ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 720-727
= ЭКОЛОГИЯ =
УДК 577.47+577.12:581.13
МЕХАНИЗМ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ИЗОТОПОВ УГЛЕРОДА ПРИ ФОТОСИНТЕЗЕ И УГЛЕКИСЛОТНАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ
ПАРНИКОВОГО ЭФФЕКТА
© 2007 г. А. А. Ивлев*, В. И. Воронин**
*Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, 127550 Москва, ул. Тимирязевская, 49 **Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАИ, 664033 Иркутск, ул. Лермонтова, 132
Е-mail: aa.ivlev@g23.relcom.ru Поступила в редакцию 31.11.2006 г.
В рамках предложенного ранее осцилляционного механизма фотосинтеза, согласно которому ассимиляция С02 и фотодыхание представляют два реципрокных сопряженно осциллирующих процесса, контролируемых переключениями рибулозо-бисфосфат карбоксилазы/оксигеназы, дано объяснение связи между глобальным потеплением климата Земли, в значительной мере вызванным повышением концентрации С02 в атмосфере, и изменением изотопного состава углерода растений. Это объяснение находит подтверждение в изменении изотопного состава углерода годичных колец деревьев и свидетельствует о том, что до 90-х гг. XX в. обогащение легким изотопом 12С углерода годичных колец деревьев было результатом усиления фотосинтетической ассимиляции С02. Последующее наблюдаемое резкое обогащение углерода годичных колец изотопом 13С, продолжающееся по настоящее время, свидетельствует о том, что произошла утеря компенсирующей роли фотосинтеза бореальных лесов для климата Земли.
Одну из главных угроз человечеству в XXI в. представляет глобальное потепление климата Земли, вызванное парниковым эффектом. Многие связывают его с поступлением в атмосферу значительных количеств углекислого газа, образующегося при сжигания топлива. Согласно научному отчету, подготовленному большой группой ученых для межправительственной комиссии (IP-CC, 2007), с постиндустриального уровня С02 в среде, составлявшего 280 ррm, концентрация CO2 выросла до 379 ррm в 2005 г. Причем только за последние 10 лет (1995-2005 гг.) прирост С02 составил 1.9 ррm в год. По некоторым оценкам (Sellers et al, 1997) ежегодно в атмосферу Земли поступает до 7 млрд. т углерода. Из них 3 млрд. т остается в ней, 2 млрд. т абсорбируется океаном и 2 млрд. т, как полагают, связывается при фотосинтезе.
Осциллирующий механизм функционирования фотосинтезирующей клетки. Связь с факторами внешней среды. Чтобы понять механизм регуляции фотосинтезом содержания С02 в атмосфере, необходимо рассмотреть как происходит сопряжение фотоассимиляции и фотодыхания на уровне самой клетки. В основе сопряжения незатухающие осцилляции углеродного метаболизма, состоящие в периодических переключениях функционирования клетки с ассимиляции С02 на фотодыхание и обратно (Ivlev et al., 2004). Переключения осуществляются ферментом рибулозо-бисфосфат
карбоксилазой/оксигеназой (РБФК/О) благодаря его способности работать как карбоксилаза и как оксигеназа в зависимости от соотношения в клетке концентраций О^СО2 (Laing et al, 1974; McFadden, 1974). Согласно предложенному механизму (Ivlev et al., 2004), изменение соотношения концентраций 02/С02 происходит за счет различия скоростей диффузии С02 в клетку и из нее, с одной стороны, и скоростей реакций карбоксилирования рибулоз-обисфосфат карбоксилазы/оксигеназы (РиБФ) и декарбоксилирования глицина, - с другой. Первые медленнее, чем вторые. Обоснование этого гипотетического механизма дано в упомянутой работе, здесь же мы сошлемся на имеющиеся экспериментальные свидетельства существования осцилля-ций, не связанные с изотопными данными по углероду. Они следующие.
1. Обнаружение осцилляций концентраций С02 в межклеточном пространстве листа табака при концентрациях близких к точке компенсации, т.е. в условиях, когда фотодыхание проявляется в наибольшей степени (Roussel et al., 2006);
2. Постиллюминационный всплеск выдыхаемого С02 (post-illumination burst, PIB), свидетельствующий о разновременности ассимиляции С02 и окисления части ассимилированного углерода при фотодыхании (Bulley, Tregunna, 1971; Atkin et al., 1998, 2000);
3. Обогащение выдыхаемого растением кислорода тяжелым изотопом 18О, обнаруженное
Верхний уровень С02, включающий карбоксилазную функцию РБФК/О
1 Уровень С02 в атмосфере
I ] I \ I
Нижний уровень С02, включающий оксигеназную функцию РБФК/О
Оксигеназная фаза
II
III
IV
Полный цикл
Рис. 1. Предполагаемый механизм переключения РБФК/О с карбоксилазной функции на оксигеназную и обратно в фотосинтезирующей клетке. Стрелками показано влияние на концентрацию СО2 в клетке: левая - диффузии, правая - ферментативных реакций карбоксилирования и декарбоксилирования.
еще в 1959 г. и подтвержденное последующими работами (Виноградов и др., 1960; Кутюрин, 1972). Оно, как показали авторы, является следствием исчерпывания кислорода, образовавшегося при фотосинтезе, на световое дыхание, сопровождающееся изотопным эффектом (эффектом Релея). Исчерпывание происходит потому, что кислород образуется порциями благодаря дискретному поступлению СО2 в клетку при ассимиляции (Ивлев, 1989).
4. Результаты исследования индукционных кривых замедленной люминесценции хлорофилла, свидетельствующие о влиянии фотодыхания на электрон-транспортную цепь (фотосистему II) (8а1оЬ, Ка1оЬ, 1983). Как показал анализ индукционных кривых (Кукушкин, Солдатова, 1996), в спектре замедленной люминесценции хлорофилла должны быть два пика, отражающие влияние цикла Кальвина (ассимиляции СО2) и гликолат-ного цикла (фотодыхания) на электрон-транспортную цепь, разделенные интервалом в 1.6 с, что говорит о разновременности этих процессов.
Хотя длительность осцилляций не определена, по косвенным оценкам, полученным в упомянутых работах, она составляет от десятых долей до нескольких секунд.
Полагая гипотезу о фотосинтетических осцил-ляциях верной, периодические изменения концентраций СО2/О2, обеспечивающие переключения РБФК/О в клетке, и возникновение осцилляций
могут быть описаны следующим образом (1у1еу ^ а1, 2004).
В карбоксилазную фазу концентрация СО2 в клетке падает, поскольку скорость реакции ферментативного карбоксилирования РиБФ больше скорости диффузии СО2 в клетку. Однако из-за убывания субстрата различие в скоростях ферментативной реакции и диффузии снижается (рис. 1, отрезок 1-2) и при некоторой концентрации СО2 (рис. 1, точка 2) происходит переключение фермента на оксигеназную функцию. В окси-геназную фазу концентрация СО2 в клетке начинает расти (рис. 1, отрезок 1-3), так как скорость глициндекарбоксилазной реакции в клетке суммируется со скоростью поступления СО2 в клетку из среды. Затем рост СО2 замедляется из-за снижения скорости ферментативной реакции вследствие исчерпывания субстратов РиБФ и О2. После того как концентрация СО2 в клетке становится выше, чем в среде, начинается собственно дыхание - выброс углекислого газа из клетки (рис. 1, отрезок 3-4), происходящий за счет диффузии. При этом рост концентрации СО2 в клетке еще более замедляется, так как глициндекарбок-силазная реакция и диффузия действуют на концентрацию СО2 в противоположных направлениях. По достижении некоторого максимального значения концентрации СО2 (рис. 1, точка 4), определяемого внешними факторами, происходит переключение фермента на карбоксилазную функцию. Концентрация СО2 в клетке вслед-
ствие меньшей скорости диффузии по сравнению со скоростью РиБФ-карбоксилазной реакции начинает падать (рис. 1, отрезок 4-1'). Далее все процессы периодически повторяются.
В аспекте данной работы наиболее интересен вопрос, как контролируются точки 2 и 4 триггер-ного переключения фермента (рис. 1) с карбокси-лазной функции на оксигеназную. Эти точки определяют протяженность карбоксилазной и оксигеназной фаз. Мы полагаем, что длительность фаз контролируется внешними факторами, которые в конкретных условиях среды являются критичными для метаболизма (лимитирующими скорость процесса). В благоприятных для организма условиях больший вклад дает ассимиляционная составляющая, контролируемая длительностью карбокслазной фазы, а в неблагоприятных стрессовых условиях большую роль начинает играть фотодыхательная составляющая, контролируемая длительностью оксигеназной фазы. На роль дыхания в формировании адаптационного синдрома указано в работе Усма-нова с соавт. (2001). Среди факторов, определяющих эволюцию фотосинтезирующей жизни и земной атмосферы, основная роль отводится отношению концентраций С02 и 02 в среде и температуре (Igamberdiev, Lea, 2005). При исследовании углекислотного газообмена хвойных в Предбай-калье показано, что температурный стресс увеличивает дыхание хвои у сосны в 7 раз, а у лиственницы в 3 раза (Суворова и др., 2005). В конечном счете, влияние внешних факторов проявляется в изотопном составе углерода биомассы и, в частности, в изотопном составе углерода годичных колец.
Изотопное фракционирование углерода в биомассе фотосинтезирующей клетки как показатель ассимиляционной и фотодыхательной активности фотосинтезирующих организмов. Для последующего анализа принципиально важно то, что каждый из названных процессов сопровождается фракционированием изотопов углерода с эффектами противоположными по знаку (Ивлев, 1993). При ассимиляции С02 происходит обогащение углерода биомассы изотопом 12С. Фотодыхание обогащает биомассу тяжелым изотопом 13С.
Таким образом, противоположность знаков изотопных эффектов порождает в фотосинтезирующей клетке два изотопноразличающихся углеродных потока: поток углеродных субстратов, связанных с углеводами, образующимися при ассимиляции, и поток углеродных субстратов, связанных с углеводами, образуемыми при фотодыхании. Вклад этих потоков в синтезируемую биомассу зависит от интенсивности фотоассимиляции и фотодыхания (Ивлев, 2004). Это позволяет использовать изотопный состав углерода биомассы фото-
синтезирующих организмов как способ оценки интенсивности указанных процессов, а следовательно, как способ изучения регуляции посредством фотосинтеза содержания СО2 в атмосфере. Этот способ был использован нами при изучении средорегулирующей способности деревьев, а в качестве объекта исследования был выбран
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.