Влияние внешних воздействий на оптические и структурные характеристики высших растений

Буханов Е.Р., Величко В.В., Липшин А.Г., Шихов В.Н., Сурин Н.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Буханов Е.Р., Величко В.В., Липшин А.Г., Шихов В.Н., Сурин Н.А. Влияние внешних воздействий на оптические и структурные характеристики высших растений // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 2. С. 116–123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-116-123

Bukhanov E.R., Velichko V.V., Lipshin A.G., Shikhov V.N., Surin N.A. The influence of external factors on the optical and structural characteristics of higher plants [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 2. P. 116–123. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-02-116-123

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Скорость переноса электронов между фотосистемами растений, полученная на основе измеренных флуоресцентных показателей и расчётных графиков плотности фотонных состояний. Цель работы. Целью данной работы являлось установление связи между условиями роста растений и их оптическими и структурными характеристиками. Метод. Морфология хлоропластов была получена с помощью электронной микроскопии тканей флаговых листьев ячменей, выращенных при одинаковых по интенсивности освещениях в вегетационной камере и в поле. Для электронной микроскопии образцы проходили полную пробоподготовку, для повышения контраста изображений использовалась окраска тяжелыми металлами. Наблюдения проводились на просвечивающем электронном микроскопе Hitachi HT 7700. Измерения параметров флуоресценции хлорофилла флаговых листьев растений были выполнены in vivo при помощи системы изучения фотосинтеза LI-6800 в закрытой листовой камере с интегрированным в неё флуориметром. Основные результаты. Роль структурной окраски, обусловленной интерференцией и дифракцией света на элементах зелёного листа, структурированных с периодом, сравнимым с длиной волны света, описана только в последние годы. Более упорядоченная структура гран выявлена в хлоропластах ячменя, выращенного в искусственных условиях. Несмотря на это различие, максимальный квантовый выход фотосистемы II в обоих образцах находится в диапазоне значений, характерных для нормального физиологического состояния растений. Поскольку транспорт электронов тесно взаимосвязан с пространственной организацией фотосинтетического аппарата на тилакоидных мембранах хлоропластов, то более плотная «упаковка» гран позволяет растениям эффективнее осуществлять данный процесс за счёт тесного расположения участвующих в нём молекулярных комплексов. Было установлено, что скорости переноса электронов в растениях, выращенных в поле и камере, различаются. В растениях, выращенных в вегетативной камере скорость переноса электронов выше в 1,7 раза, чем скорость переноса электронов в ячмене, выращенном в полевой среде. Таким образом, основываясь на численных расчётах и полученных результатах спектроскопии и электронной микроскопии, была установлена связь между показателями плотности фотонных состояний, скоростью переноса электронов и возникновением химических реакций в процессе фотосинтеза. Практическая значимость. Сравнение характеристик фотосинтетических параметров растения, выросшего в разных условиях, позволяет получить важную информацию о механизме самого процесса фотосинтеза. Выявление основных факторов (количество и качество воды, условия внешней среды, количество питательных элементов и т.д.), влияющих на структуру и оптические свойства растений позволят повысить урожайность сельскохозяйственной продукции и снизить затраты за счёт оптимизации ресурсов и технологического процесса.

Ключевые слова:

фотосинтез, хлоропласт, спектроскопия, условия роста, численное моделирование

Благодарность:

исследования были выполнены на оборудовании центра коллективного пользования ФИЦ КНЦ СО РАН

Коды OCIS: 170.1420, 180.0180, 300.0300

Список источников:

1. Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей и родственных органических соединений. Ленинград: Наука, 1967. 616 с.
Terenin A.N. Photonics of dye molecules and related measurements [in Russian]. Leningrad: Nauka Publ., 1967. 616 p.
2. Рабинович Е. Фотосинтез. Т. 2. М.: Иностр. литература, 1953. 651 с. Rabinowitch E. Photosynthesis and related processes V. II. New York: Interscience Publ., 1951. 1208 p.
3. Jacquemoud S., Ustin S. Leaf optical properties. Cambridge: Cambridge University Press, 2019. 556 p.
4. Медведев С.С. Физиология растений : учебник. СПб: БХВ-Петербург, 2012. 512 с.
Medvedev S.S. Plant physiology: Textbook [in Russian]. St. Petersburg: BHV-Peterburg, 2012. 512 p.
5. Blankenship R.E. Molecular mechanisms of photosynthesis. New York: Wiley-Blackwell, 2014. 312 p.
6. Jacobs M., Lopez-Garcia M., Phrathep O.P. et al. Photonic multilayer structure of Begonia chloroplasts enhances photosynthetic efficiency // Nat. Plants. 2016. V. 2. P. 16162. https://doi.org/10.1038/nplants.2016.162
7. Коршунов М.А., Шабанов А.В., Буханов Е.Р., Шабанов В.Ф. Влияние длиннопериодической упорядоченности в структуре растений на первичные стадии фотосинтеза // Доклады академии наук. 2018. Т. 478. № 3. С. 280. https://doi.org/10.7868/S0869565218030064
Korshunov M.A., Shabanov A.V., Shabanov V.F., Bukhanov E.R. Effect of long-period ordering of the structure of a plant on the initial stages of photosynthesis // Doklady Physics. 2018. V. 63. № 1. https://doi. org/10.1134/S1028335818010068
8. Capretti A., Ringsmuth A.K., van Velzen J.F. et al. Nanophotonics of higher-plant photosynthetic membranes // Light Sci. Appl. 2019. V. 8. № 1. P. 13. https://doi.org/10.1038/s41377-018-0116-8
9. Bukhanov E., Shabanov A.V., Volochaev M.N., Pyatina S.A. The role of periodic structures in light harvesting // Plants. 2021. V. 10. № 9. P. 10. https://doi.org/10.3390/plants10091967
10. Шабанов А.В., Коршунов М.А., Буханов Е.Р. Исследование электромагнитного поля в одномерных фотонных кристаллах с дефектами // Комп. опт. 2017. Т. 41. № 5. С. 680–686. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2017-41-5-680-686
Shabanov A.V., Korshunov M.A., Bukhanov E.R. Investigation of the electromagnetic field in one-dimensional photonic crystals with defects // Computer Optics. 2017. V. 41. № 5. P. 680–686. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2017-41-5-680-686
11. Шабанов А.В., Коршунов М.А., Буханов Е.Р. Особенности усиления электромагнитного поля и увеличение плотности фотонных состояний в растительных фотонно-кристаллических структурах // Комп. опт. 2019. Т. 43. № 2. С. 231–237. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-231-237
Shabanov A.V., Korshunov M.A., Bukhanov E.R. Features of the amplification of the electromagnetic field and the density of states of photonic crystal structures in plants // Computer Optics. 2019. V. 43. № 2. P. 231–237. https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-2-231-237
12. Garab G. Self-assembly and structural-functional flexibility of oxygenic photosynthetic machineries: Personal perspectives // Photos. Res. 2016. V. 127. № 1. P. 131–150. https://doi.org/10.1007/s11120-015-0192-z
13. Ветров С.Я., Тимофеев И.В., Шабанов В.Ф. Локализованные моды в хиральных фотонных структурах // Успехи физических наук. 2020. Т. 190. № 1. С. 37–62. https://doi.org/10.3367/ufne.2018.11.038490
Vetrov S.Ya., Timofeev I.V., Shabanov V.F. Localized modes in chiral photonic structures // Phys. Usp. 2020. V. 63. № 1. P. 33–56. https://doi.org/10.3367/ ufne.2018.11.038490
14. Электронный ресурс URL: https://power.larc.nasa. gov/data-access-viewer/ (Просмотр данных NASA / Предоставление наборов солнечных и метеорологических данных исследований НАСА)

Electronic resource URL: https://power.larc.nasa.gov/ data-access-viewer/ (Data Access Viewer NASA / Provides solar and meteorological data sets from NASA research)
15. Гайер Г. Электронная гистохимия. М.: Мир, 1974. 488 с.
Gayer G. Electronic histochemistry [in Russian]. Moscow: Mir, 1974. 488 p.
16. Шабанов В.Ф., Ветров С.Я., Шабанов А.В. Оптика реальных фотонных кристаллов. Новосибирск: Издво СО РАН, 2005. 209 c.
Shabanov V.F., Vetrov S.Y., Shabanov A.V. Optics of real photonic crystals [in Russian]. Novosibirsk: SB RAS Publisher, 2005. 209 p.
17. Vats N., John S., Busch K. Theory of fluorescence in photonic crystals // Phys. Rev. A. 2002. V. 65. P. 043808. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.65.043808
18. Schmidtkea J., Stille W. Fluorescence of a dye-doped cholesteric liquid crystal film in the region of the stop band: theory and experiment // The Europ. Phys. J. B. 2003. V. 31. P. 179–194. https://doi.org/10.1140/epjb/e2003-00022-x
19. D’Aguanno G., Mattiucci N., Scalora M. et al. Density of modes and tunneling times in finite one-dimensional photonic crystals: A comprehensive analysis // Phys. Rev. E. 2004. V. 70. P. 016612. https://doi.org/10.1103/ PhysRevE.70.016612
20. D’Aguanno G., Centini M., Scalora M. et al. Photonic band edge effects in finite structures and applications to x2 interactions // Phys. Rev. E. 2001. V. 64. P. 016609. https://doi.org/10.1007/978-3-662-05144-3_6
21. Lichtenthaler H.K., Buschmann C., Knapp M. How to correctly determine the different chlorophyll fluorescence parameters and the chlorophyll fluorescence decrease ratio RFd of leaves with the PAM fluorometer // Photosynthetica. 2005. V. 43. № 3. P. 379–373. https://doi.org/10.1007/s11099-005-0062-6
22. Kazanov D.R., Poshakinskiy A.V., Shubina T.V. Slow light in resonant photonic crystals with a complex unit cell // JETP Lett. 2017. V. 105. P. 8–12. https://doi. org/10.1134/S0021364017010118
23. Цибульникова А.В., Землякова Е.С., Слежкин В.А., Самусев И.Г., Лятун И.И., Артамонов Д.А., Зюбин А.Ю., Брюханов В.В. Фотофизика генерации синглетного кислорода в пленках хитозана с экстрактом плодов калины (Viburnum opulus L.) под влиянием плазмонов на модифицированной поверхности титана // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 72–84. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-72-84
Tsibulnikova A.V., Zemlyakova E.S., Slezhkin V.A., Samusev I.G., Lyatun I.I., Artamonov D.A., Zyubin A.Y., Bryukhanov V.V. Photophysics of singlet oxygen generation in chitosan films with viburnum fruit extract (Viburnum opulus L.) under the influence of plasmons on a modified titanium surface // Journal of Optical Technogy. 2024. V. 91. № 5. P. 334–341. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000334
24. Валиев Д.Т., Степанов С.А., Пайгин В.Д., Двилис Э.С., Хасанов О.Л., Шевченко И.Н., Деулина Д.Е. Исследование многослойных керамик YAG/YSZ, активированных ионами редкоземельных элементов // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 5. С. 105–114. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-05-105-114
Valiev D.T., Stepanov S.A, Paygin V.D., Dvilis E.S., Khasanov O.L., Shevcheko I.N., Deulina D.E. Investigation of YAG/YSZ multilayer ceramics doped with rare earth ions [in Russian] // Journal of Optical Technology. 2024. V. 91. № 5. P. 354–359. https://doi.org/10.1364/JOT.91.000354