БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2007, том 24, № 3, с. 195-217
== ОБЗОРЫ
УДК 577.355
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА К СТРЕССУ
© 2007 г. В. Д. Креславский, Р. Карпентиер*, В. В. Климов, Н. Мурата**, С. И. Аллахвердиев
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, 142290, Пущино, Московская обл., Россия;
*Groupe de Recherche en Biologie Végétale, Université du Québec à Trois-Rivières, C.P. 500, Québec, Canada, G9A 5H7;
** National Institute for Basic Biology, Okazaki 444-8585, Japan; факс: 7(096)-73-30-532; электронная почта: vkreslav@mail.ru или suleyman@issp.serpukhov.su
Поступила в редакцию 16.01.2007 г.
Рассмотрены механизмы действия стресс-индуцирующих факторов на фотосинтетический аппарат (ФА) растений, основные мишени теплового, холодового, солевого и осмотического стресса, а также света высокой интенсивности. Стрессовые факторы первично изменяют состав тилакоидных мембран и подавляют фотосинтетические процессы. Предполагается, что фотоповреждение обусловлено прямым воздействием света на кислород-выделяющий комплекс, а накопление активных форм кислорода приводит к подавлению синтеза белков de novo и к ингибированию восстановления фотосистемы 2 (ФС 2). Такие стрессовые факторы, как повышенные концентрации NaCl, умеренно высокие и низкие температуры, также подавляют восстановление фотоповрежденной ФС 2. Стресс стимулирует синтез защитных низкомолекулярных соединений - глицинбетаина, пролина, а также стрессовых белков. Рассмотрены основные механизмы адаптации ФА и его защиты от повреждающего и ингибирующего действия стрессовых факторов на свету различной интенсивности. Особенное внимание уделяется исследованиям, проводимым с использованием культуры клеток цианобак-терий, а также мутантов с повышенной или пониженной устойчивостью к определенным стрессовым факторам.
Растения часто подвергаются воздействию неблагоприятных природных факторов, таких как высокие и низкие температуры, сильная засоленность почв и свет высокой интенсивности. В ответ на эти воздействия в растении развивается стрессовая реакция и угнетаются многие физиологические функции. Как правило, одновременно действуют несколько неблагоприятных факторов, но в ответе растений на стресс часто участвуют сходные защитные и адаптивные системы. Например, холодовой стресс может вызвать развитие осмотического стресса [1], высокий уровень засоленности приводит к ионному и осмотическому стрессу [2, 3]. В результате фотоингибирования при засолении, тепловом и холодовом стрессах изменяется липидный состав тилакоидных мембран и их текучесть, что может защищать клетки от многих видов стресса [4-11].
Под действием экстремальных температур и избытка солей в той или иной степени усиливается
Сокращения: АФК - активные формы кислорода; БТШ -белки теплового шока; КВК - кислород-выделяющий комплекс; ОС - окислительный стресс; ССК - светособи-рающий комплекс; ФС - фотосистема; РЦ - реакционный центр; ФА - фотосинтетический аппарат; ЭТЦ - электрон-транспортная цепь; Хл - хлорофилл; СОД - су-пероксиддисмутаза.
образование активных форм кислорода (АФК). В процессе фотосинтеза АФК образуются прежде всего при транспорте электронов в хлоропластах [12-14] и ассимиляции С02 [15]. Накопление избыточных количеств АФК может приводить к снижению активности ряда хлоропластных ферментов, чувствительных к окислительному стрессу (ОС), и скорости образования АТР, а также к нарушению структуры тилакоидных мембран [16]. Согласно недавно предложенной схеме возможного механизма фотоингибирования, в присутствии избыточных количеств АФК подавляется синтез белка D1 и других фотосинтетических белков de novo, возможно, на стадии трансляции, как это показано для мРНК psbA, при увеличении внутриклеточного уровня Н202 [17] и синглетного кислорода [18]. Сходным образом подавляется синтез белка и, соответственно, восстановление фотоповрежденной ФС 2 при солевом стрессе и воздействии повышенных и пониженных температур [19].
С другой стороны, АФК, которые образуются при стрессе, участвуют в передаче сигнала, запускающего защитные и адаптивные механизмы клетки [20-22], в частности, на уровне фотосинтетических реакций [23]. Другими общими мессен-
джерами в цепи трансдукции стрессового сигнала являются липиды, белки и Са2+ [11, 22, 24, 25].
При умеренном стрессе повреждение ФА обычно обратимо и со временем устраняется. Однако при достаточно сильном ОС, независимо от его природы, в клетках развиваются интенсивные окислительные процессы, постепенно развивается перекисное окисление липидов, повреждаются белки и нуклеиновые кислоты [16, 23, 26, 27], в результате чего повреждение ФА, в первую очередь тилакоидных мембран, становится необратимым.
Таким образом, при стрессе в клетках возрастает количество АФК, которые в случае сильного стресса могут необратимо повреждать ФС 2 и другие фотосинтетические структуры [16, 28]. При умеренном стрессовом воздействии, индуцированном повышенными и пониженными температурами, а также засолением, одновременно с фотоин-гибированием наблюдается подавление синтеза белков и восстановление фотоповрежденной ФС 2, а не прямое повреждение этой ФС [19, 29].
Следует заметить, что при физиологических условиях ФС 2 часто более чувствительна к фотоповреждению, чем многие другие системы ФА [26, 30, 31]. Например, у цианобактерии Synechocystis sp. РСС 6803 ФС 2 гораздо более чувствительна к фотоингибированию, чем ФС 1 [32].
Клетки аэробных организмов выработали несколько механизмов защиты ФА от ОС и приспособления к нему. Одним из основных механизмов защиты ФА от повреждения является вовлечение антиоксидантной системы, которая нейтрализует негативное действие стресса, превращая АФК в нетоксичные продукты [21, 33-36]. В ответ на повышение уровня АФК возрастает активность как антиокислительных ферментов, так и низкомолекулярных антиоксидантов [12, 13, 34, 37]. В частности, в хлоропластах, которые являются основным местом образования АФК в листьях, работает ас-корбат-глутатионовый цикл [14], а также активны супероксиддисмутазы (СОД) Fe и Си^п [36]. При развитии ОС усиливается активность этого цикла, а также Fe-СОд, Си^п-СОД и других антиокислительных ферментов.
При стрессе также индуцируется синтез различных "защитных" соединений, в том числе белков теплового шока (БТШ), некоторых аминокислот, осмотически активных соединений, абсцизовой кислоты, каротиноидов и др. Важным защитным механизмом является изменение липидного состава мембран, например изменение соотношения ненасыщенных и насыщенных жирных кислот [4-6, 8, 9]. Следует отметить также стимуляцию синтеза наиболее устойчивых к данному виду стресса изо-форм ферментов. Формой защиты может быть подавление роста растений и фотохимических реакций в хлоропластах [7]. Образующиеся при стрессе токсины могут выводиться из клетки, связываясь
со специфическими белками-переносчиками [38], или накапливаться в определенных компартмен-тах клетки [7].
В настоящее время действие различных стрессов на фотосинтез часто изучают с использованием клеточных культур, прежде всего, цианобак-терий. Преимущество этих культур состоит в том, что они осуществляют оксигенный фотосинтез и обладают ФА, сходным с ФА высших растений [39]. Кроме того, они способны к хорошей адаптации к стрессам различной природы, не имеют плотной клеточной оболочки, которая препятствует проникновению в клетку экзогенных соединений, а их антиоксидантные системы хорошо изучены [32, 40, 41].
Внутриклеточные системы регуляции можно разделить на метаболическую, мембранную и генетическую. Это, конечно, в определенной степени условное деление, поскольку все системы связаны между собой. Следовательно, механизм повреждения и адаптации растений к действию различных стрессов можно рассматривать на уровне упомянутых систем.
Одним из основных метаболических процессов, обеспечивающих устойчивость растений стрессу, является энергообеспечивающий процесс фотосинтеза. Особенно интересен механизм влияния на фотосинтез экстремальных температур и избыточного засоления в сочетании со слишком низким или высоким уровнем освещенности, поскольку именно эти факторы наиболее часто действуют на растения. Фотосинтез происходит в хлоропластах, поэтому целостность и состояние мембран тилако-идов, а также эффективность функционирования ФС имеет ключевое значение в устойчивости растений к стрессам. Именно эти два основных аспекта устойчивости и адаптации растений к стрессам рассмотрены в нашем обзоре, в котором обсуждаются эффекты и механизмы действия ряда типичных стрессов окружающей среды.
ФОТОИНГИБИРОВАНИЕ
Свет, интенсивность которого превышает интенсивность света, насыщающего фотосинтез, даже при благоприятных условиях вызывает снижение активности ФА, прежде всего ФС 2 (фотоповреждение или фотоингибирование), у растений, выросших при слабом освещении [42, 43]. ФС 2 -основная мишень фотоингибирования, ФС 1 также ингибируется, но в меньшей степени [44]. Фотоингибирование играет важную защитную роль, так как снижает скорость переноса электрона при действии света достаточно высокой интенсивности и характеризуется образованием фотохимически неактивных реакционных центров (РЦ) ФС 2, в которых энергия трансформируется в тепло [43, 44].
Мишени повреждения и защитные механизмы.
В ряде ранее проведенных исследований было показано, что повреждение, индуцированное светом, проявляется, прежде всего, в РЦ ФС 2 и определяется, главным образом, скоростью деградации и ресинтеза одного из ключевых белков ФС 2 - D1 [30, 31, 45-47]. Среди белков тилакоидной мембраны именно этот белок имеет максимальную скорость синтеза [48].
Повреждение ФС часто изучают in vitro, например, на выделенных тилакоидных мембранах. Однако в интактных клетках кроме фотоповреждения происходит восстановление фотоповрежден-ной ФС 2, поэтому фотоингибирование in vivo проявляется как следствие нарушения баланса между фотоповреждением и восстановлением поврежденной ФС 2 [17, 29, 49]. В опытах на клетках цианобактерий удалось разделить эти два процесса - фотоповреждение ФС 2 и восстановление фо-топоврежденной ФС 2.
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.