FLUORESCENCJA CHLOROFILU JAKO JEDEN ZE WSKAŹNIKÓW PLONOWANIA I JAKOŚCI BULW HELIANTHUS TUBEROSUS

Transkrypt

1 FLUORESCENCJA CHLOROFILU JAKO JEDEN ZE WSKAŹNIKÓW PLONOWANIA I JAKOŚCI BULW HELIANTHUS TUBEROSUS L. CHLOROPHYLL FLUORESCENCE AS ONE OF INDICATORS THE YIELD AND QUALITY TUBERS OF HELIANTHUS TUBEROSUS L. 1 Władysław Michałek, 2 Barbara Sawicka 1 Katedra Fizjologii Roślin, Akademia Rolnicza w Lublinie, ul. Akademicka 15, Lublin 2 Katedra Szczegółowej Uprawy Roślin, Akademia Rolnicza w Lublinie, ul. Akademicka 15, Lublin, Abstract. Chlorophyll fluorescence studies were performed on the basis of a field experiment conducted in in Parczew (central-eastern Poland). The aim of the study was to assess the photosynthetic activity of leaves, plant productivity and the background to determine the biological value of tubers obtained two varieties of artichoke. The stability characteristics of quality of the crop was higher than the physiological characteristics of aboveground biomass. A variation of higher dry matter content proved Albik, and was characterized by greater Rubik maximum efficiency of photosystem II in the dark PS higher value coefficients and non-photochemical and photochemical quenching of chlorophyll fluorescence, which indicates a greater potential fertility of the variety, higher protein content in tubers. Indicators of chlorophyll fluorescence can be used to predict the quality of the crop earlier Helianthus tuberosus. Key words: jerusalem artichoke, tuber yield, yield aboveground mass, protein, chlorophyll fluorescence indicators Streszczenie. Przeprowadzono badania fluorescencji chlorofilu na bazie doświadczenia polowego przeprowadzonego w latach w Parczewie (środkowo-wschodnia Polska). Celem była ocena aktywności fotosyntetycznej liści, produktywności roślin i na tym tle określenie wartości biologicznej uzyskiwanych bulw dwu odmian słonecznika bulwiastego. Stabilność cech jakości plonu okazała się wyższa niż cech fizjologicznych biomasy nadziemnej. Odmianą o wyższej zawartości suchej masy okazała się Albik, zaś Rubik odznaczała się większą maksymalną sprawnością fotosystemu PS II w ciemności wyższą wartością współczynników fotochemicznego i niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu, co wskazuje na wyższą potencjalną plenność tej odmiany oaz wyższą zawartość białka w bulwach. Wskaźniki fluorescencji chlorofilu mogą służyć do wcześniejszego przewidywania jakości plonu Helianthus tuberosus. Słowa kluczowe: słonecznik bulwiasty, plon bulw, wydajność masy nadziemnej, białko, wskaźniki fluorescencji chlorofilu WSTĘP Słonecznik bulwiasty (Helianthus tuberosus L.) jest zaliczany do roślin alternatywnych, o dużym potencjale produkcyjnym i wszechstronnym użytkowaniu (Guidi i in. 1997, Sawicka 1999). Gatunek ten wytwarza oprócz wysokiego plonu bulw również wysoki plon biomasy nadziemnej (Sawicka 1999, Góral 2000). Ponadto topinambur jest rośliną bardzo wszechstronną, przydatną do wielu kierunków użytkowania. Bulwy Helianthus tuberosus są bardzo soczyste i słodsze jak bulwy ziemniaka, a nawet batata (Guidi i in. 1997, Sawicka 1999, Cieślik, Filipiak-Florkiewicz 2000). Dlatego też mogą z powodzeniem być wykorzystywane przez przemysł cukrowniczy, spożywczy, gorzelniany oraz farmaceutyczny (Sawicka 1999, Cieślik, Filipiak-Florkiewicz 2000). Głównym materiałem zapasowym tej rośliny jest inulina, która inaczej ulega trawieniu i przyswajaniu przez organizm ludzki niż skrobia. Bulwy topinamburu są cennym produktem w żywieniu człowieka, zawierają witaminę A i C, fruktozę, glukozę oraz sacharozę, a przede wszystkim są niskoenergetyczne Stąd też bulwy tego gatunku są polecane w żywieniu jako urozmaicenie diety diabetyków (Barta 1991). Jak podaje Jolliffe i Lin (1997) jedną z metod służącą do oceny biomasy roślinnej jest pomiar zmian w natężeniu fluorescencji chlorofilu. Stąd też celem pracy była ocena aktywności fotosyntetycznej liści, produktywności roślin, określenie suchej masy i białka ogółem w bulwach oraz wyznaczenie zależności wielomianowej między wskaźnikami fizjologicznymi a jakością bulw dwu odmian słonecznika bulwiastego w warunkach środkowo-wschodniej Polski. Także De Ell i Toivonen (1999), Kosson (2000) Lin i Jolliffe (2000) uważają, że wyniki pomiarów określonych parametrów indukcji fluorescencji chlorofilu są dobrym wskaźnikiem dającym możliwość oceny jakości brokułów oraz ogórków po zbiorze. Biorąc powyższe przesłanki pod uwagę podjęto badania, których głównym celem była ocena aktywności fotosyntetycznej liści,

2 produktywności roślin i na tym tle określenie wartości biologicznej uzyskiwanych bulw dwu odmian topinamburu w warunkach środkowo-wschodniej Polski. MATERIAŁ I METODY Analizę aktywności fotosyntetycznej liści Helianthus tuberosus oparto na wynikach ścisłego doświadczenia polowego przeprowadzonego w latach w stacji doświadczalnej w Parczewie na glebie lekkiej, kompleksu żytniego dobrego. Eksperyment wykonano metodą bloków zrandomizowanych w 3 powtórzeniach. Badano 2 odmiany słonecznika bulwiastego Albik i Rubik, o różnych typach morfologiczno-fizjologicznych. W okresie wegetacji prowadzono obserwacje wzrostu i rozwoju roślin. Aktywność fotosyntetyczną roślin w czasie kwitnienia oceniano poprzez wykonanie pomiarów indukcji fluorescencji chlorofilu liści za pomocą fluorymetru PAM Fluorescencję chlorofilu mierzono na trzecim liściu właściwym Helianthus tuberosus wg Schreiber a i in. (1992). Określono następujące parametry fluorescencji: maksymalną sprawność fotosystemu PS II w ciemności (F /F m ); wydajność PS II na świetle (F /F m ); aktualną ilość elektronów w PS II w warunkach przystosowania do światła - PSII ; współczynnik fotochemicznego (qp) i niefotochemicznego (qn) wygaszania fluorescencji. Pomiary prowadzono na liściach o takim samym położeniu na roślinie i podobnej orientacji do światła, które zacieniano na około 20 minut przed pomiarem za pomocą fabrycznych klipsów. Produktywność roślin określano poprzez oznaczenie plonu masy nadziemnej i bulw. Zbiór masy nadziemnej przeprowadzono w ostatniej dekadzie października, a bulw na początku kwietnia każdego roku. W bulwach określano zawartość suchej masy i białka ogólnego. Zawartość suchej masy oznaczono metodą suszarkową, zaś zawartość białka ogółem metodą Kiejdahla. Wyniki badań opracowano statystycznie za pomocą analizy wariancji. Istotność źródeł zmienności testowano testem F Fischera-Snedecora, a ocenę istotności różnic pomiędzy porównywanymi średnimi dokonano za pomocą wielokrotnych przedziałów Tukey'a. Wyniki zawartości suchej masy, białka oraz wskaźników fluorescencji chlorofilu poddano analizie regresji wielorakiej. Parametry funkcji określano metodą najmniejszych kwadratów, a weryfikację istotności testem t Studenta. Zmienność analizowanych wyników scharakteryzowano za pomocą: średniej arytmetycznej, odchylenia standardowego i współczynnika zmienności. WYNIKI Spośród parametrów fluorescencji chlorofilu najbardziej stabilna okazała się maksymalna sprawność fotosystemu PS II w ciemności (F /F m ) 15,7%, zaś najmniej współczynnik niefotochemicznego wygaszania fluorescencji (qn) 54,6% (tab. 1). Tabela 1. Parametry fluorescencji chlorofilu w liściach Helianthus tuberosus Table 1 Parameters of chlorophyll fluorescence in leaves of Helianthus tuberosus Odmiany Fv/Fm ΔFv/Fm PSII qp qn Cultivars * Albik Rubik 0,561 0,583 16,70 14, ,31 20,89 0,680 0,709 21,72 18,66 0,561 0,575 22,60 20, ,14 53,06 NIR-LSD ,019 n** 0,025 0,014 0,008 Średnio - 0,572 15, ,60 0, ,568 21, ,60 F /F m maksymalna sprawność fotosystemu PS II w ciemności maximum efficiency of photosystem II in the dark; ΔFv/Fm wydajność PS II na świetle efficiency of PS II in of the light; PSII aktualna ilość elektronów w PS II w warunkach przystosowania do światła Actual number of electrons in PSII in terms of adaptation to light; qp współczynnik fotochemicznego wygaszania fluorescencji coefficient of non-photochemical fluorescence quenching; qn współczynnik niefotochemicznego wygaszania fluorescencji coefficient of non-photochemical fluorescence quenching; *współczynnik zmienności coefficient of variation [%]; **nieistotne przy poziomie 0,05 insignificant at the level of 0,05

3 Z cech jakości bulw bardziej stabilna okazała się zwartość suchej masy (9,9%) niż zawartość białka ogółem (29,1%) (tab. 2 i 3). Tabela 2. Plon masy nadziemnej i bulw Helianthus tuberosus [dt. ha -1 ] Table 2 Yield aboveground mass and tubers of Helianthus tuberosus [dt. ha -1 ] Odmiany Cultivars Plon masy nadziemnej Aboveground mass yield Plon bulw Yield of tubers * Albik Rubik 596,11 575,33 35,61 40,59 238,63 244,59 14,94 15,72 NIR ,81 5,62 Średnio 585,72 38,10 241,61 15,33 *współczynnik zmienności coefficient of variation [%] Właściwości badanych odmian różnicowały wartość wszystkich badanych wskaźników fizjologicznych fluorescencji chlorofilu, jak też wartości cech jakościowych bulw. Odmianą o wyższej zawartości suchej masy oraz wyższej wartości Y okazała się Albik, zaś odmianą o większej koncentracji białka ogólnego, wyższej maksymalnej sprawności fotosystemu PS II w ciemności, wyższym współczynniku fotochemicznego (qp) i niefotochemicznego (qn) wygaszania fluorescencji była odmiana Rubik, która okazała się również bardziej stabilną pod względem tych cech (table 2, 3). Tabela. 3. Zawartość suchej masy i białka ogółem w bulwach Helianthus tuberosus Table. 3. The content of dry matter and total protein in tubers of Helianthus tuberosus Odmiany Cultivars Zawartość suchej masy Content of dry matter [%] 25,32 10,61 Zawartość białka ogółem w świeżej masie Total protein content in fresh weight[%] * Albik Rubik 23,25 9,15 2,78 2,81 28,90 29,22 NIR-LSD ,78 6 Średnio - 24,28 9,88 2,79 29,06 *współczynnik zmienności coefficient of variation [%] Tabela 4. Statystyczna charakterystyka zmiennych zależnych (średnia lat ) Zmienne zależne Dependent variables arytmetyczna Arithmetical means Odchylenie standardowe Standard deviations Współczynniki zmienności Coefficient variability (%) x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 x 9 585,7 241,6 24,2 4,4 0, ,695 0, ,2 37,0 2,4 1,1 0,8 38,1 15,3 9,8 29,1 15,7 21,6 20,2 21,5 54,6 x 1 plon masy nadziemnej aboveground mass yield [dt. ha -1 ] x 2 plon bulw yield of tubers [dt. ha -1 ] x 3 zawartość suchej masy w bulwach dry matter content in tubers (%) x 4 zawartość białka ogółem w świeżej masie bulw total protein content in the fresh weight of tubers [%] x 5 maksymalna sprawność fotosystemu PS II w ciemności maximum efficiency of photosystem II in the dark (F /F m ) x 6 wydajność PS II na świetle efficiency of PS II in of the light of (ΔFv/Fm ); x 7 aktualna ilość elektronów w PS II w warunkach przystosowania do światła Actual number of electrons in PSII in terms of adaptation to light ( PSII );

4 x 8 współczynnik fotochemicznego wygaszania fluorescencji coefficient of non-photochemical fluorescence quenching (qp); x 9 współczynnik niefotochemicznego wygaszania fluorescencji coefficient of non-photochemical fluorescence quenching (qn) Niniejsza praca miała również na celu określenie, czy i w jakim stopniu wskaźniki fluorescencji chlorofilu mogą służyć do przewidywania jakości plonu. Zależności te rozpatrywano w zakresie odchylenia standardowego zmiennych niezależnych od średniej arytmetycznej (tab. 4). Przeprowadzono wielomianową analizę regresji, która dla zawartości suchej masy przyjęła następującą postać: y = 20, ,482 x 5-4,474x 6 + 3,488x 8, zaś dla białka przyjęła równanie regresji o postaci: y = 4,233-2,226 x 6-4,384x 7 + 2,329x 8 + 1,59 x 9 Analiza regresji między zawartością suchej masy bulw, jak i zawartością białka ogólnego a maksymalną sprawnością fotosystemu (F /F m ) wykazała ujemną, liniową zależność między tymi zmiennymi. Tę ujemną zależność najbardziej niwelował, w obu przypadkach, współczynnik fotochemicznego wygaszania fluorescencji. Współczynniki determinacji tych równań były wprawdzie wysokie (odpowiednio 63,3% i 66,2%), co oznacza wg Kranz'a i Royal a (1978), wysoką ich wiarygodność, ale może też oznaczać, że do obniżenia jakości plonu mogły przyczynić się również inne, nie brane pod uwagę w analizie regresji, czynniki środowiska. Właściwości badanych odmian różnicowały wartość: F /F m, ΔFv/Fm PSII, qp i qn. Odmianą o wyższych wartościach tych cech okazała się Albik, jednak odmianą bardziej stabilną pod tym względem była Rubik. Należy zaznaczyć, iż spadek wartości poszczególnych parametrów, a zwłaszcza maksymalnej sprawności fotosystemu PS II w ciemności, świadczy o zmniejszonym zapotrzebowaniu roślin na produkty stanowiące tzw. siłę asymilacyjną i o zakłóceniach w procesie wzrostu badanych roślin. Ta szczególnie niekorzystna tendencja wystąpiła w przypadku odmiany Rubik. Świadczy o tym nie tylko mniejszy plon zielonej masy, ale też niskie wartości dotyczące produktywności fotosyntetycznej tej odmiany. Wysoka zaś maksymalna sprawność fotosystemu PS II, świadczy o stosunkowo dużej potencjalnej wydajności fotosystemu II u obu badanych odmian. Według Warabiedy i Borkowskiej (2004) jest to dobry wskaźnik uszkodzeń wywołanych różnymi czynnikami środowiska lub zmniejszeniem zapotrzebowania na asymilaty. Z kolei według Jolliffe i Lin (2000) parametry indukcji fluorescencji chlorofilu pozwalają ocenić przebieg i wydajność rekcji fotochemicznych fazy świetlnej fotosyntezy prowadzących do wytworzenia tzw. siły asymilacyjnej i ich powiązania z reakcjami enzymatycznymi fazy ciemnej fotosyntezy. Jak wiadomo, każda odmiana w indywidualny sposób produkuje asymilaty, o czym świadczą wartości poszczególnych parametrów fluorescencji chlorofilu uzyskane w przeprowadzonych badaniach. Także zdaniem innych autorów (Havaux i Tardy, 1996) wartość poszczególnych wskaźników FC zależy przede wszystkim od właściwości genetycznych odmian, które w indywidualny i specyficzny sposób produkują własne asymilaty. Względna zmiana potencjalnej wydajności kwantowej fotosystemu II (Fv/Fm) okazała się uzależniona najbardziej od właściwości genetycznych badanych odmian. erhoeven i in. (1997). Lin i Jolliffe (2000), Oxborough (2004) wykazali, że funkcjonowanie PS II jest najbardziej czułym wskaźnikiem działania różnorodnych czynników na rośliny i jest przydatna również w ocenie przeżywalności siewek oraz w hodowli do selekcjonowania roślin o pożądanym genotypie. Porównując wartości parametru Fv/Fm z uzyskanym plonem masy nadziemnej i bulw Helianthus tuberosus stwierdzono, iż wartości te były większe w przypadku odmian o wyższym potencjale plonowania. Także zaobserwowano różnice w wartości biologicznej uzyskanej biomasy bulw. Wraz ze zmiennością genetyczną występuje zmienność środowiskowa. Główne przyczyny tej zmienności jak podaje Sawicka (1997) to: jakość sadzeniaków (zdrowotność, wielkość, sposób przechowywania), niejednolitość środowiska glebowego; błędy agrotechniczne; różny stopień porażenia przez choroby i szkodniki; niejednakową powierzchnię przypadającą na jedną roślinę (sąsiedztwo roślin chorych, brak wschodów), niejednolitość wpływu warunków meteorologicznych, takich jak: temperatura, światło (długość fal, ich intensywność i czas trwania), zaopatrzenie roślin w wodę, wilgotność powietrza, rozmieszczenie opadów w czasie. Ponadto zróżnicowanie środowiska, w jakim znajdują się rośliny Helianthus tuberosus powoduje modyfikację procesów regulacji

5 wewnętrznej zarówno w obrębie krzaka, jak i rośliny słonecznika bulwiastego. Dlatego też może wystąpić zmienność w obrębie rośliny, pędów, redliny, zmienność roślin na poletku, związana z latami, jak i miejscowościami. Z badań metodycznych Ubysz-Boruckiej (1977) Koronackiego i Mielniczuka (2004), wynika, że określenie cech chemicznych, biochemicznych czy fizjologicznych roślin wymaga prowadzenia badań w ciągu co najmniej trzech lat w jednej miejscowości, bądź 1-2 lat w kilku miejscowościach. WNIOSKI 1. Stabilność cech jakości plonu okazała się wyższa niż cech fizjologicznych biomasy nadziemnej. 2. Odmianą o wyższej zawartości suchej masy okazała się Albik, ale odmiana Rubik odznaczała się większą maksymalną sprawnością fotosystemu PS II w ciemności wyższą wartością współczynników fotochemicznego i niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu, co wskazuje na wyższą potencjalna plenność tej odmiany oaz wyższą zawartość białka w bulwach. 3. Wskaźniki fluorescencji chlorofilu mogą służyć do wcześniejszego przewidywania jakości plonu Helianthus tuberosus. LITERATURA Cieślik E., Filipiak-Florkiewicz A Topinambur (Helianthus tuberosus L.) możliwości wykorzystania do produkcji żywności funkcjonalnej [Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) possible use for the production of functional foods]. Żywn. Nauka Techn. Jakość1, De Ell J.R., Toivonen P.M.A Chlorophyll Fluorescence as an Indicator of Physiological Changes in Cold-Stored Broccoli After Transfer to Room Temperature. Journal of Food Science 64(3), Guidi L, Soldatini GF Chlorophyll fluorescence and gas exchanges in flooded soybean and sunflower plants. Plant Physiology and Biochemistry 35: Guidi L., Nali C., Ciompi S., Lorenzini G., Soldatini G. F The use of chlorophyll fluorescence and leaf gas exchange as methods for studying the differwnt responses to ozone of two bean cultivars. J. Exp. Bot., 48, 306, Havaux M., Tardy F Photoacoustically monitored thermal energy dissipation and xanthophyll cycle carotenoids in higher plant leaves. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology Jolliffe P. A., Lin W. C Predictors of shelf life in long English cucumber. J. Amer. Soc. Hort. Sci. 122(5), Koronacki J., Mielniczuk J Statystyka dla studentów kierunków przyrodniczych i technicznych. Wyd. Nauk.-Techniczne, Warszawa. Kosson R The effect of storage temperature of cucumber fruit on chlorophyll fluorescence. Acta Agrobotanica, 53(1), DOI: Kranz J., Royale D. L Perspectives in mathematical modelling of plant disease epidemics. Plant disease epidemiology. Ed. Scott P.R. Bainbridge A. Blackwell-Scien. Public. Lin W.C., Jolliffe, P.A Chlorophyll fluorescence of long english cucumber affected by storage conditions. Acta Horticulturae Oxborough K Imaging of chlorophyll a fluorescence: theoretical and practical aspects of an emerging technique for the monitoring of photosynthetic performance. J. Exp. Bot. 55 (400): doi: /jxb/erh145 Puła J., Skrzypek E., Łabza T., Durert F Fluorescencja chlorofilu jako jeden ze wskaźników plonowania ziemniaka. Mat. Konf. Nauk.: Ziemniak jadalny dla przetwórstwa spożywczego czynniki agrotechniczne i przechowalnicze warunkujące jakość. Radzików, :

6 Sawicka B Możliwości wykorzystania słonecznika bulwiastego (Helianthus tuberosus L.) jako warzywa. Proceedings of the III Scientific Horticulture Plant Breeding Symposium. Lublin, II, Sawicka B Zmienność fenotypowa niektórych biopierwiastków w bulwach Helianthus tuberosus L. [w:] Biopierwiastki w środowisku człowieka. Poli Art. Studio s.c. Lublin, Schreiber U., Neubauer C., Schliwa U PAM fluorometer based on medium frequency pulsed Xe-flash measuring light: A highly sensitive new tool in basic and applied photosynthesis research. Photosynth. Res. 36, Smillie i in. (1998), Ubysz-Borucka L Fenotypowa zmienność ziemniaka. Zesz. Probl. PNR, 191: erhoeven AS, Demmig Adams B., Adams III WW Enhanced employment of the xanthophyll cycle and thermal energy dissipation in spinach exposed to high light and N stress. Plant Physiology 113, Warabieda W., Borkowska B Chlorophyll fluorescence as a diagnostic tool for assessment of apple resistance against two-spotted spider mite (Tetranychus urticae Koch.), EJPAU 7(1), #05.