agronaukaАграрная наука Евро-Северо-ВостокаAgricultural Science Euro-North-East2072-90812500-1396FARC North-East10.30766/2072-9081.2023.24.1.66-76agronauka-1248Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ: РАСТЕНИЕВОДСТВООRIGINAL SCIENTIFIC ARTICLES: PLANT GROWINGРабота фотосистемы II листьев ярового ячменя под воздействием ионов марганцаActivity of photosystem II in spring barley leaves under the action of manganese ionshttps://orcid.org/0000-0002-3125-3604ЛисицынЕ. М.LisitsynE. M.

Лисицын Евгений Михайлович, доктор биол. наук, ведущий научный сотрудник, зав. отделом

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Eugeny M. Lisitsyn, DSc in Biology, leading researcher, Head of the Department

Lenin str., 166a, Kirov, 610007

edaphic@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3900-5258ЧураковаС. А.ChurakovaS. A.

Чуракова Светлана Алексеевна, младший научный сотрудник

ул. Ленина, д. 166а, г. Киров, 610007

Svetlana A. Churakova, junior researcher

Lenin str., 166a, Kirov, 610007

priemnaya@fanc-sv.ruФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого»РоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. RudnitskyRussian Federation2023220220232416676Copyright © Лисицын Е.М., Чуракова С.А., 20232023Лисицын Е.М., Чуракова С.А.Lisitsyn E.M., Churakova S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.agronauka-sv.ru/jour/article/view/1248

На растениях шести сортов ярового ячменя (стандарт – сорт Белгородский 100) оценено влияние ионов марганца на работу фотосистемы II (PSII) листьев. Растения в контроле (0 мг/л Mn) и опыте (30, 60, 90 мг/л Mn) выращивали на полной питательной среде Кнопа в условиях естественного освещения. На листьях 14-дневных растений регистрировали параметры быстрой флуоресценции хлорофилла с помощью флуорометра Fluor Pen FP 110/S. Обнаружено, что чувствительность различных структурных частей PSII варьирует в зависимости от концентрации ионов Mn и используемого генотипа. Так, потоки поглощенной энергии возросли у сорта Боярин при 30 и 60 мг/л Mn (на 7,9 и 14,1 %), сорта Фермер при 60 и 90 мг/л (на 15,8 и 16,1 %), но снизились у сортов Добряк при 30 и 90 мг/л (на 9,7 и 9,0 %), Фермер при 30 мг/л (на 15,8 %) и Бионик при 60 и 90 мг/л (на 8,0 и 6,8 %). Поток энергии, запасаемой в первичных фотохимических реакциях, у сорта Бионик усилился при 30 мг/л марганца (на 6,3 %), но снизился при 60 (на 6,8 %) и 90 мг/л (на 5,3 %), при 30 мг/л Mn повысился у сорта Боярин (на 6,4 %), однако снизился у сорта Форвард (на 11,7 %). Электронный транспорт, приводящий к фиксации СО2, повышался у сортов Фермер при всех концентрациях Mn (на 8,1…12,6 %), у сорта Бионик повысился при 30 мг/л (на 7,2 %), но снизился при 90 мг/л (на 7,4 %). Электронный поток, приводящий к окислению конечного акцептора PSI, у исследованных сортов не изменялся под влиянием стрессора. Интегральные показатели активности PSII (индексы PIABS и PIABS_total) в стрессовых условиях определялись генотипом растений. Это свидетельствует, во-первых, о необходимости проведения адресной селекции (к конкретному уровню действующего фактора), во-вторых, о возможности пирамидирования интегрального уровня устойчивости к стрессору путем подбора родителей, отличающихся по уровню изменения отдельных функциональных реакций фотосинтеза.

The influence of manganese ions (30, 60 and 90 mg/l) on the functioning of the photosystem II (PSII) in leaves was assessed on plants of six spring barley cultivars (Belgorodsky 100, st.). The plants were grown on a complete Knop medium without (control) and with the addition of manganese ions (experiment) under natural light conditions. On 14-day-old leaves, parameters of chlorophyll's rapid fluorescence were recorded using a Fluor Pen FP 110/S fluorometer. The sensitivity of the different structural parts of PSII was found to vary depending on the concentration of Mn ions and the genotype used. Thus, absorbed energy flows increased in the cv. Boyarin at 30 and 60 mg/l Mn (by 7.9 and 14.1 %), in cv. Farmer at 60 and 90 mg/l  (by 15.8 and 16.1 %), but decreased in cv. Dobryak at 30 and 90 mg/l (by 9.7 and 9.0 %), Farmer at 30 mg/l (by 15.8 %) and Bionic at 60 and 90 mg/l (by 8.0 and 6.8 %). The flow of energy stored in primary photochemical reactions in the cv. Bionic increased at 30 mg/l of manganese (by 6.3 %), but decreased at 60 (by 6.8 %) and 90 mg/l (by 5.3 %); increased in the cv. Boyarin at 30 mg/l of Mn (by 6.4 %), but decreased in the cv. Forward (by 11.7 %). Electronic transport leading to CO2 fixation increased in cv. Farmer at all Mn concentrations (by 8.1...12.6 %), and in cv. Bionic it increased at 30 mg/l (by 7.2 %), but decreased at  90 mg/l (by 7.4 %). The electron flux leading to the oxidation of the finile acceptor of PSI in the studied cultivars did not change under the influence of the stressor. However, the integral parameters of PSII activity (PIABS and PIABS_total indices) under stressful conditions were determined by the plant genotype. This indicates, firstly, the need for targeted selection (to a specific level of the stress factor); secondly, on the possibility of pyramidation of the integral level of resistance to the stressor by selecting parents who differ in the level of change in individual functional reactions of photosynthesis.

Hordeum vulgare L.флуоресценция хлорофиллареакционный центрпластохинонэлектронный транспортпоток световой энергииперформанс-индексHordeum vulgare L.chlorophyll fluorescencereaction centerplastoquinoneelectron transportlight energy fluxperformance indexРабота выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н. В. Рудницкого» (тема № FNWE-2022-0007). Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.the research was carried out under the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the state assignment of Federal Agricultural Research Center of the North-East named N. V. Rudnitsky (theme No. FNWE-2022-0007). The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this workReferencesDorsaf A., Anis B.-A., Chedly A. Leaf photosynthesis, chlorophyll fluorescence and ion content of barley (Hordeum vulgare) in response to salinity. Journal of Plant Nutrition. 2018;41(4):497-508. DOI: https://doi.org/10.1080/01904167.2017.1385811Dorsaf A., Anis B.-A., Chedly A. Leaf photosynthesis, chlorophyll fluorescence and ion content of barley (Hordeum vulgare) in response to salinity. Journal of Plant Nutrition. 2018;41(4):497-508. DOI: https://doi.org/10.1080/01904167.2017.1385811Kalaji H. M., Rastogi A., Živčák M., Brestic M., Daszkowska-Golec A., Sitko K., Alsharafa K. Y., Lotfi R., Stypiński P., Samborska I. A., Cetner M. D. Prompt chlorophyll fluorescence as a tool for crop phenotyping: an example of barley landraces exposed to various abiotic stress factors. Photosynthetica. 2018;56(3):953-961. DOI: https://doi.org/10.1007/s11099-018-0766-zKalaji H. M., Rastogi A., Živčák M., Brestic M., Daszkowska-Golec A., Sitko K., Alsharafa K. Y., Lotfi R., Stypiński P., Samborska I. A., Cetner M. D. Prompt chlorophyll fluorescence as a tool for crop phenotyping: an example of barley landraces exposed to various abiotic stress factors. Photosynthetica. 2018;56(3):953-961. DOI: https://doi.org/10.1007/s11099-018-0766-zRapacz M., Wójcik-Jagła M., Fiust A., Kalaji H. M., Kościelniak J. Genome-wide associations of chlorophyll fluorescence ojip transient parameters connected with soil drought response in barley. Frontiers in Plant Science. 2019;10:78. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00078Rapacz M., Wójcik-Jagła M., Fiust A., Kalaji H. M., Kościelniak J. Genome-wide associations of chlorophyll fluorescence ojip transient parameters connected with soil drought response in barley. Frontiers in Plant Science. 2019;10:78. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00078Matile P. H., Hortensteiner S., Thomas H., Krautler B. Chlorophyll breakdown in senescent leaves. Plant Physiology. 1996;112(4):1403-1409. DOI: https://doi.org/10.1104%2Fpp.112.4.1403Matile P. H., Hortensteiner S., Thomas H., Krautler B. Chlorophyll breakdown in senescent leaves. Plant Physiology. 1996;112(4):1403-1409. DOI: https://doi.org/10.1104%2Fpp.112.4.1403Paul S., Neese F., Pantazis D. A. Structural models of the biological oxygen-evolving complex: achievements, insights, and challenges for biomimicry. Green Chemistry. 2017;19:2309-2325. DOI: https://doi.org/10.1039/C7GC00425GPaul S., Neese F., Pantazis D. A. Structural models of the biological oxygen-evolving complex: achievements, insights, and challenges for biomimicry. Green Chemistry. 2017;19:2309-2325. DOI: https://doi.org/10.1039/C7GC00425GRayen M., Reyes-Dίaz M., Ivanov A. G., Mora M. L., Alberdi M. Manganese as essential and toxic element for plants: transport, accumulation and resistance mechanisms. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2010;10(4):470-481. DOI: http://dx.doi.org/10.4067/S0718-95162010000200008Rayen M., Reyes-Dίaz M., Ivanov A. G., Mora M. L., Alberdi M. Manganese as essential and toxic element for plants: transport, accumulation and resistance mechanisms. Journal of Soil Science and Plant Nutrition. 2010;10(4):470-481. DOI: http://dx.doi.org/10.4067/S0718-95162010000200008Liang H. Z., Zhu F., Wang R. J., Huang X.-H., Chu J.-J. Photosystem II of Ligustrum lucidum in response to different levels of manganese exposure. Scientific Reports. 2019;9:12568. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-48735-8Liang H. Z., Zhu F., Wang R. J., Huang X.-H., Chu J.-J. Photosystem II of Ligustrum lucidum in response to different levels of manganese exposure. Scientific Reports. 2019;9:12568. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-48735-8Шихова Л. Н., Зубкова О. А. Изменение содержания подвижных соединений Mn в подзолистых почвах в течение вегетационного периода. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2012;2(27):35-39. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17532819 EDN: OTRLFXShikhova L. N., Zubkova O. A. Modification of mobile manganese content in the podzolic soils during growth season. Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka = Agricultural Science Euro-North-East. 2012;2(27):35-39. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17532819Зубкова O. A. Динамика содержания кислоторастворимых соединений марганца в подзолистых почвах. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2015;44(1):46-52. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22856651 EDN: TGEMDPZubkova O. A. Modification of acid-soluble manganese content in the podzolic soils. Agrarnaya nauka EvroSevero-Vostoka = Agricultural Science Euro-North-East. 2015;44(1):46-52. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22856651Небольсин А. Н., Небольсина З. П. Оптимальные для растений параметры кислотности дерновоподзолистой почвы. Агрохимия. 1997;(6):9-26.Nebolsin A. N., Nebolsina Z. P. Optimal parameters of acidity of sod-podzolic soil for plants. Agrokhimiya. 1997;(6):9-26. (In Russ.).Пасынков А. В., Светлакова Е. В., Котельникова Н. В., Абашев В. Д., Пасынкова Е. Н., Садакова Г. Г., Баландина С. А., Дуняшева Г. И., Рублева Н. В., Татаринова М. С. Влияние длительного применения минеральных удобрений на плодородие дерново-подзолистой почвы, продуктивность севооборота и качество зерна. Агрохимия. 2016;(10):38-47. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=27169477 EDN: WWOHIVPasynkov A. V., Svetlakova E. V., Kotelnikova N. V., Abashev V. D., Pasynkova E. N., Sadakova G. G., Balandina S. A., Dunyasheva G. I., Rubleva N. V., Tatarinova M. S. The influence of long-term application of fertilizers on fertility of soddy-podzolic soil, productivity of crop rotation and grain quality. Agrokhimiya. 2016;(10):38-47. (In Russ.). URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=27169477Родина Н. А., Щенникова И. Н., Кокина Л. П. Реакция новых сортов ячменя на различные приемы технологии. Достижения науки и техники АПК. 2009;8:14-16. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12979727 EDN: KYAXURRodina N. A., Shchennikova I. N., Kokina L. P. Reaction of barley varieties on the different methods technology. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AICis. 2009;8:14-16. (In Russ.). URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=12979727Husted S., Laursen K. H., Hebbern C. A., Schmidt S. B., Pedas P., Haldrup A., Jensen P. E. Manganese deficiency leads to genotype-specific changes in fluorescence induction kinetics and state transitions. Plant Physiology. 2009;150(2):825-833. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.108.134601Husted S., Laursen K. H., Hebbern C. A., Schmidt S. B., Pedas P., Haldrup A., Jensen P. E. Manganese deficiency leads to genotype-specific changes in fluorescence induction kinetics and state transitions. Plant Physiology. 2009;150(2):825-833. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.108.134601Schmidt S., Pedas P., Laursen K., Schjoerring J., Husted S. Latent manganese deficiency in barley can be diagnosed and remediated on the basis of chlorophyll a fluorescence measurements. Plant and Soil. 2013;372:417-429. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-013-1702-4Schmidt S., Pedas P., Laursen K., Schjoerring J., Husted S. Latent manganese deficiency in barley can be diagnosed and remediated on the basis of chlorophyll a fluorescence measurements. Plant and Soil. 2013;372:417-429. DOI: https://doi.org/10.1007/s11104-013-1702-4Giorio P., Sellami M. H. Polyphasic OKJIP chlorophyll a fluorescence transient in a landrace and a commercial cultivar of sweet pepper (Capsicum annuum L.) under long-term salt stress. Plants. 2021;10(5):887. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10050887Giorio P., Sellami M. H. Polyphasic OKJIP chlorophyll a fluorescence transient in a landrace and a commercial cultivar of sweet pepper (Capsicum annuum L.) under long-term salt stress. Plants. 2021;10(5):887. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10050887Yusuf M. A., Kumar D., Rajwanshi R., Strasser R. J., Tsimilli-Michael M., Govindjee, Sarin N. B. Overexpression of γ-tocopherol methyl transferase gene in transgenic Brassica juncea plants alleviates abiotic stress: physiological and chlorophyll a fluorescence measurements. BBA-Bioenergetics. 2010;1797(8):1428-1438. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2010.02.002Yusuf M. A., Kumar D., Rajwanshi R., Strasser R. J., Tsimilli-Michael M., Govindjee, Sarin N. B. Overexpression of γ-tocopherol methyl transferase gene in transgenic Brassica juncea plants alleviates abiotic stress: physiological and chlorophyll a fluorescence measurements. BBA-Bioenergetics. 2010;1797(8):1428-1438. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2010.02.002Mlinarić S., Dunić J. A., Babojelić M. S., Cesar V., Lepeduš H. Differential accumulation of photosynthetic proteins regulates diurnal photochemical adjustments of PSII in common fig (Ficus carica L.) leaves. Journal of Plant Physiology. 2017;209:1-10. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.12.002Mlinarić S., Dunić J. A., Babojelić M. S., Cesar V., Lepeduš H. Differential accumulation of photosynthetic proteins regulates diurnal photochemical adjustments of PSII in common fig (Ficus carica L.) leaves. Journal of Plant Physiology. 2017;209:1-10. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.12.002Ergo V. V., Veas R. E., Vega C. R. C., Lascano R., Carrera C. S. Leaf photosynthesis and senescence in heated and droughted fieldgrown soybean with contrasting seed protein concentration. Plant Physiology and Biochemistry. 2021;166:437-447. DOI: https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.06.008Ergo V. V., Veas R. E., Vega C. R. C., Lascano R., Carrera C. S. Leaf photosynthesis and senescence in heated and droughted fieldgrown soybean with contrasting seed protein concentration. Plant Physiology and Biochemistry. 2021;166:437-447. DOI: https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.06.008Markulj Kulundžić A., Kovačević J., Viljevac Vuletić M., Josipović A., Liović I., Mijić A., Lepeduš H., Matoša Kočar M. Impact of abiotic stress on photosynthetic efficiency and leaf temperature in sunflower. Poljoprivreda. 2016;22(2):17-22. DOI: https://doi.org/10.18047/poljo.22.2.3Markulj Kulundžić A., Kovačević J., Viljevac Vuletić M., Josipović A., Liović I., Mijić A., Lepeduš H., Matoša Kočar M. Impact of abiotic stress on photosynthetic efficiency and leaf temperature in sunflower. Poljoprivreda. 2016;22(2):17-22. DOI: https://doi.org/10.18047/poljo.22.2.3Bano H., Athar H., Zafar Z. U., Kalaji H. M., Ashraf M. Linking changes in chlorophyll a fluorescence with drought stress susceptibility in mung bean [Vigna radiata (L.) Wilczek]. Physiologia Plantarum. 2020;172(2):1244-1254. DOI: https://doi.org/10.1111/ppl.13327Bano H., Athar H., Zafar Z. U., Kalaji H. M., Ashraf M. Linking changes in chlorophyll a fluorescence with drought stress susceptibility in mung bean [Vigna radiata (L.) Wilczek]. Physiologia Plantarum. 2020;172(2):1244-1254. DOI: https://doi.org/10.1111/ppl.13327Singh S., Prasad S. M. Effects of 28-homobrassinoloid on key physiological attributes of Solanum lycopersicum seedlings under cadmium stress: Photosynthesis and nitrogen metabolism. Plant Growth Regulation. 2017;82:161-173. DOI: https://doi.org/10.1007/s10725-017-0248-5Singh S., Prasad S. M. Effects of 28-homobrassinoloid on key physiological attributes of Solanum lycopersicum seedlings under cadmium stress: Photosynthesis and nitrogen metabolism. Plant Growth Regulation. 2017;82:161-173. DOI: https://doi.org/10.1007/s10725-017-0248-5Pavlović I., Mlinarić S., Tarkowska D, Oklestkova J., Novak O., Lepeduš H., Vujčić Bok V., Radić Brkanac S., Strnad M., Salopek-Sondi B. Early Brassica crops responses to salinity stress: A comparative analysis between Chinese cabbage, white cabagge, and kale. Frontiers in Plant Science. 2019;10:450. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00450Pavlović I., Mlinarić S., Tarkowska D, Oklestkova J., Novak O., Lepeduš H., Vujčić Bok V., Radić Brkanac S., Strnad M., Salopek-Sondi B. Early Brassica crops responses to salinity stress: A comparative analysis between Chinese cabbage, white cabagge, and kale. Frontiers in Plant Science. 2019;10:450. DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2019.00450Mihaljević I., Viljevac Vuletić M., Šimić D., Tomaš V., Horvat D., Josipović M., Zdunić Z., Dugalić K., Vuković D. Comparative study of drought stress effects on traditional and modern apple cultivars. Plants. 2021;10(3):561. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10030561Mihaljević I., Viljevac Vuletić M., Šimić D., Tomaš V., Horvat D., Josipović M., Zdunić Z., Dugalić K., Vuković D. Comparative study of drought stress effects on traditional and modern apple cultivars. Plants. 2021;10(3):561. DOI: https://doi.org/10.3390/plants10030561Matoša Kočar M., Josipović A., Sudarić A., Duvnjak T., Viljevac Vuletić M., Marković M., Markulj Kulundžić A. Chlorophyll a fluorescence as tool in breeding drought stress-tolerant soybean. Journal of Central European Agriculture. 2022;23(2):305-317. DOI: https://doi.org/10.5513/jcea01/23.2.3437Matoša Kočar M., Josipović A., Sudarić A., Duvnjak T., Viljevac Vuletić M., Marković M., Markulj Kulundžić A. Chlorophyll a fluorescence as tool in breeding drought stress-tolerant soybean. Journal of Central European Agriculture. 2022;23(2):305-317. DOI: https://doi.org/10.5513/jcea01/23.2.3437

The authors declare that there are no conflicts of interest present.