научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНЕГО КРАСНОГО СВЕТА НА ИНДУКЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БЫСТРОЙ И ЗАМЕДЛЕННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И РЕДОКС-СОСТОЯНИЯ Р700 У SCENEDESMUS QUADRICAUDA Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНЕГО КРАСНОГО СВЕТА НА ИНДУКЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БЫСТРОЙ И ЗАМЕДЛЕННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И РЕДОКС-СОСТОЯНИЯ Р700 У SCENEDESMUS QUADRICAUDA»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2015, том 62, № 2, с. 229-238

= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 581.1:574.632:582.263

ВЛИЯНИЕ ДАЛЬНЕГО КРАСНОГО СВЕТА НА ИНДУКЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БЫСТРОЙ И ЗАМЕДЛЕННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ И РЕДОКС-СОСТОЯНИЯ Р700 У ЗеенейеБтт quadricauda © 2015 г. В. В. Ленбаум, А. А. Булычёв, Д. Н. Маторин

Кафедра биофизики, биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва Поступила в редакцию 08.07.2014 г.

Спектральный состав солнечного света в природных водоемах зависит от глубины и меняется в течение суток. Изменение доли дальнего красного света (ДКС) в освещении приводит к перераспределению поглощения световой энергии между двумя фотосистемами. В опытах с культурой Бсвпв-йвятт quadricauda показано влияние предварительного освещения ДКС на фотосинтетический перенос электронов и связанные с ним процессы в клетках микроводорослей. С помощью анализатора фотосинтетической эффективности М-РЕА-2 проведены одновременные измерения индукционных кривых быстрой флуоресценции, замедленной флуоресценции и окислительно-восстановительных превращений Р700. Полученные результаты позволяют обсуждать влияние предварительного действия ДКС на циклический и нециклический потоки электронов, а также переходы части светособирающего комплекса ФС II между состояниями 1 и 2. Выявлены сходные черты и существенные различия во влиянии ДКС на перенос электронов в микроводорослях и листьях высших растений.

Ключевые слова: Scenedesmus quadricauda — флуоресценция хлорофилла — фотосинтез — дальний красный свет — регуляция

БОТ: 10.7868/8001533031502013Х

ВВЕДЕНИЕ

Фотосинтетический перенос электронов в клетках зеленых растений подвержен тонкой регуляции, зависящей от соотношения между количеством поглощаемой световой энергии и возможностями ее использования в темновых реакциях фотосинтеза. Регуляторные изменения обусловлены структурной лабильностью тилако-идных мембран, наличием альтернативных электрон-транспортных путей и генерацией электрохимического градиента протонов между люменом и стромой хлоропластов [1—4]. Изменения состояния фотосинтетического аппарата и путей переноса электронов могут проявляться по-разному у высших растений и зеленых микроводорослей

Сокращения: БФ — быстрая флуоресценция хлорофилла; ДКС — дальний (длинноволновый) красный свет; ЗФ — замедленная флуоресценция хлорофилла; РЦ — реакционный центр; ФНР — ферредоксин-НАДФ-редуктаза; Р700 — пигмент РЦ ФС I; PQ — пластохинон; QA и Qв — первичный и вторичный хинонные акцепторы электрона. Адрес для корреспонденции: Маторин Дмитрий Николаевич. 119991 Москва, Воробьевы горы. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, кафедра биофизики. Электронная почта: matorin@biophys.msu.ru

как объектов, относящихся к разным систематическим группам. Для выявления роли электрохимического градиента протонов (Дцн+) в регуляции путей переноса электронов важную роль играет возможность одновременной регистрации окислительно-восстановительного состояния переносчиков на уровне ФС II и ФС I, а также процессов энергизации мембран в индукционный период фотосинтеза.

В настоящее время появилась возможность с помощью флуориметра М-РЕА-2 проводить одновременные измерения индукционных кривых флуоресценции хлорофилла ФС II, редокс-состо-яния хлорофилла реакционного центра ФС I — Р700, а также миллисекундных компонент замедленной флуоресценции, чувствительных к изменениям мембранного потенциала Дф и градиента протонов ДрН [5—8].

Параллельные измерения этих параметров на М-РЕА-2 в листьях гороха выявили различную чувствительность фотосинтетического транспорта электронов к устранению электрической и химической (Дф и ДрН) компонент Д^н+ [8]. Модификация ионной проводимости тилакоидов с по-

мощью ионофоров позволила обнаружить смену лимитирующих стадий, играющих роль "узкого звена" в потоке электронов по цепи переносчиков. Инфильтрация листьев валиномицином, повышающим величину ДрН при снижении Дф в индукционный период, усиливала торможение потока электронов на участке окисления пластохинона, а действие протонофора нигерицина, снижающего ДрН, устраняло это узкое звено и усиливало чувствительность транспорта электронов к предварительному освещению дальним красным светом (ДКС), поглощаемым только ФС I [8]. Это проявлялось в существенной модификации индукционных кривых флуоресценции инфильтрированных листьев, адаптированных к темноте и подвергнутых предварительному освещению ДКС.

Влияние ДКС на транспорт электронов и индукционные кривые флуоресценции связано с окислением пула пластохинона, что нарушает условия для циклического потока электронов в начальный период освещения, а также восстанавливает переносчики в акцепторной части ФС I, способствуя активации ферредоксин-НАДФ ре-дуктазы (ФНР) при ее переходе из неактивного темнового состояния. Один из возможных механизмов влияния ДКС на транспорт электронов состоит в обратимых переходах фотосинтетического аппарата между состояниями 1 и 2 при изменениях редокс-состояния пула пластохинонов [9]. Переходы между состояниями 1 и 2, связанные с изменениями размера антенны ФС II при несбалансированном распределении поглощения световой энергии между двумя фотосистемами, наиболее ярко выражены у зеленых микроводорослей, таких как Chlorella и Scenedesmus [9—11]. В связи с этим представлялось важным исследовать влияние ионофоров и ДКС на индукционные процессы в одноклеточных зеленых водорослях, которые являются одним из основных компонентов фитоценоза пресноводных водоемов.

Цель данной работы состояла в анализе одновременно измеренных индукционных кривых быстрой и замедленной флуоресценции хлорофилла и редокс-состояния хлорофилла Р700 в клетках микроводорослей Scenedesmus quadricau-da при их обработке ионофорами, изменяющими относительный вклад Дф и ДрН в электрохимический градиент протонов на тилакоидных мембранах, а также в зависимости от предварительного освещения водорослей длинноволновым красным светом, селективно возбуждающим ФС I. Полученные результаты указывают на важную роль электрохимических процессов в регуляции фотосинтетического транспорта электронов у одноклеточных водорослей и выявляют ряд особенностей влияния ДрН на транспорт электронов и сопряженные процессы в клетках одноклеточных водорослей и высших растений.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования использовали культуру одноклеточной пресноводной водоросли Scenedesmus quadricauda, выращенной на двукратно разбавленной среде Тамия при температуре 24 ± 2°С, постоянном освещении 30 мкЕ/(м2 с) и постоянном перемешивании.

Индукционные кривые быстрой флуоресценции хлорофилла (БФ), замедленной флуоресценции (ЗФ) и окислительно-восстановительные превращения Р700 измеряли с помощью прибора М-РЕА-2 (Multi-function Plant Efficiency Analyser, "Hansatech", Англия), который регистрирует все три параметра одновременно.

Регистрацию быстрой и замедленной флуоресценции производили при чередовании действующего красного света (интенсивность 1000 мкЕ/(м2 с), максимум в спектре излучения 627 нм) и темновых интервалов малой длительности, достаточной для регистрации ЗФ. Индукционную кинетику флуоресценции измеряли с максимальным временным разрешением 0.01 мс; достоверные измерения редокс-состояния Р700 начинались с момента 0.7 мс после включения света [5, 6]; продолжительность записи составляла 60 с. Динамика ЗФ отражает изменения интенсивности свечения на шкале 0.1—0.9 мс в интервалах между импульсами действующего света. Характеристики и протокол измерений на приборе M-PEA-2 был подробно описан ранее [5, 6].

Перед началом измерений образцы водорослей концентрировали на мембранном фильтре и выдерживали в темноте в течение 10 мин во влажном состоянии. Эти условия подготовки образцов к регистрации параметров считали контрольными. Важно отметить, что анализатор М-РЕА-2 оптимизирован для измерений на листьях. В связи с высокой плотностью иммобилизованных клеток водорослей после их осаждения на фильтре отношение сигнала к шуму в записях исследуемых параметров было не хуже, чем на листьях. Среднее содержание хлорофилла в клетках на фильтре составляло ~400 мг/м2, что сопоставимо с его содержанием в листьях высших растений (около 500 мг/м2). Контрольные измерения флуоресценции на суспензиях S. quadricauda в кюветах с помощью флуориметра Aqua-Pen ("Photon Systems Instruments", Чехия) показали, что применение процедуры обогащения проб на фильтре не оказывало влияния на физиологическое состояние клеток [12, 13].

Для изучения влияния длинноволнового красного света (ДКС) на культуру водорослей S. quadricauda фильтр с нанесенными на него клетками освещали в течение 1 мин красным светом c интенсивностью 1000 мкЕ/(м2 с), а затем выдерживали образец в темноте в течение 2 мин. После

этого фильтр с образцом подвергали предварительному освещению ДКС (длина волны 735 ± ±15 нм) в течение 30 с при интенсивности 300 мкЕ/(м2 с), и через 30 с после затемнения образец освещали действующим красным светом в течение 1 мин. Результаты измерений записывали в период освещения действующим красным светом.

Для проведения опытов с валиномицином и нигерицином культуру водорослей инкубировали в течение 5 мин в присутствии растворов этих ионофоров в номинальной концентрации 10-5 М. Следует отметить, что в среде культивирования водорослей концентрация К+ составляла примерно 30 мМ, что достаточно для проявления ионофор-ного действия валиномицина. В работе использовали валиномицин производства "Calbiochem" (США) и нигерицин фирмы "Sigma" (США).

На рисунках представлены кинетические кривые индукции БФ, ЗФ и окислительно-восстановительные превращения Р700 после включения действующего красного света. Индукционные кривые флуоресценции хлорофилла нормировали к уровню O (/0), т.е. представляли их в виде отношения FJF0 как функцию времени.

Индукционные изменения редокс-состояния хлорофилла Р700 (сигналы ДА820) представлены в виде отношения 1/10, характеризующего поглощение Р700+ в области 820 нм [5], где 10 и I — интенсивности модулированного света (к = 820 нм), попадающе

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