Кафедра биотехнологии

Кафедра биотехнологии

Гаевский Н.А., Гольд В.М., Голованова Т.И., Белоног Н.П., Зубарева О.Н., Зобова Н.В.

Презентационные материалы по дисциплине«Экологическая физиология растений

Красноярск 2008

ИНСТИТУТФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ

И БИОТЕХНОЛОГИИ

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.

Избранные главы экофизиологии растений1.1.

История становления экофизиологии как науки

Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук1.2.

ТеофрастПлиний старший

1.3.

Александр Гумбольдт - великий немецкий ученый, заложивший основы биогеографии

Леонтий Григорьевич Раменский - великий русский геоботаник, сформулировавший закон экологической индивидуальности видов и создавший теорию экологического континуума



•Программа

Augustin Pyramus de Candolle (1778-1841) швейцарский и французский ботаник, один из крупнейших ботаников всех времён, автор одной из первых систем растений

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Candolle_Augustin_Pyrame_de_1778-1841.jpg

1.4.

Владимир Николаевич Сукачев один из создателей учения о биогеоценозах. Его имя носит Институт леса СО РАН, г.Красноярск



Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования


1. Понятие стресса.

2. Фазы стресса.

3. Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы

резистентности (выносливости).

4. Стрессоры.

5. Адаптации: понятие адаптации, типы адаптации.

6. Отличие адаптации от акклиматизации.

7. Устойчивость.

8. Способы адаптации.


Понятие стресса

Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования2.2.

Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)


Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985)

Ксерофит – растение засушливых местообитаний



Эфемер – песчаная осока.Уходят от засухи, быстро заканчивая свое развитие.




Едкий очиток – суккулент.


Лекция 3. Общие механизмы ответных реакций растений на стресс


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.

7. Антиоксидантные системы .

8. Этапы адаптации.

9. Стресс-реакция.


3.2.

СТРЕССОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ

ЗАСУХА

ВОДНЫЙДЕФИЦИТ

МОРОЗ

Ветер

Засоление

Низкаятемпература

Высокая температура


Стресс-реакция

3.3.

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

Стресс-реакция


Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды


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, S-

стратегии.

6. Смены стратегии в ходе онтогенеза растений.

7. Задача адаптивной селекции.


Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды4.2.

СТРАТЕГИИ РАСТЕНИЙ (адаптивные стратегии) – наиболее общие способы выживания растений в сообществах и экосистемах.

Составляющие адаптивных стратегий:Объект классификацииОбщие принципы и цели ее построения

Объект классификации – все многообразие первичных адаптивных реакций (ПАР) на условия обитания от молекулярно-биологических до онтогенетических.

Адаптивные стратегии и их составляющие

4.3.

Соотношение типов стратегий: C-стратегии, R-стратегии, S- стратегии

Тип стратегии

ОСНОВНОЙ ПРОЦЕСС

Вегетативный рост

Затраты на поддержание

Перераспределение ресурсов

в семена

C-стратегии + - -

S-стратегии - + -

R-стратегии - - +

Система «приоритетов»

Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды


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.


Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры

5.2.

Диапазон действия температурного фактора


Процессы жизнедеятельности растений в течение вегетационного периода

5.3.

Влияние отрицательных температур на физиологические процессы

Закаленный побег смородины может плодоносить после пребывания при температуре -196 oС [по Кузнецовой, Дмитриевой, 2005].


5.4.

Механизмы адаптации растений к низким температурам

Действие температуры на рост растений



1. Влияние высокой температуры на физиологические процессы.

2. Жаростойкость растений.

3. Эволюционные адаптации растений к высоким температурам.

4. Белки теплового шока.


Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры

6.2.

Влияние высокой температуры на физиологические процессы


Зависимость интенсивности дыхания от температуры и времени воздействия (О.А.Семихатова, Т.В. Чиркова, 2001).

6.3.

Активность фотохимических реакций ФС 2 (1) и ФС1 (2)


Влияние высокой температуры на физиологические процессы


1. Влияние водного дефицита на растения

2. Экологические группы

3. Механизмы адаптации растений к недостатку воды

4. Засухоустойчивость растений


Лекция 7. Водный стресс

7.2. Лекция 7. Водный стресс

Влияние водного дефицита на растения

Примеры водного дефицита в листьях растений различных местообитаний

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



Проявление водного дефицита в листьях модельных растений



Действие почвенной засухи на растения пшеницы


1. Характеристики засоленных почв

2. Распространение и разнообразие галофитов

3. Особенности физиологии галофитов

4. Кислотность почв как экологический фактор


Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость

8.2.

Характеристики засоленных почв


Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al. (1995)

Географический регионПлощадь 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

8.3.

Кислотность почв как экологический фактор


Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al. (1995)

Показатель Уровени засоленияКонцентрация NaCl, % 0,42 0,84 1,68 2,52

Осмотическое давление, mПа

0,3 0,6 1,2 1,8

Воздействие на растение

Не вызывает сильной

депрессии

Значимая депрессия

Превышает адаптивные

возможности

8.4.

Распространение и многообразие галофитов


Salicornia herbacea Suaeda maritima

Halocnemum strobilaceum

Соленакапливающие галофиты (эвгалофиты)

Anabasis salsa

8.4.



Соленепроницаемые галофиты (гликогалофиты)

Artemisia maritima L.

Солевыделяющие галофиты (криногалофиты)

Кермек Гмелина, катран красный

Солелокализирующие галофиты Atriplex tatarica

8.4.



Подсолнечник 0,058Свекла 0,045Хлопчатник 0,045Джугара(сорго поникшее)0,038Ячмень 0,038Овес 0,032Кукуруза 0,030Пшеница 0,024Просо 0,015Маш 0,015Кунжут 0,015Фасоль 0,015Люцерна 0,010

Нормальное развитие растений при содержании хлора в процентах на воздушно сухую почву (предельные величины)


1. Характеристика группы «тяжелые металлы»

2. Фитотоксичность тяжелых металлов

3. Механизмы защиты от действия тяжелых металлов


Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор

9.2.

Характеристика группы «тяжелые металлы»


РастенияТяжелые металлы

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

Растения, проявляющие повышенную устойчивость к тяжелым металлам

9.3.

Фитотоксичность тяжелых металлов

Схема синтеза аминокислот, участвующих в реакциях между тяжелыми металлами и N- метаболитами растений.Глу-SH – глутатион, Фх – фитохелаты, МК - мугеновая кислота, ТМ – тяжелые металлы.


9.4.

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


Механизмы защиты от действия тяжелых металлов


1. Окислительный стресс.

2. Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы

действия на растения.

3. Действие радиации на организм.

4. Механизмы радиоустойчивости.


Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение

10.2. Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение

Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения

Спектр излучения ртутной лампы

Длина волны

Спектральная область



Источники озона в атмосфере


1. Загрязнение атмосферы как экологический фактор.

2. Источники загрязнения.

3. Классификация поллютантов

4. Действие поллютантов на растения


Лекция 11. Газоустойчивость растений

11.2. Лекция 11. Газоустойчивость растений

Действие поллютантов на растения

Вид Поглощение F-, % от исходной концентрации

Состояние листьев

Сосна обыкновенная 3 Гибель

Лиственница сибирская 10

Ель сибирская 6

Черемуха обыкновенная 10

Береза повислая 17 Сильный некроз, средняя площадь листа менее 30% от контроля

Тополь дрожащий 24

Жимолость татарская 20

Карагана древовидная 39 Незначительный некроз листьев, средняя площадь листа 30≈55 % от контроля

Кизильник черноплодный 30

Тополь бальзамический 35

Ива козья 53

Вяз приземистый 34

Сирень венгерская 37

Оценка устойчивости древесных растений в зоне выброса алюминиевого завода (0,5-1,0 км) по степени сорбции фтора (И.Н.Павлов, 1999 г.)

11.3. Лекция 11. Газоустойчивость растений

Действие поллютантов на растения

Симптомы повреждения растений газообразными поллютантами.


1. Низкие температуры.

2. Высокие температуры.

3. Водный дефицит.

4. Засоление.

5. Анаэробные условия.

6. Ультрафиолетовое излучение.

7. Выпревание. Газоустойчивость.


Лекция 12. Моделирование факторов среды



Устройство для моделирования анаэробных условий в зоне корней



Схема моделирования мониторинга роста растений

Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам


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.


Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам 13.2.

2

1

3

4

5

7

6

Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам (кондуктометрия раствора).

Пункт плана


Датчики, контролирующие состояние органов растений



Камера для определения фотосинтеза листа


Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса


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


Природы флуоресценции

Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса14.2.

Характерная для листа картина индуцируемых светом изменений интенсивности быстрой флуоресценции хлорофилла «а» с обозначением принятых фаз индукции – “OIDPSMT”.

14.3.

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.


Природы флуоресценции

14.4.

Схема имидж-системы для регистрации показателей вариабельной флуоресценции хлорофилла



14.5.

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



14.6.

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.



14.7.



Термоидуцированные изменения флуоресценции у растений в состоянии вегетации (1) и вынужденного зимнего покоя (2)

Кафедра биотехнологии

Documents