научная статья по теме ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИСТЬЕВ БОБОВ, ОБРАБОТАННЫХ ФТОРИДОМ НАТРИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИСТЬЕВ БОБОВ, ОБРАБОТАННЫХ ФТОРИДОМ НАТРИЯ»

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.

Показать целиком