БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 5, с. 1018-1023
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ^
УДК 577.355:546.161
ФЛУОР ЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИ СТЬЕВ БОБОВ, ОБРАБОТАННЫХ ФТОРИДОМ НАТРИЯ
© 2015 г. О.А. Калмацкая, В.А. Караваев
Физический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова,
119991, Москва, Ленинские горы, 1/2
E-mail: karavaev@phys.msu.ru Поступила в p едакцию 24.06.15 г.
Установлено, что обработка листьев бобов раствором NaF в концентрации 10-2 М приводит к изменению флуоресцентных показателей, регистрируемых методом импульсной флуоримет-рии. Значения Fo и Fm уменьшались, а отношение Fv/Fm = (Fm - Fo)/Fm, характеризующее максимальную фотохимическую активность фотосистемы II, оставалось неизменным. Фотохимическое тушение флуоресценции (qP) в первые минуты освещения действующим светом было больше, чем в контроле, а при последующем освещении заметно уменьшалось. Нефотохимическое тушение (qN), напротив, вначале уменьшалось, а затем увеличивалось. Фотосинтетическая активность (показатель (Fm - Ft)/Ft) после обработки листьев NaF снижалась. Полученные результаты интерпретируются исходя из ингибирующего действия NaF на фос-фатазу и его влияния на перераспределение энергии возбуждения хлорофилла между фотосистемами II и I, с одной стороны, и негативного воздействия фторида на АТФазный комплекс и цикл Кальвина-Бенсона - с другой.
Ключевые слова: фторид натрия, хлорофилл, индукция флуоресценции, фото- и нефотохимическое тушение флуоресценции.
Регуляция световых стадий фотосинтеза высших р астений (поглощение света, миграция энергии возбуждения по пигментной матрице, разделение зарядов в реакционных центрах, электронный транспорт между фотосистемами) играет важную роль в повышении эффективности всего фотосинтетического процесса [1,2]. Один из регуляторных механизмов, обеспечивающих согласованную работу фотосистемы I (Ф С I) и фотосистемы II (Ф С II), заключается в перераспределении энергии возбуждения между ними в зависимости от интенсивности и спектрального состава действующего света [3]. Это перераспределение осуществляется за счет пространственного перемещения части светосо -бирающих комплексов (ССК) вдоль фотосинтетической мембр аны, включающей комплексы ФС I и ФС II. Перераспределение энергии в пользу Ф С I происходит при фосфорилирова-нии белков ССК специальным ферментом про -теинкиназой, активность которой зависит от степени восстановленности пластохинона; пер ера спределение в пользу Ф С II происходит при
Сокращения: ФC I - фотосистема I, ФC II - фотосистема II, ССК - светособирающий комплекс, Хл а - хлорофилл а.
дефосфорилировании белков под действием фосфатазы [4,5].
В адаптир ованных к темноте хлор опластах переносчики электронов между фотосистемами находятся в окисленном состоянии и подвижные комплексы «обслуживают» комплексы Ф С II (состояние 1). П ри включении света, эффективно поглощаемого в Ф С II, перено счики восстанавливаются и происходит переход в состояние 2, когда подвижные комплексы «обслуживают» ФС I. Предполагается, что подобный переход является одной из причин тушения флуоресценции хлорофилла а (Хл а) при освещении фотосинтезирующих объектов после их выдерживания в темноте [6,7].
Фторид натрия является специфическим ингибитором фосфатазы [8] и, таким образом, может оказывать влияние на эффективность взаимодействия Ф С I и Ф С II. Б ольшая часть работ по изучению влияния КаБ на световые стадии фотосинтеза выполнена с использованием флуоресцентных методов. Было, в частности, показано, что фосфорилирование белков ССК «насыщается» при относительно низкой интенсивности действующего света и снижается на относительно сильном свету [8]. Авторы [9] в опытах на листьях шпината, обработанных раствором КаБ в концентрации 2 мМ, не об-
нар ужили существенных изменений фотохимической активности Ф С II, однако скорость выделения О2 на насыщающем свету при этом существенно уменьшалась.
Интерес исследователей к флуоресцентным показателям растений, обработанных КаБ, связан не только с его ингибирующим действием на фосфатазу и возможностью изучения регулятор ных механизмов фотосинтеза. Фтор и его соединения являются загрязнителями окружающей ср еды и в больших концентрациях оказывают токсическое действие на растения [10-14]. Показано, что КаБ негативно влияет на про -ра стание семян, приводит к уменьшению биометрических показателей, снижению содержания хлорофилла и ухудшению устьичной про -водимости [10,11,14]. Соли фтора оказывают ингибирующее действие на фотосинтетическую активность, гликолиз и синтез сахарозы [12]. Установлено, что добавление КаБ к хлоропла-стам бобов приводит к нарушениям в работе ряда ферментов цикла Кальвина-Бенсона, снижает активность АТФазы и скор ость сопряженного с синтезом АТФ нециклического электронного транспорта [13]. Анализ имеющихся в литературе данных показывает, что влияние солей фтор а на фотосинтезирующие объекты зависит от ряда факторов: концентрации, способа и продолжительности обработки, вида и даже сорта растений [9-12].
Флуоресцентные методы широко используются при изучении структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата растений в различных условиях [15-18]. В преды -дущих работах [19-23] с использованием метода медленной индукции флуоресценции изучены изменения функциональной активности листьев растений под действием ряда физиологически активных веществ: растительных экстрактов, регуляторов роста, ингибиторов и активаторов фотосинтеза. В работе [24] были исследованы кривые медленной индукции флуоресценции листьев бобов непосредственно после введения в жилку растворов КаБ и установлены закономерные изменения в форме кривых, которые интерпретированы с учетом влияния фторида на перераспределение энергии возбуждения между фотосистемами. Цель данной работы -исследовать флуор есцентные показатели листьев бобов после более длительного (тр ехчасово-го) воздействия КаБ на лист растения с тем, чтобы установить различные аспекты его влияния на фотосинтетическую активность. В работе использована методика импульсной флуор имет-рии, позволяющая получить более детальную информацию о функционировании световых процессов фотосинтеза по сравнению с обыч-
ной, однолучевой схемой регистр ации флуор ес-ценции [25].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Проростки бобов Vicia faba L. (сорт «Русские чер ные») выращивали в пакетах с почвой объемом 0,5 л в лабораторных условиях с дополнительным о свещением лампой ESB143-65 W, продолжительность светового дня со -ставляла около 9 ч. В эксперименте использовали листья третьего яруса четырехнедельных проростков. Растворы фторида и хлорида натрия в концентр ации 2-10-2 М вводили в лист, не отрывая его от стебля, через центральную жилку с помощью медицинского шпр ица. Затем растение выдерживали 3 ч в затененном месте для естественного выведения излишка влаги из тканей листа.
Измерение кинетики флуоресценции Хл а листа и светотоиндуцированных изменений флуоресцентных параметров проводили на импульсном флуориметре PAM-2500 (Walz, Германия). Растение помещали в темную камеру, лист фиксировали в держателе флуориметра и выдерживали в течение 5 мин в полной темноте для стандартизации условий эксперимента. Протоколы измерения флуоресценции листа представлены на рис. 1. Флуоресценция возбуждается импульсным измер ительным светом (X = 630 нм, АХ = 5 нм, I = 10 мкмолей фотонов/(м2с), сразу после включения измерительного света определяется исходный уровень флуоресценции F0. Максимальный уровень флуоресценции Fm определяется при освещении листа насыщающей вспышкой света (X = 630 нм, т = 0,5 мс, I = 3400 мкмолей фотонов/(м2с). Далее лист освещается действующим светом (X = 455 нм, I = 150 мкмолей фотонов/(м2с), при этом каждые 20 с подаются насыщающие вспышки света. Через 20 мин освещения действующий свет выключается и происходит тем-новая релаксация, пр и которой образец нахо -дится под воздействием периодически подаваемых насыщающих вспышек. Вычисление коэффициентов фото- и нефотохимического тушения (qP и qN соответственно) производится по формулам: qP = (Fm - F)/(^m - F), qN = 1 - (Fm -F0)/(Fm - F0), где F0 - автоматически рассчитываемый, текущий уровень флуоресценции от измерительного света [25]. Характерные времена различных компонент нефотохимического тушения флуоресценции определяли по соответствующим кривым релаксации, полученным при освещении вспышками света высокой интенсивности после выключения действующего
Рис. 1. Характерные изменения интенсивности флуоресценции хлорофилла а листьев бобов, обработанных растворами КаС1 (вверху) и КаБ (внизу). И С - измерительный свет; ДС - действующий свет. Моменты включения измерительного света, включения и выключения действующего света показаны вертикальными стрелками, моменты вспышек света насыщающей интенсивности - зигзагообразными стрелками.
света. Основные закономерности, полученные в работе, воспроизводились в трех сериях из-мер ений, проведенны х на растениях р азных посадок. В таблице приведены средние значения, полученные в опытах на четырех разных ли-
Флуоресцентные показатели листьев бобов, обработанных растворами КаС1 и КаБ
Показатель КаС1 КаБ
Р0 0,68 ± 0,02 0,60 ± 0,02
3,12 ± 0,06 2,78 ± 0,04
(^ - 0,77 ± 0,01 0,78 ± 0,01
1,00 ± 0,05 0,88 ± 0,03
(^)стац 0,78 ± 0,04 0,55 ± 0,06
(дМ )Стац 0,45 ± 0,02 0,66 ± 0,06
(Рш - ^М 1,48 ± 0,06 1,23 ± 0,05
Обозначения в тексте и на рис. 1.
стьях одной посадки, и соответствующие среднеквадратичные ошибки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Установлено, что индукционные изменения флуоресценции листьев бобов, обработанных КаБ, имеют ряд о собенностей по ср авнению с контрольными образцами (рис. 1). Во-первых, общая интенсивность флуоресценции в случае инфильтрации КаБ (значения Еш, стационар ный уровень Т) была на 10-15% ниже, чем в контроле (таблица). Вероятно, это связано с тем, что выдерживание растений, обработанных ингибитор ом фосфатазы, на неярком свету при освещенности около 100 лк (от момента обра -ботки листьев до измерений) приводило к увеличению доли ССК, ассоциированных с Ф С I, в результате чего эффективный размер антенны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.