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 ИНСТИТУТ ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ 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 растений 1.1.

История становления экофизиологии как науки Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук 1.2. Теофраст Плиний 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 История становления экофизиологии как науки Лекция 1. Цели, задачи и место экофизиологии в системе биологических наук Программа Augustin Pyramus de Candolle ( ) швейцарский и французский ботаник, один из крупнейших ботаников всех времён, автор одной из первых систем растений

1.4. Владимир Николаевич Сукачев один из создателей учения о биогеоценозах. Его имя носит Институт леса СО РАН, г.Красноярск История становления экофизиологии как науки 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). 4.Стрессоры. 5.Адаптации: понятие адаптации, типы адаптации. 6. Отличие адаптации от акклиматизации. 7.Устойчивость. 8. Способы адаптации. Избранные главы экофизиологии растений 2.1.

Понятие стресса Факторы стресса __________________________________________________________________ Физические ХимическиеБиологические _____________________________________________________________________ 1. Влажность 1. Газы 1. Насекомые 2. Свет 2. Соли 2. Микроорганизмы 3. Температура 3. Ксенобиотики 3. Животные 4. Радиация 4. Человек 5. Механические воздействия и т.д. _____________________________________________________________________ Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования 2.2.

Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости) Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования 2.3. Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985) Ксерофит – растение засушливых местообитаний

Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования 2.4. Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985) Эфемер – песчаная осока. Уходят от засухи, быстро заканчивая свое развитие. Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)

Лекция 2. Устойчивость как приспособление растений к условиям существования 2.5. Приспособления растений к засухе (Генкель, 1985) Едкий очиток – суккулент. Защитные механизмы: механизм избегания; механизмы резистентности (выносливости)

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. 7. Антиоксидантные системы. 8. Этапы адаптации. 9.Стресс-реакция. Избранные главы экофизиологии растений 3.1.

3.2. СТРЕССОРЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ ЗАСУХА ВОДНЫЙ ДЕФИЦИТ МОРОЗ Ветер Засоление Низкая температура Высокая температура Лекция 3. Общие механизмы ответных реакций растений на стресс Стресс-реакция

3.3. ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПРОЛИНА Компонент стресс-белков и рецепторов Регулятор экспрессии генов Предшественник СН 3 -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 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, S- стратегии. 6. Смены стратегии в ходе онтогенеза растений. 7. Задача адаптивной селекции. Избранные главы экофизиологии растений 4.1.

Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды 4.2. 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. 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 Перераспредел ение ресурсов в семена C-стратегии+-- S-стратегии-+- R-стратегии--+ Система «приоритетов» Лекция 4. Стратегии адаптации растений к не благоприятным факторам среды

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. Избранные главы экофизиологии растений 5.1. Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры

5.2. Диапазон действия температурного фактора Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры 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 o С [по Кузнецовой, Дмитриевой, 2005]. Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры

5.4. Механизмы адаптации растений к низким температурам Действие температуры на рост растений Лекция 5. Действие температурного фактора. Низкие положительные и отрицательные температуры

План лекции 1. Влияние высокой температуры на физиологические процессы. 2. Жаростойкость растений. 3. Эволюционные адаптации растений к высоким температурам. 4. Белки теплового шока. Избранные главы экофизиологии растений 6.1. Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры

6.2. Влияние высокой температуры на физиологические процессы Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры 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) Лекция 6. Действие температурного фактора. Высокие температуры Влияние высокой температуры на физиологические процессы

План лекции 1. Влияние водного дефицита на растения 2. Экологические группы 3. Механизмы адаптации растений к недостатку воды 4. Засухоустойчивость растений Избранные главы экофизиологии растений 7.1. 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, лесостепная дубрава, ранневесенние эфемероиды 1, летневегетирующие травы сухие степи

7.3. Лекция 7. Водный стресс Влияние водного дефицита на растения Проявление водного дефицита в листьях модельных растений

7.4. Лекция 7. Водный стресс Влияние водного дефицита на растения Действие почвенной засухи на растения пшеницы

План лекции 1. Характеристики засоленных почв 2. Распространение и разнообразие галофитов 3. Особенности физиологии галофитов 4. Кислотность почв как экологический фактор Избранные главы экофизиологии растений 8.1. Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость

8.2. Характеристики засоленных почв Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al. (1995) Географический регион 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

8.3. Кислотность почв как экологический фактор Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость Площади земель вторичного засоления по континентам, Ghassemi et al. (1995) Показатель Уровени засоления Концентрация NaCl, %0,420,841,682,52 Осмотическое давление, m Па 0,30,61,21,8 Воздействие на растение Не вызывает сильной депрессии Значимая депрессия Превышает адаптивные возможности

8.4. Распространение и многообразие галофитов Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость Salicornia herbaceaSuaeda maritima Halocnemum strobilaceum Соленакапливающие галофиты (эвгалофиты) Anabasis salsa

8.4. Распространение и многообразие галофитов Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость Соленепроницаемые галофиты (гликогалофиты) Artemisia maritima L. Солевыделяющие галофиты (криногалофиты) Кермек Гмелина, катран красный Солелокализирующие галофиты Atriplex tatarica

8.4. Распространение и многообразие галофитов Лекция 8. Солевой стресс. Кислотоустойчивость 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 Нормальное развитие растений при содержании хлора в процентах на воздушно сухую почву (предельные величины)

План лекции 1. Характеристика группы «тяжелые металлы» 2. Фитотоксичность тяжелых металлов 3. Механизмы защиты от действия тяжелых металлов Избранные главы экофизиологии растений 9.1. Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор

9.2. Характеристика группы «тяжелые металлы» Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор Растения Тяжелые металлы Характер устойчивости АрабидопсисZn Гипераккумуляция ЯруткаCd-/Zn или Ni Гипераккумуляция АлиссумNi Гипераккумуляция Плаун булавовидныйAlО 2 Гипераккумуляция Хибантус флорибундусNi Гипераккумуляция АстрагалSe Гипераккумуляция ДонникMo Гипераккумуляция КлеверMo Гипераккумуляция Овсяница овечьяPb Не установлен Полевица тонкаяPb Не установлен Полынь холоднаяV Не установлен Смолевка обыкновеннаяCu 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. Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор

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 Лекция 9. Тяжелые металлы как экологический фактор Механизмы защиты от действия тяжелых металлов

План лекции 1. Окислительный стресс. 2. Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения. 3. Действие радиации на организм. 4. Механизмы радиоустойчивости. Избранные главы экофизиологии растений 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

10.3. Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения Источники озона в атмосфере

10.4. Лекция 10. Окислительный стресс. Высокоэнергетическое электро-магнитное излучение Ультрафиолетовое излучение. Характеристика и механизмы действия на растения

План лекции 1. Загрязнение атмосферы как экологический фактор. 2. Источники загрязнения. 3. Классификация поллютантов 4. Действие поллютантов на растения Избранные главы экофизиологии растений Лекция 11. Газоустойчивость растений

11.2. Лекция 11. Газоустойчивость растений Действие поллютантов на растения Вид Поглощение F -, % от исходной концентрации Состояние листьев Сосна обыкновенная 3Гибель Лиственница сибирская 10 Ель сибирская 6 Черемуха обыкновенная 10 Береза повислая 17Сильный некроз, средняя площадь листа менее 30% от контроля Тополь дрожащий 24 Жимолость татарская 20 Карагана древовидная 39Незначительный некроз листьев, средняя площадь листа 3055 % 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.

План лекции 1. Низкие температуры. 2. Высокие температуры. 3. Водный дефицит. 4.Засоление. 5. Анаэробные условия. 6. Ультрафиолетовое излучение. 7.Выпревание. Газоустойчивость. Избранные главы экофизиологии растений Лекция 12. Моделирование факторов среды

Избранные главы экофизиологии растений Лекция 12. Моделирование факторов среды Устройство для моделирования анаэробных условий в зоне корней

Избранные главы экофизиологии растений Лекция 12. Моделирование факторов среды Схема моделирования мониторинга роста 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. Избранные главы экофизиологии растений 13.1.

Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам (кондуктометрия раствора). Пункт плана

Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам Датчики, контролирующие состояние органов растений Пункт плана

Лекция 13. Методы, применяемые при определении устойчивости растений к стрессовым факторам Камера для определения фотосинтеза листа Пункт плана

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 Избранные главы экофизиологии растений 14.1.

Природы флуоресценции Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса 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. Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса Природы флуоресценции

14.4. Схема имидж-системы для регистрации показателей вариабельной флуоресценции хлорофилла Пункт плана Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса

14.5. Термоиндуцированные изменения флуоресценции хлорофилла у растений с нормально сформированным фотосинтетическим аппаратом. Т 1 - начало подъема, Т 2 - низкотемпературный пик, Т 3 - высокотемпературный пик. Кривая 1 - нулевой уровень ( возбуждение нм) кривая 2 - тоже (возбуждение нм), кривая 3 - максимальный уровень (возбуждение нм), кривая 4 - отношение кривой 2 к кривой 1 Пункт плана Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса

14.6. Термоидуцированные изменения флуоресценции Chlamydomonas reihardii. 137С – дикий тип; СС107 – СР1 и СР2; А90 – ССК а/в, СР1; ВФ9 - ССК а/в ; АС ССК а, СР2; АСС66 – СР2; АСС14 – СР1; А ССК а/в, СР2. Пункт плана Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса

14.7. Пункт плана Лекция 14. Флуоресценция хлорофилла в оценке экологического стресса Термоидуцированные изменения флуоресценции у растений в состоянии вегетации (1) и вынужденного зимнего покоя (2)