоног Н.П., Зубарева О.Н., Зобова Н.В.
Красноярск 2008
Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук
План лекции
1. История становления экофизиологии как науки.
2. Цели и задачи экофизиологии.
3. Место экофизиологии в системе биологических наук.
1.1.
Избранные главы экофизиологии растений
История становления экофизиологии как науки
Теофраст
1.2.
Плиний старший
Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук
•Программа
История становления экофизиологии как науки
Александр
Гумбольдт великий немецкий
ученый,
заложивший
основы
биогеографии
1.3.
Augustin Pyramus de
Candolle (1778-1841)
швейцарский и
французский ботаник,
один из крупнейших
ботаников всех времён,
автор одной из первых
систем растений
Леонтий Григорьевич
Раменский - великий русский
геоботаник,
сформулировавший закон
экологической
индивидуальности видов и
создавший теорию
экологического континуума
Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук
История становления экофизиологии как науки
Владимир Николаевич Сукачев один из
создателей учения о биогеоценозах. Его
имя носит Институт леса СО РАН,
г.Красноярск
1.4.
Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук
Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования
План лекции
1.
Понятие стресса.
2.
Фазы стресса.
3.
Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы
резистентности (выносливости).
2.1.
4.
Стрессоры.
5.
Адаптации: понятие адаптации, типы адаптации.
6.
Отличие адаптации от акклиматизации.
7.
Устойчивость.
8.
Способы адаптации.
Избранные главы экофизиологии растений
Понятие стресса
Факторы стресса
__________________________________________________________________
Физические
Химические
Биологические
_____________________________________________________________________
1. Влажность
1. Газы
1. Насекомые
2. Свет
3. Температура
4. Радиация
5. Механические
воздействия и т.д.
2. Соли
3. Ксенобиотики
2. Микроорганизмы
3. Животные
4. Человек
_____________________________________________________________________
2.2.
Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования
Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)
Ксерофит
–
растение
засушливых местообитаний
Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985)
2.3.
Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования
Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)
Эфемер – песчаная осока.
Уходят от засухи, быстро
заканчивая свое развитие.
Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985)
2.4.
Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования
Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)
Едкий очиток – суккулент.
Приспособления растений к засухе
(Генкель, 1985)
2.5.
Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования
Лекция 3. Общие механизмы ответных реакций растений на стресс
План лекции
1.
Механизмы стресса на клеточном уровне.
2.
Механизмы адаптации на организменном уровне.
3.
Адаптация па популяционном уровне.
4.
Кросс-адаптация (кросс-устойчивость).
5.
Стресс-индуцированное новообразование макромолекул с защитными
свойствами.
6.
Синтез совместимых осмолитов с множественными протекторными
функциями.
3.1.
7.
Антиоксидантные системы .
8.
Этапы адаптации.
9.
Стресс-реакция.
Избранные главы экофизиологии растений
Стресс-реакция
СТРЕССОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ
ЗАСУХА
Высокая
температура
Засоление
ВОДНЫЙ
ДЕФИЦИТ
Низкая
температура
Ветер
МОРОЗ
3.2.
Лекция 3. Общие механизмы ответных реакций растений на стресс
Стресс-реакция
ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПРОЛИНА
Компонент стресс-белков и рецепторов
Регулятор экспрессии генов
Предшественник СН3-производных (осмолитов)
Осморегулятор
Протектор макромолекул и мембран
Генератор восстановительных эквивалентов
Регулятор окислительно-восстановительного потенциала
Источник энергии
Компонент системы клеточного рН-стата
Источник углерода
Источник запасного азота
Инактиватор реактивных радикалов
3.3.
Лекция 3. Общие механизмы ответных реакций растений на стресс
Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды
План лекции
1. Понятие донорно-акцепторных систем.
2. Адаптивные стратегии и их составляющие.
3. Содержание типов стратегий Раменского–Грайма: Виоленты (С).
Патиенты (S). Эксплеренты (R).
4. Стратегические качества растений: виолентность; патиентность;
эксплерентность.
5. Соотношение типов стратегий: C-стратегии, R-стратегии, Sстратегии.
6. Смены стратегии в ходе онтогенеза растений.
7. Задача адаптивной селекции.
4.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Адаптивные стратегии и их составляющие
СТРАТЕГИИ РАСТЕНИЙ (адаптивные стратегии) – наиболее общие
способы выживания растений в сообществах и экосистемах.
Составляющие адаптивных стратегий:
Объект классификации
Общие принципы и цели ее построения
Объект классификации – все многообразие первичных адаптивных
реакций (ПАР) на условия обитания от молекулярно-биологических до
онтогенетических.
4.2.
Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды
Соотношение типов стратегий: C-стратегии, R-стратегии, S- стратегии
Система «приоритетов»
ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС
Тип
стратегии
4.3.
Вегетативный
рост
Затраты на
поддержание
Перераспредел
ение ресурсов
в семена
C-стратегии
+
-
-
S-стратегии
-
+
-
R-стратегии
-
-
+
Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды
Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры
План лекции
1. Диапазон действия температурного фактора. Классификация
растений по отношению к температурному фактору.
2. Влияние низких положительных температур на физиологические
процессы в растениях.
3. Холодоустойчивость.
4. Влияние отрицательных температур на физиологические процессы.
5. Морозоустойчивость.
6. Механизмы адаптации растений к низким температурам.
5.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Диапазон действия температурного фактора
Процессы жизнедеятельности растений в течение вегетационного периода
5.2.
Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры
Влияние отрицательных температур на физиологические процессы
Закаленный побег смородины может плодоносить после пребывания при температуре -196
oС [по Кузнецовой, Дмитриевой, 2005].
5.3.
Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры
Механизмы адаптации растений к низким температурам
Действие температуры на рост растений
5.4.
Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры
Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры
План лекции
1. Влияние высокой температуры на физиологические процессы.
2. Жаростойкость растений.
3. Эволюционные адаптации растений к высоким температурам.
4. Белки теплового шока.
6.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Влияние высокой температуры на физиологические процессы
Зависимость интенсивности дыхания от температуры и времени воздействия
(О.А.Семихатова, Т.В. Чиркова, 2001).
6.2.
Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры
Влияние высокой температуры на физиологические процессы
Активность фотохимических реакций ФС 2 (1) и ФС1 (2)
6.3.
Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры
Лекция 7. Водный стресс
План лекции
1. Влияние водного дефицита на растения
2. Экологические группы
3. Механизмы адаптации растений к недостатку воды
4. Засухоустойчивость растений
7.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Влияние водного дефицита на растения
Примеры водного дефицита в листьях растений различных местообитаний
7.2.
Растительное
сообщество
реальный водный
дефицит %
сублетальный водный
дефицит %
еловый лес,
кустарнички и травы
0,1-12
14-55
лесостепная дубрава,
ранневесенние
эфемероиды
1,5-13
26-41
летневегетирующие
травы
3-40
40-66
сухие степи
2-25
35-80
Лекция 7. Водный стресс
Влияние водного дефицита на растения
Проявление водного дефицита в листьях модельных растений
7.3.
Лекция 7. Водный стресс
Влияние водного дефицита на растения
Действие почвенной засухи на растения пшеницы
7.4.
Лекция 7. Водный стресс
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
План лекции
1. Характеристики засоленных почв
2. Распространение и разнообразие галофитов
3. Особенности физиологии галофитов
4. Кислотность почв как экологический фактор
8.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Характеристики засоленных почв
Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al.
(1995)
Географический регион
8.2.
Площадь земель
вторичного
засоления, млн.га
Африка
14,8
Азия
52,7
Южная Америка
2,1
Северная и Центральная
Америка
2,3
Европа
3,8
Австралия
2,5
Всего
78,2
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
Кислотность почв как экологический фактор
Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al.
(1995)
Показатель
Уровени засоления
Концентрация NaCl, % 0,42
0,84
1,68
2,52
Осмотическое
0,3
0,6
1,2
1,8
давление, mПа
Не вызывает
Превышает
Воздействие на
Значимая
сильной
адаптивные
растение
депрессия
депрессии
возможности
8.3.
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
Распространение и многообразие галофитов
Соленакапливающие галофиты (эвгалофиты)
Salicornia herbacea
Halocnemum strobilaceum
8.4.
Suaeda maritima
Anabasis salsa
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
Распространение и многообразие галофитов
Солевыделяющие галофиты
(криногалофиты)
Соленепроницаемые
галофиты (гликогалофиты)
Artemisia maritima L.
Кермек Гмелина,
катран красный
Atriplex tatarica
8.4.
Солелокализирующие
галофиты
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
Распространение и многообразие галофитов
Нормальное развитие растений при содержании хлора в
процентах на воздушно сухую почву (предельные величины)
Подсолнечник 0,058
Свекла
0,045
Хлопчатник
0,045
Джугара
(сорго поникшее)0,038
Ячмень
0,038
Овес
0,032
Кукуруза
0,030
Пшеница
0,024
Просо
0,015
Маш
0,015
Кунжут
0,015
Фасоль
0,015
Люцерна
0,010
8.4.
Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость
Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор
План лекции
1. Характеристика группы «тяжелые металлы»
2. Фитотоксичность тяжелых металлов
3. Механизмы защиты от действия тяжелых металлов
9.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Характеристика группы «тяжелые металлы»
Растения, проявляющие повышенную устойчивость к тяжелым металлам
Тяжелые
металлы
Растения
9.2.
Характер
устойчивости
Арабидопсис
Zn
Гипераккумуляция
Ярутка
Cd-/Zn или Ni
Гипераккумуляция
Алиссум
Ni
Гипераккумуляция
Плаун булавовидный
AlО2
Гипераккумуляция
Хибантус флорибундус
Ni
Гипераккумуляция
Астрагал
Se
Гипераккумуляция
Донник
Mo
Гипераккумуляция
Клевер
Mo
Гипераккумуляция
Овсяница овечья
Pb
Не установлен
Полевица тонкая
Pb
Не установлен
Полынь холодная
V
Не установлен
Смолевка обыкновенная
Cu
Не установлен
Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор
Фитотоксичность тяжелых металлов
Схема синтеза аминокислот, участвующих в реакциях между тяжелыми металлами и Nметаболитами растений.
Глу-SH – глутатион, Фх – фитохелаты, МК - мугеновая кислота, ТМ – тяжелые металлы.
9.3.
Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор
Механизмы защиты от действия тяжелых металлов
Обобщенная схема взаимодействия клетки с тяжелыми металлами.
1 – участие микоризы в остановке движения ионов металлов к корням; 2 – связывание
клеточной стенкой и клеточными экссудатами; 3 – снижение поступления за счет свойств
плазматической мембраны; 4 – активное удаление в апопласт; 5 – образование хелатов с
помощью присутствующих в цитоплазме лигандов; 6 – защита и восстановление повреждений
плазматической мебраны белками теплового шока (БТШ) и металлотианинами (МТ); 7 –
обезвреживание кадмия посредством образования комплекса с лигандом (ФХ-Cd) и его
активным транспортом через тонопласт; 8 – транспорт и аккумуляция ионов тяжелых металлов
в вакуоли
9.4.
Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор
Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение
План лекции
1. Окислительный стресс.
2. Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы
действия на растения.
3. Действие радиации на организм.
4. Механизмы радиоустойчивости.
10.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения
Спектр излучения ртутной лампы
Спектральная
область
Длина волны
10.2.
Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение
Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения
Источники озона в атмосфере
10.3.
Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение
Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения
10.4.
Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение
Лекция 11. Газоустойчивость растений
План лекции
1. Загрязнение атмосферы как экологический фактор.
2. Источники загрязнения.
3. Классификация поллютантов
4. Действие поллютантов на растения
11.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Действие поллютантов на растения
Оценка устойчивости древесных растений в зоне выброса алюминиевого завода (0,5-1,0 км) по
степени сорбции фтора (И.Н.Павлов, 1999 г.)
11.2.
Вид
Поглощение F-,
% от исходной
концентрации
Состояние листьев
Сосна обыкновенная
3
Гибель
Лиственница сибирская
10
Ель сибирская
6
Черемуха обыкновенная
10
Береза повислая
17
Тополь дрожащий
24
Жимолость татарская
20
Карагана древовидная
39
Кизильник черноплодный
30
Тополь бальзамический
35
Ива козья
53
Вяз приземистый
34
Сирень венгерская
37
Сильный некроз,
средняя площадь листа
менее 30% от контроля
Незначительный некроз
листьев, средняя
площадь листа 30≈55 %
от контроля
Лекция 11. Газоустойчивость растений
Действие поллютантов на растения
Симптомы повреждения растений газообразными поллютантами.
11.3.
Лекция 11. Газоустойчивость растений
Лекция 12. Моделирование факторов среды
План лекции
1. Низкие температуры.
2. Высокие температуры.
3. Водный дефицит.
4. Засоление.
5. Анаэробные условия.
6. Ультрафиолетовое излучение.
7. Выпревание. Газоустойчивость.
12.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Лекция 12. Моделирование факторов среды
Устройство для моделирования анаэробных
условий в зоне корней
12.2.
Избранные главы экофизиологии растений
Лекция 12. Моделирование факторов среды
Схема моделирования мониторинга роста растений
12.3.
Избранные главы экофизиологии растений
Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам
План лекции
1. Методы при изучении низких температур.
2. Методы при изучении высоких температур.
3. Методы при изучении водообмена.
4. Определение состояния насаждений
5. Гидролиз статолитного крахмала в клетках кончика корня.
6. Проницаемость мембран как показатель устойчивости растений к
неблагоприятным факторам.
13.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Пункт плана
1
2
7
6
5
3
4
Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым
факторам (кондуктометрия раствора).
13.2.
Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам
Пункт плана
Датчики, контролирующие состояние органов растений
13.3.
Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам
Пункт плана
Камера для определения фотосинтеза листа
13.4.
Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
План лекции
1. Природа флуоресценции.
2. Параметры индукционной кривой.
3. Механизмы формирования быстрых и медленных переходов.
4. Методические приемы выделения
быстрой и медленной фаз
индукции.
5. Термоиндуцирванные изменения флуоресценции
14.1.
Избранные главы экофизиологии растений
Природы флуоресценции
Характерная для листа картина индуцируемых светом изменений интенсивности
быстрой флуоресценции хлорофилла «а» с обозначением принятых фаз индукции –
“OIDPSMT”.
14.2.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
Природы флуоресценции
Компоненты тушения флуоресценции хлорофилла а и их выделение на основе
ингибиторного анализа (А) и применения импульсного и модулированного
возбуждающего света (Б).
qN – нефотохимическое, qP – фотохимическое, qI – необратимое, Fm –
максимальное, Fp – пиковое, Fm’ – максимальное в условиях освещения, Ft –
терминальное, Fo’ – нулевое.
14.3.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
Пункт плана
Схема имидж-системы для регистрации показателей вариабельной флуоресценции
хлорофилла
14.4.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
Пункт плана
Термоиндуцированные изменения
флуоресценции хлорофилла у растений с
нормально сформированным
фотосинтетическим аппаратом. Т1 - начало
подъема, Т2 - низкотемпературный пик, Т3
- высокотемпературный пик. Кривая 1 нулевой уровень ( возбуждение 390-400
нм) кривая 2 - тоже (возбуждение 470-490
нм), кривая 3 - максимальный уровень
(возбуждение 390-400 нм), кривая 4 отношение кривой 2 к кривой 1
14.5.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
Пункт плана
Термоидуцированные изменения флуоресценции Chlamydomonas reihardii. 137С – дикий тип;
СС107 – СР1 и СР2; А90 – ССКа/в, СР1; ВФ9 - ССКа/в; АС1134 - ССКа, СР2; АСС66 – СР2;
АСС14 – СР1; А66-8 - ССКа/в, СР2.
14.6.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса
Пункт плана
Термоидуцированные изменения флуоресценции у растений в состоянии
вегетации (1) и вынужденного зимнего покоя (2)
14.7.
Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса