Хлорофилл. Видимый признак старения листа По мере старения листьев происходит разрушение хлорофилла

Достигнув окончательных размеров, лист может жить в течение разного времени, однако по сравнению с осевыми органами, листья многолетних растений недолговечны. У большинства растений они живут несколько месяцев, а у вечнозеленых растений от 1,5 до 20 лет. Вечнозелёность этих растений объясняется тем, что старые листья постепенно заменяются новыми, т. е. у них нет единовременного опадения всех листьев.

Наибольшей продолжительностью жизни отличаются листья хвойных. Так, у сосны обыкновенной лист живёт 2-4 года, а у ели — 5-7 лет, тиса — 6-10 лет. У одних и тех же видов растений при подъёме в горы и с продвижением на север длительность жизни листьев увеличивается. Так, у ели обыкновенной в Хибинах хвоя живёт 12-18 лет.

Старение листа

Как только листья достигнут предельных размеров, начинаются процессы их изнашивания, ведущие к старению и отмиранию. По мере старения листа постепенно снижается интенсивность фотосинтеза и дыхания, содержание РНК, азотных и калийных соединений. В тканях старых листьев накапливаются конечные продукты обмена, откладываются кристаллы оксалата кальция. Процессы распада веществ преобладают над их синтезом. Из старого листа углеводы и аминокислоты оттекают в другие части растения, что является одной из причин старения и опадения листьев.

Листопад

В умеренных широтах листья у большинства деревьев и кустарников опадают на зиму, что имеет важное приспособительное значение. Сбрасывая листья, растения уменьшают испаряющую поверхность, так как потеря влаги в зимнее время может привести к высыханию надземных органов. Кроме того, облиственные ветви могут обламываться от тяжести снега, а на безлистных ветвях снег не накапливается. Опавшие листья — хорошее органическое и минеральное удобрение, они предохраняют корни от вымерзания. Материал с сайта

Осенние листья у большинства деревьев и кустарников желтеют или краснеют из-за разрушения хлорофилла и более длительной сохранности других пигментов (ксантофилла, антоциана и др.). В процессе старения листа близ его основания у двудольных древесных растений формируется так называемый отделительный слой, по которому лист и отделяется от стебля. У однодольных и травянистых двудольных растений отделительный слой не образуется, у них лист отмирает постепенно, оставаясь на стебле.

Сигналом для растений о приближении осени является изменение длины дня. Таким образом, листопад — это приспособление, возникшее у растений в процессе эволюции для перенесения ими неблагоприятных условий.

Этап старения (старости и отмирания) - это период от пол­ного прекращения плодоношения до естественной смерти расте­ния . Старение - это период закономерного ослабления процес­сов жизнедеятельности, изнашивания, повышения чувствитель­ности растительного организма к неблагоприятным условиям среды . Старение включает в себя изменения на молекулярном, клеточном, органном и организменном уровнях растения. Отми­рание - конечный результат негативных изменений, накопив­шихся в растении при старении.

Продолжительность жизни, а следовательно, и отмирание каж­дого растения генетически детерминированы: яровая пшеница - 1 год, клевер луговой - 2-5 лет, тимофеевка луговая - 5-12 лет, капуста - 2 года, виноград - до 100 лет, яблоня - до 200 лет. Про­цесс старения развивается постепенно. У взрослого растения благо­даря деятельности меристем одновременно функционируют совсем молодые и отмирающие клетки и органы. На уровне целого расте­ния рост (корни, побеги и др.) продолжается до глубокой старости, но скорость его постепенно замедляется.

Типы старения . У однолетних злаков растение отмирает цели­ком в результате какого-то общего процесса (рис.). У много­летних трав ежегодно отмирают отплодоносившие генеративные побеги, а узел кущения, корневая система и другие подземные части остаются жизнеспособными. У яблони, груши и других культур ежегодно после плодоношения отмирают плодовые ве­точки. Осенью одновременно стареют и опадают все листья, но большая часть побегов и корневая система сохраняют жизнеспо­собность.

Старение отдельных органов может быть полезным для всего растительного организма; стареющие и отмирающие листья снабжают питательными веществами более молодые органы, способствуют подготовке растений к зимним условиям.

Причины и механизмы старения . Старение связывают с гене­тически обусловленной программой, а также рассматривают как результат накопления повреждений в онтогенезе клетки, органа и растения.

Ученые называют несколько причин старения:

отток большей части питательных веществ от вегетативных органов к развивающимся репродуктивным органам, смерть на­ступает от истощения. Раннее удаление генеративных органов у гречихи, могара, конских бобов, нуга, люпина, льна, горчицы, фасоли, подсолнечника задерживает старение этих растений! Укосы многолетних трав до цветения позволяют проводить их несколько раз, что повышает общий сбор и качество корма;

самоотравление организма продуктами собственного обмена веществ. Клетки листьев и других органов у некоторых растений с возрастом переполняются щавелевокислым кальцием, алкалои­дами, дубильными и другими балластными веществами. Чтобы избавиться от них, растение сбрасывает часть побегов, корней и листьев. Старят растения токсины, вырабатываемые почвенной микрофлорой при бессменной культуре сельскохозяйственных растений, многие патогенные организмы; отставание развития корневой системы, изменение отношения побег: корень в онтогенезе растения (Д. А. Сабинин, 1963; В. О. Казарян, 1951). Старение во время формирования семян и плодов определяется угнетением роста корней из-за ограниченно­го поступления в них фотоассимилятов. Угнетение же роста кор­ней снижает общую жизнедеятельность растения, вызывает старе­ние всего растительного организма. У плодовых деревьев с голами по мере увеличения высоты ствола ухудшаются трофические, гор­мональные и другие связи между листьями и корнями, что приво­дит к снижению активности апикальных меристем побегов и дру­гих органов растения.

Изменение соотношения фитогормонов . Старение вызывается нарушением соотношения фитогормонов, возникающим под действием внутренних и внешних факторов. В стареющих орга­нах количество стимуляторов роста резко уменьшается, а инги­биторов - увеличивается. Начало и развитие процесса старения листа сопровождаются увеличением АБК и этилена в листьях и плодах. Процесс старения заканчивается их опаданием в резуль­тате формирования клеток отделительного слоя.

Основную роль в этом процессе играют уменьшение содержа­ния ауксина в черешке или плодоножке и увеличение этилена. Этилен индуцирует синтез целлюлазы и полигалактуроназы, рас­щепляющих основные компоненты клеточных стенок и средин­ных пластинок в отделительном слое. В результате лист или плод опадают.

Причиной старения являются нарушение структурной целост­ности клеток и их органелл в стареющих органах, возрастание проницаемости мембран в результате снижения синтетической активности отдельных органов и всего растения.

Развитие старения связано с уменьшением процессов синтеза белка и других биополимеров клетки и усилением их распада. В результате замедляется обновление компонентов клетки, проис­ходят снижение функций, нарушение регуляции. Клетки в раз­ных тканях имеют неодинаковую продолжительность жизни.

На выполнение генетической программы старения клеток влияют различные нарушения обменных процессов (увеличение содержания модифицированной ДНЮ, повреждение хроматина ядра и мембран свободными радикалами, образующимися в ре­зультате стрессов, патологии и др.), что приводит к синтезу дефектных белков, токсичных веществ, нерегулируемым процес­сам автолиза, ускоряющим старение.

Важнейшими показателями старения (Е. П. Алешин, А. А. По­номарев, 1979) являются снижение оводненности тканей и гидрофильности сухого вещества, содержания белков, РНК, калия, маг­ния, интенсивности фотосинтеза и дыхания, изменение направ­ленности биохимических процессов в сторону гидролиза, усиление лигнификации и суберинизации клеточных стенок, сни­жение зольности сухого вещества, повышение проницаемости клеточных мембран для оттока питательных веществ в молодые растущие органы, замедление и прекращение роста, нарушение соотношения между стимуляторами и ингибиторами роста .

Старение листа . Процесс старения листа начинается с оста­новки его роста, коррелирующей со снижением фото синтетичес­кой активности, интенсивности и эффективности дыхания, в листьях снижается содержание хлорофилла, НК, деградируют клеточные органоиды. В желтеющем листе фото­синтез не обеспечивает постоянство сухой массы. Лист вместо продуктов фотосинтеза поставляет в растение продукты гидроли­за полимеров клетки (низкомолекулярные соединения, содержа­щие азот, фосфор, серу). В процессах старения листьев принима­ют участие фитохром и природные ингибиторы роста. Повышен­ная температура, недостаток воды и света ускоряют старение листьев на растениях

Ускорение старения листьев может быть результатом конку­ренции за питание и регуляторы роста с другими листьями на растении, побегами, формирующимися цветками и плодами. По-видимому, программа старения конкретного листа включается в ситуации, когда требуется перераспределение веществ в другие органы (апексы, плодоэлементы и др.) для поддержания общего гомеостаза в растительном организме.

В густом травостое или кроне дерева увеличивается доля даль­него красного света (ДК) в радиации на уровне нижних ярусов листьев, что ускоряет их старение и опадание. Доказано, что ДК увеличивает чувствительность тканей листа (черешка) к этилену. Проведение укоса или прореживание задерживают старение лис­тьев. У многих растений старение листьев можно задержать предотвращением цветения, опыления или воздействием небла­гоприятным фотопериодом. Наоборот, у кукурузы, ячменя и дру­гих культур удаление молодых соцветий (метелки, початки, колос) ускоряет старение листьев.

Старение целого растения . Оно отражает процессы старения всех составляющих его органов. Старение растения тесно связа­но с замедлением или прекращением ростовых процессов его тканей и органов. В период старения резко снижаются интенсив­ность фотосинтеза, дыхания и других физиологических процес­сов, оводненность тканей, содержание белков, РНК, калия и магния, уменьшаются дисперсность и гидрофильность белков, изменяются электрические свойства мембран (падает МП), сни­жается активная компонента транспорта ионов.

При старении растения процессы распада начинают преобладать над синтезом. Исследованиями Н. А. Максимова (1958) ус­тановлено, что проницаемость молодых растительных тканей (по выходу электролитов) высокая, затем она снижается, а с началом старения опять повышается, что, вероятно, способствует ОТТОКУ минеральных и органических веществ из стареющих в молодые растущие органы.

Старение и факторы внешней среды . У стареющего растения резко снижается сопротивляемость по отношению к неблагопри­ятным факторам среды, которые легко переносятся молодым организмом и вызывают гибель старого. Возрастные изменения запрограммированы в наследственной основе, однако их темпы зависят от внешней среды. Ускоряют старение недостаток пита­тельных веществ и воды. слишком низкая или высокая темпера­тура, ионизирующее излучение и др. У некоторых растений ста­рение индуцируется определенным фотопериодом.

Зеленая вытяжка кроме хлорофилла содержит другие пигменты и посторонние примеси. Для разделения пигментов существует несколько способов. Один из них состоит в том, что спиртовая вытяжка осаждается баритовой водой, образовавшийся зеленый осадок собирается на фильтре и обрабатывается спиртом, который извлекает желтые пигменты - ксантофилл и каротин . Хорошо промытый спиртом зеленый осадок разлагается едким кали . На полученный зеленый раствор наливается слой эфира, и затем, для нейтрализации едкого кали, прибавляется по каплям слабая уксусная кислота . После нейтрализации и взбалтывания хлорофилл переходит в слой эфира. Но полученный по этому способу X. уже несколько изменен. Получить вполне чистый и неизмененный хлорофилл крайне трудно. Лучшие результаты дает следующий способ. Листья извлекаются 82-процентным спиртом. Экстракт взбалтывается с равным объемом сероуглерода . Сероуглеродный слой отделяется и еще несколько раз взбалтывается с равными объемами спирта прежней крепости. Затем сроуглеродный раствор выпаривается и осадок растворяется в спирте. Из всех свойств хлорофилла. особенного внимания заслуживает его спектр поглощения .

Фиг. 1. I - спектр раствора хлорофилла слабой концентрации. II - спектр раствора хлорофилла средней концентрации. III - спектр желтых пигментов.

В спектре хлорофилла слабой концентрации замечается одна резкая полоса между фрауенгоферовыми линиями В и С и поглощение лучей вправо от линии b (фиг. 1, I). При средней концентрации появляются еще три полосы между С и D, на D и немного влево от E (фиг. 1, II). При увеличении концентрации абсорбционные полосы делаются толще, сливаются, так что через концентрированный раствор хлорофилла проходят уже только красные лучи между А и В и часть зеленых лучей. Наконец, при еще большей концентрации и зеленые лучи поглощаются, проходят только одни красные лучи между А и В . Желтые пигменты дают сплошное поглощение всех лучей вправо от линии b (фиг. 1, III).

Образование хлорофилла зависит от нескольких условий. Одно из них - свет . Выросшие в темноте листья всегда желтого цвета. Такие листья называются этиолированными ; будучи выставлены на свет, они скоро зеленеют. Исключение представляют только ростки некоторых хвойных, молодые ваи папоротников , а также некоторые одноклеточные водоросли , зеленеющие в темноте. Для зеленения наиболее благоприятен свет средней напряженности. Если часть выросших в темноте растений выставить на прямой солнечный свет, другую же часть, также выставленную на свет, затенить вертикально повешенными листьями бумаги, то зеленеть постоянно начинают скорее затененные растения. Это объясняется тем, что одновременно с зеленением идет противоположный процесс разрушения хлорофилла. На слабом и среднем свете разрушения хлорофилла почти не происходит. На ярком же свете одновременно с сильным образованием X. идет очень значительное разрушение его и в результате - более слабое зеленение , чем на рассеянном свете. Для зеленения достаточно очень слабого света. Различные лучи спектра неодинаково влияют на образование хлорофилла. Для изолирования отдельных частей спектра пользуются методом цветных экранов: берутся стеклянные колокола с двойными стенками, наполненные цветными жидкостями. Один колокол наполняется раствором двухромокислого калия, другой - аммиачным раствором окиси меди. Первая жидкость при средней концентрации пропускает лучи первой менее преломляемой части спектра, то есть красные, оранжевые, желтые и часть зеленых. Вторая жидкость пропускает лучи остальной половины спектра, то есть вторую половину зеленых, голубые, синие и фиолетовые. Следовательно, при помощи двух названных растворов спектр делится на две половины. На слабом свете зеленение наступает ранее под желтыми колпаками, на ярком же свете - под синими колпаками. Образование хлорофилла зависит также от температуры. При очень низкой, как и при очень высокой температуре, нет зеленения. Так, опыты над зеленением ростков ячменя показали:

При 2 - 4° C нет зеленения " 4 - 5° " зеленение через 7 час. 15 мин. " 5 - 6° " " " 5 " - " " 10° " " " 3 " 30 " " 13° " " " 2 " - " " 18 - 19° " " " 1 " 40 " " 30° " " " 1 " 35 " " 35° " " " 1 " 30 " " 37 - 38° " " " 4 " - " " 40° " нет зеленения

В зависимости от света и температуры воздуха находится осенняя окраска листьев. Осенние лучи солнца разрушают X., низкая же температура препятствует его новообразованию. Напр., ветви Chamaecypans obtusa , освещаемые солнцем, имеют осенью золотисто-желтый цвет, тогда как затененные ветви остаются зелеными. Третье необходимое условие для образования хлорофилла - это присутствие железа . Без железа вырастают бледно-желтые растения, называемые хлоротическими. Самая болезнь называется хлорозисом (см.) и излечивается железными солями. Для зеленения необходим также кислород . На свете в атмосфере, лишенной кислорода , листья остаются желтыми. Недостаток в почве необходимых для растения зольных элементов отражается уменьшением количества X. Уменьшение количества хлорофилла вызывается также и избытком минеральных веществ. Наконец, для образования X. необходимы углеводы .

Этиолированные листья различных растений, по содержанию в них углеводов, распадаются на две группы. Этиолированные листья одних растений, как, напр., пшеницы , содержат значительное количество растворимых углеводов. Листья же других этиолированных растений (бобов) не содержат их почти ни следа. Если отрезанные этиолированные листья положить на поверхность воды и выставить на свет, то листья пшеницы позеленеют, листья же бобов останутся желтыми. Если же листья бобов положить не на воду, а на раствор сахарозы , глюкозы , фруктозы , то они также все позеленеют.

Попытки установить химическую природу хлорофилла не давали определенных результатов, пока не занялись продуктами его распада. При пропускании через спиртовой раствор X. тока хлороводорода осаждается почти черная масса. Этот осадок отфильтровывается, промывается спиртом и растворяется в эфире. Раствор отфильтровывается и разбавляется равным объемом крепкой соляной кислоты и взбалтывается. Соляно-кислый слой отделяется, оставляется некоторое время открытым для испарения оставшегося эфира и затем разбавляется избытком воды. Получившийся сине-черный осадок отфильтровывается, промывается, растворяется в кипящей крепкой уксусной кислоте и оставляется стоять. Через некоторое время оседают кристаллики филлоцианина, который перекристаллизовывается из крепкой уксусной кислоты. Для уксусно-кислой медной двойной соли филлоцианина вычислена следующая формула C 68 H 71 N 5 O 17 Cu 2 . Оставшийся после отделения соляно-кислого раствора филлоционина грязно-желтый эфирный раствор выпаривается в плоских чашках. Полученная темно-коричневая масса растворяется в хлороформе и разбавляется большим количеством спирта. В осадке будет филлоксантин . При обработке кислотами филлоксантин переходит в филлоцианин. Последний же, выпаренный с соляной кислотой, дает филлотаонин . Филлотаонин удобнее, впрочем, получать следующим образом. Зеленые листья кипятят около двух часов с алкогольным раствором едкого натра. Через отфильтрованный зеленый раствор пропускается ток хлороводорода. Раствор делается светлее и, наконец, становится пурпуровым. Через несколько дней из раствора осаждаются красивые игольчатые кристаллы филлотаонина. Формула его: С 40 Н 38 N 6 О 5 (ОН). При нагревании филлотаонина с алкогольным раствором едкого кали в течение нескольких часов при 190°, разбавлении затем водой и взбалтывании с эфиром, последний окрашивается в пурпурово-красный цвет. При выпаривании эфира получается осадок, который по очистке дает темные красно-фиолетовые кристаллы филлопорфирина - C 16 H 18 N 2 O.

Эти исследования получают еще тот интерес, что из пигмента крови гемоглобина был получен гематопорфирин такого состава: C 16 H 18 N 2 O 3 . Близость состава заставляет предполагать, что гематопорфирин представляет собой диоксифиллопорфирин.

Первый хорошо заметный признак старения - пожелтение листа - обусловлен разрушением хлорофилла, в связи с чем другие пигменты листа, в особенности ксантофиллы и кароти-ноиды, становятся видимыми. Изучение ультраструктуры стареющих листьев показало, что происходит постепенная деградация мембранной структуры гран хлоропластов, сопровождающаяся появлением плотных шариков липидного материала (возможно, образующихся из разрушенных мембран), в которых растворены каротнноиды. Другие ранние изменения включают дегенерацию эндоплазматического ретикулума и постепенное исчезновение рибосом. Митохондрии сохраняют свою-структуру на ранних стадиях старения, но позднее они также подвергаются дегенерации. В клетках полностью состарившихся листьев фасоли плазмалемма все еще остается интактпон, но тонопласт исчезает и структура цитоплазмы и ядра совершенно утрачивается. Оставшиеся хлоропласта представлены пузырьками, содержащими капельки жира.[ ...]

Такие структурные изменения в клетках стареющего листа сопровождаются изменениями в их составе и метаболической активности. В результате расщепления белков до аминокислот и амидов (рис. 12.2) содержание белка в листе прогрессивно-уменьшается. Наблюдается также прогрессивное уменьшение содержания РНК, причем особенно рибосомной РНК (рис. 12.3).[ ...]

Возникает вопрос: чем вызываются и регулируются деграда-циоиные изменения, происходящие в процессе старения листа? Поскольку, по крайней мере у некоторых видов, интенсивность дыхания остается постоянной”иа ранних стадиях старения, полагают, что изменений в метаболизме дыхания, которые могли бы явиться причиной старения, не происходит. Вместе с тем мы видели, что старению постоянно сопутствует заметное уменьшение содержания белка и РНК в листьях. Этим изменениям и было уделено пристальное внимание как возможному индикатору «ключевых» процессов старения. Так, было показано, что определенная часть содержащегося в листе белка подвергается постоянному «круговороту», т. е. белок непрерывно синтезируется и разрушается, и поэтому общая скорость изменения его содержания представляет собой разницу скоростей этих двух процессов. В тех случаях, когда происходит такой непрерывный круговорот, содержание белка может отражать снижение скорости синтеза или повышение скорости распада или то и другое вместе.[ ...]

Итак, вполне возможно, что конкуренция между молодыми и старыми листьями приводит к увеличению скорости транспорта аминокислот от старых к растущим листьям и, следовательно, к уменьшению фонда метаболитов, доступных для синтеза белка в старых листьях. Весьма важным в этой гипотезе является положение о необходимости активного круговорота белка, но в полностью развернувшихся листьях периллы скорость круговорота «фракции 1» белка равна нулю, т. е. не наблюдается постоянного синтеза и распада, а в процессе старения фракция 1 снижается намного быстрее, чем вторая фракция («фракция 2»), в которой происходит активный круговорот.[ ...]

Теперь мы рассмотрим другой подход к проблеме старения листа. Этот подход состоит в том, что исследования проводятся на листьях или частях листьев, изолированных от материнского растения. Отделение листа обычно приводит к немедленному началу процессов старения его тканей, поэтому отделенные от растения листья или листовые диски являются удобным материалом для экспериментов в контролируемых условиях, не усложненных коррелятивным влиянием других частей растения.