Посуха є одним із головних чинників зменшення та значної щорічної мінливості виробництва сільськогосподарської продукції в усьому світі. До дії цього стресора чутлива також одна з найважливіших продовольчих культур світу — пшениця. На сьогодні перспективною стратегією збільшення потенціалу зернової продуктивності пшениці вважають підвищення ефективності фотосинтезу. Мета нашої роботи полягала у дослідженні впливу тижневої посухи у період цвітіння на вміст і співвідношення ксантофілів віолаксантинового циклу, які беруть участь у захисті фотосинтетичного апарату від надлишку поглинутої сонячної енергії. З’ясовано, що загальний пул пігментів віолаксантинового циклу в прапорцевих листках рослин за умов достатнього водозабезпечення (70 % повної вологоємності) й тижневої посухи (30 % повної вологоємності) значно не різнився. Разом із тим вміст окремих ксантофілів і співвідношення між епоксидованими та деепоксидованими пігментами циклу на 7-му добу посухи істотно змінювалися. На яскравому сонячному освітленні вміст віолаксантину був на 10 % нижчий за умов посухи, ніж за достатнього вологозабезпечення. Вміст деепоксидованих пігментів циклу — зеаксантину та антераксантину, навпаки, збільшувався, на 22 і 18 % відповідно. У результаті співвідношення між епоксидованими та деепоксидованими пігментами циклу за умов посухи зростало. Підвищення ступеня деепоксидації циклу за умов дефіциту вологи в ґрунті свідчить про більші втрати поглинутої сонячної енергії у нефотохімічних реакціях і менше її використання у фотохімічних процесах, що зумовлює зниження ефективності фотосинтезу за умов стресу. Зменшення зернової продуктивності головного пагона та цілої рослини озимої пшениці за умов посухи порівняно з достатнім вологозабезпеченням підтверджує, що ефективність фотосинтезу є одним із чинників, які визначають продуктивність пшениці.
Ключові слова: Triticum aestivum L., посуха, хлорофіл, віолаксантиновий цикл, деепоксидація
Повний текст та додаткові матеріали
У вільному доступі: PDFЦитована література
1. Simkin, A.J., Lypez-Calcagno, P.E. & Raines, C.A. (2019). Feeding the world: improving photosynthetic efficiency for sustainable crop production. J. Exp. Bot., 70, No. 4, pp. 1119-1140. https://doi.org/10.1093/jxb/ery445
2. Walker, B.J., Kramer, D.M., Fisher, N. & Fu, X. (2020). Flexibility in the energy balancing network of photosynthesis enables safe operation under changing environmental conditions. Plants, 9, No. 3, 301. https://doi.org/10.3390/plants9030301
3. Brestic, M., Zivcak, M., Hauptvogel, P., Misheva, S., Kocheva, K., Yang, X., Li, X. & Allakhverdiev, S.I. (2018). Wheat plant selection for high yields entailed improvement of leaf anatomical and biochemical traits including tolerance to non-optimal temperature conditions. Photosynth. Res., 136, No. 2, pp. 245-255. https://doi.org/10.1007/s11120-018-0486-z
4. Roy, C., Chattopadhyay, T., Ranjan, R.D., Ul Hasan, W., Kumar, A. & De N. (2021). Association of leaf chlorophyll content with the stay-green trait and grain yield in wheat grown under heat stress conditions. Czech J. Genet. Plant Breed., 57, No. 4, pp. 140-148. https://doi.org/10.17221/45/2021-CJGPB
5. Sangwan, S., Ram, K., Rani, P. & Munjal, R. (2018). Effect of terminal high temperature on chlorophyll content and normalized difference vegetation index in recombinant inbred lines of bread wheat. Int. J. Curr. Microbiol. Appl. Sci., 7, pp. 1174-1183. https://doi.org/10.20546/ijcmas.2018.706.139
6. Li, X., Yang, R., Li, L., Liu, K., Harrison, M.T., Fahad, S., Wei, M., Yin, L., Zhou, M. & Wang, X. (2023). Physiological and molecular responses of wheat to low light intensity. Agronomy, 13, 272. https://doi.org/10.3390/agronomy13010272
7. Ruban, A.V., Jonson, M.P. & Duffy, C.D. (2012). The photoprotective molecular switch in the photosystem II antenna. Biochim. Biophys. Acta, 1817, No. 1, pp. 167-181. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2011.04.007
8. Kiriziy, D.A., Stasik, O.O., Pryadkina, G., & Shadchina, T.M. (2014). Photosynthesis. Vol. 2. Assimilation of CO2 and the mechanisms of its regulation. Kyiv: Logos [in Russian].
9. Horton, P. (2000). Prospects for crop improvement through the genetic manipulation of photosynthesis: morphological and biochemical aspects of light capture. J. Exp. Bot., 51, pp. 475-485. https://doi.org/10.1093/jexbot/51.suppl_1.475
10. Demmig-Adams, B., Stewart, J.J., Lypez-Pozo, M., Polutchko, S.K. & Adams, W.W. (2020). Zeaxanthin, a molecule for photoprotection in many different environments. Molecules, 25, 5825. https://doi.org/10.3390/molecules25245825
11. Murchie, E.H. & Niyogi, K.K. (2011). Manipulation of photoprotection to improve plant photosynthesis. Plant Physiol., 155, No. 1, pp. 86-92. https://doi.org/10.1104/pp.110.168831
12. Takemura, M., Sahara, T. & Misawa, N. (2021). Violaxanthin: natural function and occurrence, biosynthesis, and heterologous production. Appl. Microbiol. Biotechnol., 105, pp. 6133-6142. https://doi.org/10.1007/s00253-021-11452-2
13. Sinclair, T.R., Rufty, T.W. & Lewis, R.S. (2019). Increasing photosynthesis: unlikely solution for world food problem. Trends Plant Sci., 24, No. 11, pp. 1032-1039. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2019.07.008
14. Wang, S.H., Jing, Q., Dai, T.B., Jiang, D. & Cao, W.X. (2008). Evolution characteristics of flag leaf photosynthesis and grain yield of wheat cultivars bred in different years. 19, No. 6, pp. 1255-1260. Chinese. PMID: 18808017.
15. Murchie, E.H., Reynolds, M., Slafer, G.A., Foulkes, M.J., Acevedo-Siaca, L., McAusland, L., Sharwood, R., Griffiths, S., Flavell, R.B., Gwyn, J., Sawkins, M. & Carmo-Silva, E. (2023). A 'wiring diagram' for source strength traits impacting wheat yield potential. J. Exp. Bot., 74, No. 1, pp. 72-90. https://doi.org/10.1093/jxb/erac415
16. Kamal, N.M., Alnor Gorafi, Y.S., Abdelrahman, M., Abdellatef, E. & Tsujimoto, H. (2019). Stay-green trait: A prospective approach for yield potential, and drought and heat stress adaptation in globally important cereals. Int. J. Molec. Sci., 20, No. 20, 5837. https://doi.org/10.3390/ijms20235837
17. Leng, G. & Hall, J. (2019). Crop yield sensitivity of global major agricultural countries to droughts and the projected changes in the future. Sci. Env., 654, pp. 811-821. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2018.10.434
18. Cardona, T., Shao, S. & Nixon, P.J. (2018). Enhancing photosynthesis in plants: the light reactions. Essays Biochem., 62, No. 1, pp. 85-94. https://doi.org/10.1042/EBC20170015
19. Wu, A., Hammer, G.L., Doherty, A., von Caemmerer, S. & Farquhar, G.D. (2019). Quantifying impacts of enhancing photosynthesis on crop yield. Nat. Plants, 5, No. 4, pp. 380-388. https://doi.org/10.1038/s41477-019-0398-8
20. Gu, J., Yin, X., Stomph, T.J. & Struik, P.C. (2014). Can exploiting natural genetic variation in leaf photosynthesis contribute to increasing rice productivity? A simulation analysis. Plant Cell Environ., 37, No. 1, pp. 22-34. https://doi.org/10.1111/pce.12173
21. Arnon, D.I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol., 24, pp. 1-15. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1
22. Choudhary, N.K., Choe, H.T. & Huffaker, R.C. (1993). Ascorbate induced zeaxanthin formation in wheat leaves and photoprotection of pigment and photochemical activities during aging of chloroplasts in light. J. Plant Physiol., 141, No. 5, pp. 551-556. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)80455-4
23. Kromdijk, J., Giowacka, K., Leonelli, L., Gabilly, S.T., Iwai, M., Niyiogi, K.K. & Long, S.P. (2016). Improving photosynthesis and crop productivity by accelerating recovery from photoprotection. Science, 354, No. 6314, pp. 857-861. https://doi.org/10.1126/science.aai8878
24. Leonelli, L., Erickson, E., Lyska, D. & Niyogi, K.K. (2016). Transient expression in Nicotiana benthamiana for rapid functional analysis of genes involved in non-photochemical quenching and carotenoid biosynthesis. Plant J., 88, No. 3, pp. 375-386. https://doi.org/10.1111/tpj.13268
25. Taylor, S.H. & Long, S.P. (2017). Slow induction of photosynthesis on shade to sun transitions in wheat may cost at least 21 % of productivity. Philos. Trans. R. Soc. B: Biol. Sci., 372, No. 1730, 20160543. https://doi.org/10.1098/rstb.2016.0543