en   uk  
ISSN 2308-7099
Фізіологія рослин і генетика
 
 
Фізіологія рослин і генетика 2022, том 54, № 2, 161-176, doi: https://doi.org/10.15407/frg2022.02.161

Активність фотосин­тетичного апарату Miscanthus w gi­ganteus за умов забруднення ґрунту дизельним пальним і внесення біочару

Герц А.І.1, Конончук О.Б.1, Герц Н.В.1, Підліснюк В.В.2, Хоменчук В.О.1, Пида С.В.1

  1. Тернопільський національний педагогічний університет імені Володимира Гнатюка 46027 Тернопіль, вул. М. Кривоноса, 2
  2. Університет Яна Євангеліста Пуркінє в Усті-над-Лабем  400 96 Чеська Республіка, Устя-над-Лабем, вул. Пастерова, 3632/15

В умовах вегетаційного досліду вивчали особливості фотосинтетичного апарату (ФСА) листків міскантусу гігантського (Miscanthus w giganteus) за впливу забруднення ґрунту дизельним пальним (0,25—5 г/кг) та внесення добри­ва біочар (5 %). Метою роботи було дослідження показників фотосинтетичної діяльності як маркерів адаптаційної здатності рослини M. w giganteus до нафтового забруднення ґрунту. Аналіз стану первинних процесів фотосинтезу у хлоропластах листків M. w giganteus здійснювали за допомогою інтактних, неінвазивних методів дослідження, які базуються на явищі флуоресценції хло­рофілу а. Охарактеризовано зміни квантової ефективності ФС II та низки па­раметрів OJIP-тесту у відповідь на токсичну дію нафтопродукту, а також проаналізовано вплив внесення біочару на ці показники. Встановлено, що внесення біочару в ґрунт, забруднений дизельним пальним, знижує токсичну дію останнього на міскантус, що виявилося у підвищенні ефективності використання енергії збудження молекулами хлорофілу в ан­тенах ФС II, зниженні теплової дисипації енергії та підтриманні вищого вмісту хлорофілу. Це дає змогу ефективніше використовувати поглинуту світлову енергію листками та підтримувати функціональний стан фотосинтезу рослин. Встановлено, що найчутливішими до дії забруднення ґрунту дизельним пальним є нефотохімічне гасіння (fNPQ) та загальна кількість енергії, що розсіюється одним реакційним центром (DI0/RC). Ці показники запропоновано використовувати як маркерні ознаки для оцінювання впливу стресорів. З’ясовано, що внесення 5 % біочару було достатнім для зниження стресу та оптимізації фотосинтетичних параметрів хло­ропластів листків M. w giganteus в умовах росту рослин у забрудненому дизельним пальним ґрунті.

Ключові слова: Miscanthus w giganteus J.M. Greef & Deuter ex Hodkinson & Renvoiz, фотосинтез, флуоресценція хлорофілу, дизельне забруднення, біочар

Фізіологія рослин і генетика
2022, том 54, № 2, 161-176

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Shukry, W., Al-Hawas, G., Al-Moaik, R. & El-Bendary, M. (2013). Effect of Petroleum Crude Oil on Mineral Nutrient Elements and Soil Properties of Jojoba Plant (Simmondsia chinensis). Acta Bot. Hung., 55, Iss. 1-2, pp. 117-133. https://doi.org/10.1556/ABot.55.2013.1-2.8

2. Baruah, P., Saikia, R.R., Baruah, P.P. & Deka, S. (2014). Effect of Crude Oil Contamination on the Chlorophyll Content and MorphoAnatomy of Cyperus brevifolius (Rottb.) Hassk. Environ Sci Pollut Res., 21, Iss. 21, pp. 12530-12538. https://doi.org/10.1007/s11356-014-3195-y

3. Terek, O.I. (2018). Mechanisms of plant adaptation to oil pollution. Studia Biologica, 12, No. 3-4, pp. 141-164 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.30970/sbi.1203.579

4. Brtnicky, M., Datta, R., Holatko, J., Bielska, L., Gusiatin, Z.M., Kucerik, J., Hammerschmiedt, T., Danish, S., Radziemska, M., Mravcova, L., Fahad, S., Kintl, A., Sudoma, M., Ahmed, N. & Pecina, V. (2021). A critical review of the possible adverse effects of biochar in the soil environment (Review). Sci. Total Environ., 796, 148756. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.148756

5. Tomczyk, A., Sokolowska, Z. & Boguta, P. (2020). Biochar physicochemical properties: pyrolysis temperature and feedstock kind effects. Reviews in Environ. Sci. and Bio/Technol., 19, Iss. 1, pp. 191-215. https://doi.org/10.1007/s11157-020-09523-3

6. Yang, Ding, Yunguo, Liu, Shaobo, Liu, Zhongwu, Li, Xiaofei, Tan, Xixian, Huang, Guangming, Zeng, Lu, Zhou & Bohong, Zheng (2016). Biochar to improve soil fertility. A review. Agron. Sustain. Dev., 36, Iss. 2, 36. https://doi.org/10.1007/s13593-016-0372-z

7. Pidlisnyuk, V., Herts, A., Khomenchuk, V., Mamirova, A., Kononchuk, O. & Ust'ak, S. (2021). Dynamic of Morphological and Physiological Parameters and Variation of Soil Characteristics during Miscanthus w giganteus Cultivation in the Diesel-Contaminated Land. Agronomy, 11, Iss. 4, 798. https://doi.org/10.3390/agronomy11040798

8. Saletnik, B., Zagula, G., Bajcar, M., Czernicka, M. & Puchalski, C. (2018). Biochar and Biomass Ash as a Soil Ameliorant: The Effect on Selected Soil Properties and Yield of Giant Miscanthus (Miscanthus w Giganteus). Energies, 11, Iss. 10, 2535. https://doi.org/10.3390/en11102535

9. Susarla, S., Medina, V.F. & McCutcheon, S.C. (2002). Phytoremediation: An Ecological Solution to Organic Chemical Contamination. Ecol. Eng., 18, Iss. 5, pp. 647-658. https://doi.org/10.1016/S0925-8574(02)00026-5

10. Pidlisnyuk, V., Stefanovska, T., Lewis, E.E., Erickson, L.E. & Davis, L.C. (2014). Miscanthus as a Productive Biofuel Crop for Phytoremediation. Crit. Rev. Plant Sci., 33, Iss. 1, pp. 1-19. https://doi.org/10.1080/07352689.2014.847616

11. Podan, I.I. & Dzhura, N.M. (2019). Influence of oil pollution and humates on growth of miscanthus plants. Ecological Sciences, 2019, No. 2 (25), pp. 182-186 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.32846/2306-9716-2019-2-25-30

12. Hutsol, T., Glowacki, S., Mudryk, K., Yermakov, S., Kucher, O., Knapczyk, A., Muliarchuk, O., Koberniuk, O., Kovalenko, N., Kovalenko, V., Ovcharuk, O. & Prokopchuk, L. (2021). Agrobiomass of Ukraine - Energy Potential of Central and Eastern Europe (Engineering, Technology, Innovation, Economics): monograph. Warsaw: Libra-Print. http://dglib.nubip.edu.ua:8080/jspui/handle/123456789/8102

13. Shadchina, T.M., Gulyaev, B.I., Kiriziy, D.A., Stasik, O.O., Pryadkina, G.O. & Storozhenko, V.O. (2006). Regulation of photosynthesis and productivity of plants. Physiological and ecological aspects. Kyiv: Ukrainian Phytosociological Center [in Ukrainian].

14. Kiriziy, D.A., Stasik, O.O., Pryadkina, G.A. & Shadchina, T.M. (2014). Photosynthesis, Vol. 2, Assimilation of CO2 and the mechanisms of its regulation. Logos, Kyiv [in Russian].

15. Kalaji, H.M., Schansker, G., Brestic, M., Bussotti, F., Calatayud, A., Ferroni, L., Goltsev, V., Guidi, L., Jajoo, A., Li, P., Losciale, P., Mishra, V.K., Misra, A.N., Nebauer, S.G., Pancaldi, S., Penella, C., Pollastrini, M., Suresh, K., Tambussi, E., Yanniccari, M., Zivcak, M., Cetner, M.D., Samborska, I.A., Stirbet, A., Olsovska, K., Kunderlikova, K., Shelonzek, H., Rusinowski, S. & B·ba, W. (2017). Frequently asked questions about chlorophyll fluorescence, the sequel. Photosynth Res., 132, Iss.1, pp. 13-66. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27815801 https://doi.org/10.1007/s11120-016-0318-y

16. Kramer, D.M., Johnson, G., Kiirats, O. & Edwards, G.E. (2004). New Fluorescence Parameters for the Determination of QA Redox State and Excitation Energy Fluxes. Photo­synthesis Research, 79, Iss. 2, 209. https://doi.org/10.1023/B:PRES.0000015391.99477.0d

17. Kuhlgert, S., Austic, G., Zegarac, R., Osei-Bonsu, I., Hoh, D., Chilvers, M.I., Roth, M.G., Bi, K., TerAvest, D., Weebadde, P. & Kramer, D.M. (2016). MultispeQ Beta: A Tool for Large-Scale Plant Phenotyping Connected to the Open PhotosynQ Network. R Soc Open Sci., 3, Iss. 10, 160592. https://doi.org/10.1098/rsos.160592

18. Genty, B., Briantais, J.-M. & Baker, N.R. (1989). The Relationship between the Quantum Yield of Photosynthetic Electron Transport and Quenching of Chlorophyll Fluorescence. Biochim. Biophys. Acta - Gen. Subj., 990, Iss. 1, pp. 87-92. https://doi.org/10.1016/S0304-4165(89)80016-9

19. Goltsev, V.N., Kalaji, M.H., Kouzmanova, M.A. & Allakhverdiev, S.I. (2014). Variable and Delayed Chlorophyll a Fluorescence - Basics and Application in Plant Sciences. Moscow-Izshevsk: Institute of Computer Sciences [in Russian].

20. Jolliffe, I.T. (2002). Principal Component Analysis. Second Edition. NY, New York: Springer. https://doi.org/10.1007/b98835

21. Stasik, O.O., Kiriziy, D.A. & Priadkina, G.O. (2021). Photosynthesis and productivity: main scientific achievements and innovative developments. Plant Physiology and Genetics, 53, No. 2. pp. 160-184 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2021.02.160

22. Netto, A.T., Campostrini, E., de Oliveira, J.G. & Bressan-Smith, R.E. (2005). Photosynthetic Pigments, Nitrogen, Chlorophyll a Fluorescence and SPAD-502 Readings in Coffee Leaves. Scientia Horticulturae, 104, Iss. 2, pp. 199-209. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2004.08.013

23. Kanazawa, A & Kramer, D.M. (2002). In vivo modulation of nonphotochemical exciton quenching (NPQ) by regulation of the chloroplast ATP synthase. PNAS, 99, Iss. 20, pp. 12789-12794. https://doi.org/10.1073/pnas.182427499

24. Bielczynski, L.W., ˜·cki, M.K., Hoefnagels, I., Gambin, A., & Croce, R. (2017). Leaf and Plant Age Affects Photosynthetic Performance and Photoprotective Capacity. Plant Physiol., 175, Iss. 4, pp. 1634-1648. https://doi.org/10.1104/pp.17.00904

25. Ben-Jabeur, M., Gracia-Romero, A., Lypez-Cristoffanin, C., Vicente, R., Kthiri, Z., Kefauver, S.C., Lypez-Carbonell, M., Serret, M.D., Araus, J.L. & Hamada, W. (2021).The promising MultispeQ device for tracing the effect of seed coating with biostimulants on growth promotion, photosynthetic state and water-nutrient stress tolerance in durum wheat. Euro-Mediterr J Environ Integr., 6, Iss. 1, 8. https://doi.org/10.1007/s41207-020-00213-8

26. Tietz, S., Hall, C.C., Cruz, J.A. & Kramer, D.M. (2017). NPQ(T): A Chlorophyll Fluorescence Parameter for Rapid Estimation and Imaging of Non-Photochemical Quenching of Excitons in Photosystem-II-Associated Antenna Complexes. Plant, Cell & Environment., 40, Iss. 8, pp. 1243-1255. https://doi.org/10.1111/pce.12924

27. Kanazawa, A., Ostendorf, E., Kohzuma, K., Hoh, D., Strand, D.D., Sato-Cruz, M., Savage, L., Cruz, J.A., Fisher, N., Froehlich, J.E. & Kramer, D.M. (2017). Chloroplast ATP Synthase Modulation of the Thylakoid Proton Motive Force: Implications for Photosystem I and Photosystem II Photoprotection. Front. Plant Sci., 8, 719. https:// www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2017.00719 https://doi.org/10.3389/fpls.2017.00719

28. Rott, M., Martins, N.F., Thiele, W., Lein, W., Bock, R., Kramer, D.M. & SchШttler, M.A. (2011). ATP synthase repression in tobacco restricts photosynthetic electron transport, CO2 assimilation, and plant growth by overacidifcation of the thylakoid lumen. Plant Cell, 23, Iss. 1, pp. 304-321. https://doi.org/10.1105/tpc.110.079111

29. Wang, S., Zheng, J., Wang, Yu., Yang, Q., Chen, T., Chen, Y., Chi, D., Xia, G., Siddique, K.H.M. & Wang, T. (2021, May). Photosynthesis, Chlorophyll Fluorescence, and Yield of Peanut in Response to Biochar Application. Front. Plant Sci., 12, 650432. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.650432