Статьи 2024 г.
1 Институт физики им. Л. В. Киренского СО РАН – обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН
Aкадемгородок, 50/38, Красноярск, 660036 Российская Федерация
2 Федеральный исследовательский центр Красноярский научный центр СО РАН
Aкадемгородок, 50, Красноярск, 660036 Российская Федерация
E-mail: k26tony@ya.ru, shefer.ad@ksc.krasn.ru, alexch_syb@mail.ru, Btchem@mail.ru, kmn@iph.krasn.ru
Реферат
УДК 535.3
Буханов Е. Р.1, 2, Шефер А. Д.2, Шабанов А. В.1, Гуревич Ю. Л.2, Крахалев М. Н.1 Строение, оптические и спектральные характеристики эпикутикулярного воска хвои ели голубой // Сибирский лесной журнал. 2024. № 1. С. 97–106.
DOI: 10.15372/SJFS20240111
EDN: …
© Буханов Е. Р., Шефер А. Д., Шабанов А. В., Гуревич Ю. Л., Крахалев М. Н., 2024
Предложен метод по отделению чистых пластин эпикутикулярного воска. Использование воды, способной глубоко проникать в восковые структуры под действием сил Ван-дер-Ваальса и расширяться при замерзании, позволяет быстро получить незагрязненные восковые пластины с нативной структурой без каких-либо сторонних химических примесей. С помощью сканирующей электронной микроскопии были получены снимки воска хвои голубой ели (Picea pungens Engelm.). Определены его морфологические и структурные характеристики. Отличительной особенностью является наличие восковых нанотрубочек с характерными диаметром ~150 нм и длиной 3–5 мкм. Нанотрубочки лежат друг на друге стопками, образуя одномерную длиннопериодическую решетку. Проведены микроскопические наблюдения воска, сделанные в отраженном и прошедшем свете. Показано, что покрытие хвои голубой ели состоит из микрочастичек воска, обладающие структурным окрасом. В широком спектральном диапазоне отдельные частички изменяют цвет от синего до красного, как следствие, большие конгломераты частичек имеют белый цвет. Получены спектры флуоресценции хвои с нативным восковым покровом и той же самой хвои после удаления воска. При сравнении ширины линий флуоресценции на полувысоте хвоинки голубой ели с воском и без, выявлено влияние воскового слоя на время жизни возбужденных электронов в фотосистеме II, тем самым установлена связь между восковым покровом и процессом фотосинтеза. Методом трансфер матриц выполнены расчеты спектров пропускания для решетки схожей с восковой структурой, хлоропластом и сочетанием восковой структуры с хлоропластом. В последнем варианте длинноволновая зона селективного отражения значительно шире, чем у отдельных случаев. При рассмотрении структуры, содержащей хлоропласт и эпикутикулярный воск, наблюдается небольшое расщепление стоп-зоны, как при наличии дефекта, что способствует высокой концентрации энергии в месте расщепления. Вследствии роста концентрации энергии увеличивается плотность фотонных состояний на соответствующих длинах волн. Этот эффект важен для фотосинтеза, поскольку согласно золотому правилу Ферми, скорость реакции пропорциональна плотности фотонных состояний. Результаты расчетов находятся в хорошем согласии с экспериментальными спектрами.
Текст статьи
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (REFERENCES)
Буханов Е. Р., Коршунов М. А., Шабанов А. В. Оптические процессы в фотосинтезе // Сиб. лесн. журн. 2018. № 5. С. 19–32 [Bukhanov E. R., Korshunov M. A., Shabanov A. V. Opticheskie protsessy v fotosinteze (Optical processes in photosynthesis) // Sib. lesn. zhurn. (Sib. J. For. Sci.). 2018. N. 5. P. 19–32 (in Russian with English abstract)].
Буханов Е. Р., Шабанов А. В., Крахалев М. Н., Волочаев М. Н., Гуревич Ю. Л. Влияние строения на оптические свойства эпитикулярного воска голубой ели (Picea pungens) // Уч. зап. физ. ф-та Моск. ун-та. 2019. № 5. Статья 1950502. 7 с. [Bukhanov E. R., Shabanov A. V., Krakhalev M. N., Volochaev M. N., Gurevich Y. L. Vliyanie stroeniya na opticheskie svoystva epitikulyarnogo voska goluboy eli (Picea pungens) (The effect of the structure on the optical properties of epicuticular wax of blue spruce (Picea pungens)) // Uch. zap. fiz. f-ta Mosk. un-ta (Sci. Notes Fac. Phys. Moscow Univ.). 2019. N. 5. Article 1950502. 7 p. (in Russian with English abstract)].
Буханов Е. Р., Волочаев М. Н., Пятина С. А. Фотоника хлоропластов растений // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. Т. 87. № 10. С. 1458–1462 [Bukhanov E. R., Volochaev M. N., Pyatina S. A. (Photonics of plant chloroplasts) // Izv. RAN. Ser. Fiz. (Bull. Rus. Acad. Sci.: Phys.). 2023. V. 87. N. 10. P. 1458–1462 (in Russian with English abstract)].
Ветров С. Я., Тимофеев И. В., Шабанов В. Ф. Локализованные моды в хиральных фотонных структурах // Усп. физ. наук. 2020. Т. 190. № 1. С. 37–62 [Vetrov S. Ya., Timofeev I. V., Shabanov V. F. (Localized modes in chiral photonic structures) // Usp. fiz. nauk (Adv. Phys. Sci.). 2020. V. 190. N. 1. P. 37–62 (in Russian with English abstract)].
Коршунов М. А., Шабанов А. В., Буханов Е. Р., Шабанов В. Ф. Влияние длиннопериодической упорядоченности в структуре растений на первичные стадии фотосинтеза // ДАН. 2018. Т. 478. № 3. С. 280–283 [Korshunov M. A., Shabanov A. V., Bukhanov E. R., Shabanov V. F. (Effect of long-period ordering of the structure of a plant on the initial stages of photosynthesis) // DAN (Proc. Acad. Sci.). 2018. V. 478. N. 3. P. 280–283 (in Russian with English abstract)].
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 [Shabanov A. V., Korshunov M. A., Bukhanov E. R. (Investigation of the electromagnetic field in one-dimensional photonic crystals with defects) // Komp. Opt. (Comp. Optics). 2017. V. 41. N. 5. P. 680–686 (in Russian with English abstract)].
Barthlott W. Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants In: Scanning electron microscopy in taxonomy and functional morphology / D. Claugher (Ed.). New York: Oxford Univ. Press, 1990. P. 69–94.
Barthlott W., Neinhuis C., Cutler D., Ditsch F., Meusel I., Theisen I., Wilhelmi H. Classification and terminology of plant epicuticular waxes // Bot. J. Linnean Soc. 1998. V. 126. Iss. 3. P. 237–260.
Bi H., Kovalchuk N., Langridge P., Tricker P. J., Lopato S., Borisjuk N. The impact of drought on wheat leaf cuticle properties // BMC Plant Biol. 2017. V. 17. N. 1. Article number: 85. 13 p.
Bianchi G. Plant waxes In: Waxes: chemistry, molecular biology and functions / R. J. Hamilton (Ed.). Dundee, Scotland: Oily Press, 1995. P. 175–222.
Bukhanov E. R., Volochaev M. N., Pyatina S. A. Photonics of plant chloroplasts // Bull. Rus. Acad. Sci.: Phys. 2023. V. 87. N. 10. P. 1488–1492 (Original Rus. text © E. R. Bukhanov, M. N. Volochaev, S. A. Pyatina, 2023, publ. in Izv. RAN. Ser. Fiz. 2023. V. 87. N. 10. P. 1458–1462).
Dora S. K. Real time recrystallization study of 1, 2 dodecanediol on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) by tapping mode atomic force microscopy // World J. Nano Sci. Engineer. 2017. V. 7. N. 1. P. 1–15.
Dora S. K., Wandelt K. Recrystallization of tubules from natural lotus (Nelumbo nucifera) wax on a Au (111) surface // Beilstein J. Nanotechnol. 2011. V. 2. Iss. 1. P. 261–267.
Dora S. K., Koch K., Barthlott W., Wandelt K. Kinetics of solvent supported tubule formation of Lotus (Nelumbo nucifera) wax on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) investigated by atomic force microscopy // Beilstein J. Nanotechnol. 2018. V. 9. Iss. 1. P. 468–481.
Dragota S., Riederer M. Comparative study on epicuticular leaf waxes of Araucaria araucana, Agathis robusta and Wollemia nobilis (Araucariaceae) // Austral. J. Bot. 2008. V. 56. Iss. 8. P. 644–650.
Ensikat H. J., Neinhuis C., Barthlott W. Direct access to plant epicuticular wax crystals by a new mechanical isolation method // Int. J. Plant Sci. 2000. V. 161. N. 1. P. 143–148.
Ensikat H. J., Boese M., Mader W., Barthlott W., Koch K. Crystallinity of plant epicuticular waxes: electron and X-ray diffraction studies // Chem. Phys. Lipids. 2006. V. 144. Iss. 1. P. 45–59.
Grant R. H., Heisler G. M., Gao W., Jenks M. Ultraviolet leaf reflectance of common urban trees and the prediction of reflectance from leaf surface characteristics // Agr. For. Meteorol. 2003. V. 120. Iss. 1–4. P. 127–139.
Guo J., Xu W., Yu X., Shen H., Li H., Cheng D., Liu A., Liu J., Liu C., Zhao S., Song J. Cuticular wax accumulation is associated with drought tolerance in wheat near-isogenic lines // Front. Plant Sci. 2016. V. 7. Article 01809. 10 p.
Harrington C. A., Carlson W. C. Morphology and accumulation of epicuticular wax on needles of Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii var. menziesii) // Northwest Sci. 2016. V. 89. Iss. 4. P. 401–408.
Holmes M. G., Keiller D. R. Effects of pubescence and waxes on the reflectance of leaves in the ultraviolet and photosynthetic wavebands: a comparison of a range of species // Plant, Cell Environ. 2002. V. 25. Iss. 1. P. 85–93.
Koch K., Barthlott W., Koch S., Hommes A., Wandelt K., Mamdouh W., De-Feyter S., Broekmann P. Structural analysis of wheat wax (Triticum aestivum, c. v. ‘Naturastar’ L.): from the molecular level to three dimensional crystals // Planta. 2006a. V. 223. Iss. 2. P. 258–270.
Koch K. A., Dommisse A., Barthlott W. Chemistry and crystal growth of plant wax tubules of lotus (Nelumbo nucifera) and nasturtium (Tropaeolum majus) leaves on technical substrates // Crystal Growth & Design. 2006b. V. 6. N. 11. P. 2571–2578.
Korshunov M. A., Shabanov A. V., Bukhanov E. R., Shabanov V. F. Effect of long-period ordering of the structure of a plant on the initial stages of photosynthesis // Dokl. Phys. 2018. V. 63. P. 1–4 (Original Rus. Text © M. A. Korshunov, A. V. Shabanov, E. R. Bukhanov, V. F. Shabanov, 2018, publ. in Dokl. Akad. Nauk. 2018. V. 478. N. 3. P. 280–283).
Kunst L., Samuels A. S. Biosynthesis and secretion of plant cuticular wax // Progr. Lipid Res. 2003. V. 42. Iss. 1. P. 51–80.
Lee D. Nature’s palette: The science of plant color. Chicago: Univ. Chicago Press, 2010. 432 p.
Poinern G. E. J., Le X. T., Fawcett D. Superhydrophobic nature of nanostructures on an indigenous Australian eucalyptus plant and its potential application // Nanotechnol., Sci. Appl. 2011. V. 4. Iss. 1. P. 113–121.
Reicosky D. A., Hanover J. M. Physiological effects of surface waxes: I. Light reflectance for glaucous and nonglaucous Picea pungens // Plant Physiol. 1978. V. 62. Iss. 1. P. 101–104.
Thomas K. R., Kolle M., Whitney H. M., Glover B. J., Steiner U. Function of blue iridescence in tropical understorey plants // J. Royal Soc. Interface. 2010. V. 7. Iss. 53. P. 1699–1707.
Vetrov S. Ya., Timofeev I. V., Shabanov V. F. Localized modes in chiral photonic structures // Physics-Uspekhi. 2020. V. 63. N. 1. P. 33–56 (Original Rus. text © S. Ya. Vetrov, I. V. Timofeev, V. F. Shabanov, 2020, publ. in Usp. Fiz. Nauk, Rus. Acad. Sci. 2020. V. 190. N. 1. P. 37–62).
Vignolini S., Moyroud E., Glover B. J., Steiner U. Analysing photonic structures in plants // J. Royal Soc. Interface. 2013. V. 10. Iss. 87. P. 1–9.
Walton T. J. Waxes, cutin and suberin In: Methods in plant biochemistry. V. 4: Lipids, membranes and aspects of photobiology / J. L. Harwood and J. Boyer (Eds.). San Diego, CA: Acad. Press, 1990. P. 105–158.
Weaver J. M., Lohrey G., Tomasi P., Dyer J. M., Jenks M. A., Feldmann K. A. Cuticular wax variants in a population of switchgrass (Panicum virgatum L.) // Industr. Crops and Products. 2018. V. 117. P. 310–316.
