On the use of isotopic differences of carbon fractions of biomass in plants to study transport flows and source-sink relations under different light conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

It is shown that the differences in the isotopic composition of carbon in the water-soluble and water-insoluble fractions of plant leaf biomass, as well as phloem, are evolutionarily determined. They associated with metabolic reactions during assimilation and photorespiration and do not depend on the illumination mode and on the spectral ranges of headlights used in illumination. The above isotopic shifts are the cause of isotopic differences in assimilatory and photorespiratory carbon stocks that feed various metabolic processes. Due to the strict temporal and spatial organization of metabolism, carbon fluxes from the funds retain isotopic differences without complete mixing. The differences in the isotopic composition of carbon of the water-soluble fraction of biomass and carbon of phloem juice from carbon of the water-insoluble fraction are small (1–3%), but they are quite stable and easily fixed. The carbon of the water-soluble fraction is very close in isotopic composition to the carbon of the phloem and is noticeably enriched with the isotope 13C relative to the water-insoluble fraction, which makes it possible to use it as a marker in the study of assimilate transport in plants, especially during budding and fruiting. It is shown that the reason for the enrichment of autotrophic organs and tissues with isotope 12C relative to carbon of heterotrophic parts of the plant is the predominant participation in their formation of an isotopically light assimilation fund, whereas an isotopically heavy photorespiratory fund takes part in the formation of heterotrophic organs. It is shown that the manifestation of the formation of two isotopically different funds is the discovered relationship of the carbon isotope composition of leaves with their age.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. A. Ivlev

All-Russian Scientific Research Geological Petroleum Institute (VNIGNI), April branch

Author for correspondence.
Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Aprelevka, 1st St. Ketritsa, Moscow region, 143360

V. A. Litvinsky

A. A. Borisyak Paleontological Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Profsoyuznaya Street, Moscow, 117647

N. M. Przewalsky

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

D. A. Tovstyko

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

A. S. Shmakov

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

M. P. Lomakin

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

N. N. Sleptsov

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

I. G. Tarakanov

Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy

Email: aa.ivlev@list.ru
Russian Federation, Timiryazevskaya str., 49, Moscow, 127434

References

  1. Биогенез природных соединений /Под ред. Гинодмана Л. М. М.: Мир 1965. 712 с.
  2. Ивлев А. А. О потоках «легкого» и «тяжелого» углерода при сопряжении фотосинтеза и фотодыхания. // 1993. Физиология растений. Т. 40. С. 872–880.
  3. Ивлев А. А. Изотопное фракционирование и клеточные механизмы углеродного метаболизма в фотосинтезирующей клетке. М.: РГАУ – МСХА. 2009. 74 с.
  4. Ивлев А. А. Тараканов И. Г. Интерпретация суточных вариаций изотопных характеристик углерода растений в рамках осцилляционной концепции фотосинтеза на примере клещевины (Ricinus communis L.). // Известия ТСХА. 2013. Вып. 1. С. 36–46. https://doi.org/10.1134/S1062359023601726
  5. Ивлев А. А., Товстыко, Д. А., М. П. Ломакин, А. С. Шмаков, Н. Н. Слепцов, В. А. Литвинский, Н. М. Пржевальский, И. Г. Тараканов. О влиянии длин волн разных диапазонов фотосинтетически активной радиации на изотопный состав углерода биомассы растений и ее фракций (на примере салата (lactica sativa l.) сорта Афицион) // Изв. РАН. Серия биол. 2023, № 5. С. 1–8. https://doi.org/10.0.124.113/S1026347022600534
  6. Калинкина Л. Г., Удельнова Т. М. Влияние фотодыхания на фракционирование стабильных изотопов углерода у морской хлореллы // Физиология растений. 1990. Т. 37. С. 96–104.
  7. Калинкина Л. Г., Удельнова Т. М. Механизм вовлечения гликолатного пути в накопление свободного пролина у морской водоросли в условиях засоления // 1991. Физиология растений. Т. 38. С. 948–958.
  8. Калинкина Л. Г., Русинов Н. Г. Влияние NaCl на оксигеназную активность рибулозодифосфаткарбоксилазы, на активность гликолатдегидрогеназы и выделение гликолевой кислоты // Физиология растений. 1981. Т. 28. С. 5–13.
  9. Курсанов А. А. Транспорт ассимилятов в растении. М.: Наука. 1976. 644 с.
  10. Чиков В. И. Фотодыхание // Соросовский образовательный журнал 1996. № 11. С. 2–8.
  11. Эдвардс Дж., Уокер Д. Фотосинтез С3 и С4 – растений: механизмы и регуляция. М.: Мир. 1986. 589 с.
  12. Badeck Franz-W., Tcherkez G., Nogue S. Cle´ment P., Ghashghaie J. Post-photosynthetic fractionation of stable carbon isotopes between plant organs – a widespread phenomenon // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2005. V. 19. C. 1381–1391. https://doi.org/10.1002/rcm.1912
  13. Batheller C., Badeck F.-W., Couzi Ph., Harscoet S., Mauve C. Divergence in δ13C of dark respired CO2 and bulk organic matter occurs during transition between heterotrophy and autotrophy in Phaseolus vulgaris plants // New Phytologist. 2008. V. 177. P. 406–418. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2007.02246.x
  14. Сraig H. Carbon-13 in plants and relationships between carbon-13 and carbon-14 variations in nature // J. Geology. 1954. V. 62. № 2. P. 53–92.
  15. Cernusak L. A., Tcherkez G., Keitel C., Cornwell W. K, Santiago L. S., Knohl A., Barbour M. M., Williams D. G., Reich P. B., Ellsworth D. S., Dawson T. E., Griffiths H. G., Farquhar G. D., Wright I. J.. Why are non-photosynthetic tissues generally 13C enriched compared with leaves in C3 plants? Review and synthesis of current hypotheses // Funct. Plant Biol. 2009. V. 36. P. 199–213. https://doi.org/10.1071/FP08216
  16. Cernusak L. A., Arthur D. J., Pate J. S. & Farquhar G. D. Water relations link carbon and oxygen isotope discrimination to phloem sap sugar concentration in Eucalyptus globulus // Plant Physiology. 2003. V. 131 P. 1544–1554. https://doi.org/10.1104/pp.102.016303
  17. Chen X. L., Yang Q. C., Song W. P., Wan, L. C., Guo W. Z., Xue X. Z. Growth and nutritional properties of lettuce affected by different alternating intervals of red and blue LED irradiation. // Sci. Hortic. 2017. V. 223. P. 44–52. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2017.04.037
  18. Dubinsky A. Yu., Ivlev A. A. Computational analysis of the possibility of the oscillatory dynamics in the processes of CO2 assimilation and photorespiration // Biosystems. 2011. V. 103 P. 285–290. https://doi.org/10.1016/j.biosystems.2010.11.003
  19. Dubinsky A. Yu., Ivlev A. A., A., Igamberdiev A. U. Theoretical Analysis of the Possibility of Existence of Oscillations in Photosynthesis // Biophysics. 2010. V. 55. № 1. P. 55–58. https://doi.org/10.1134/S0006350910010094
  20. Gessler A., Keitel C., Kodama N., Weston Ch, Winters A. J., Keith H., Grice K., Leuning R., Farquhar G. D. δ13C of organic matter transported from the leaves to the roots in Eucalyptus delegatensis: short-term variations and relation to respired CO2 // Funct. Plant Biology. 2007. V. 34. P. 692–706. https://doi.org/10.1071/FP07064
  21. Gessler A., Tcherkez G., Peuke A. D., Ghashghaie J. G., Farquhar G. D. Experimental evidence for diel variations of the carbon isotope composition in leaf, stem and phloem sap organic matter in Ricinus communis // Plant, Cell Environ. 2008. V. 31 P. 941–953. https://doi.org/10.1111/j.1365-3040.2008.01806.x
  22. Ivlev A. A. Oscillatory nature of metabolism and carbon isotope distribution in photosynthesizing cells Oscillatory nature of metabolism and carbon isotope distribution in photosynthesizing cells // Photosynthesis – fundamental aspects / ed. Najafpour M. M. Intech Publishers. Croatia. 2012. P. 341–366. https://doi.org/10.5772/26219
  23. Lerman J. C., Deleens E., A. Nato, A. Moyse. Variations in the Carbon isotope Composition of a Plant with Crassulacean Acid Metabolism // Plant Physiology. 1974. V. 53. P 581–584. https://doi.org/10.1104/pp.53.4.581
  24. Lanoue J., Leonardos E. D., Grodzinski B. Effects of light quality and intensity on diurnal patterns and rates of photo-assimilate translocation and transpiration in tomato leaves. Front. Plant Sci. 2018. V. 9. P. 756–762. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00756
  25. Monti A., Amaducci M. T., Pritoni G., Venturi G. Variation in carbon isotope discrimination during growth and at different organs in sugar beet (Beta vulgaris L.) // Field Crops Research. 2006. V. 98. Iss. 2.3. P. 157–163. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2006.01.002
  26. Murthy B. F., Nier A. O. Variations in the relative abundances in the carbon isotopes // Phys. Rev. 1941. V. 59. P. 771–772. https://doi.org/10.1021/ja01872a047
  27. Saranga Y., Flash I., Patersson A. H., Yakir D. Carbon isotope ratio in cotton varies with growth stage and plant organ // Plant Science. 1999. V. 142. P. 47–56. https://doi.org/10.1016/S0168-9452(99)00004-7
  28. Shimazaki K., Doi M., Assmann S. M., Kinoshita T. Light regulation of stomatal movement // Annu. Rev. Plant Biol. 2007. V. 58. P. 219–247. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.57.032905.105434
  29. Son K. H., Oh M. M. Leaf shape, growth, and antioxidant phenolic compounds of two lettuce cultivars grown under various combinations of blue and red light-emitting diodes // Hort. Sci. 2013. V. 48. P. 988–995. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.48.8.988
  30. Tarakanov I. G., Tovstyko D. A., Lomakin M. P., Shmakov A. S., Sleptsov N. N., Shmarev A. N., Litvinskiy V. A., Ivlev A. A. Effects of light spectral quality on the photosynthetic activity, biomass production, and carbon isotope fractionation in lettuce plants // Plants. 2022. V. 11. P. 441. https://doi.org/10.3390/plants11030441
  31. Wickman F. E. Variations in the relative abundance of carbon isotope in plants // Geochim. et Cosm. Acta. 1952. V. 2. P. 243–254. https://doi.org/10.1038/1691051a0

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».