ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 6, с. 846-854
УДК 581.1
ДЕСТРУКЦИЯ ПИГМЕНТОВ И УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЦИАНОБАКТЕРИЙ ПРИ ФОТОПОВРЕЖДЕНИИ
© 2004 г. О. И. Баулина, О. Б. Чивкунова, М. Н. Мерзляк
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва
Поступила в редакцию 30.01.2004 г.
Исследованы последовательные стадии деградации пигментов и ультраструктурных изменений ци-анобактерий Anabaena variabilis ATCC 29413, Synechococcus sp. PCC 6301 (Anacystis nidulans) и S. elon-gatus B-267 при облучении клеточных суспензий светом высокой интенсивности. Ранним проявлением фотоокислительной деструкции являлись глубокие изменения ультраструктуры тилакоида, которые у A. variabilis (в отличие от A. nidulans и S. elongatus) выявлялись еще до выцветания пигментов. Наряду с этим происходила гомогенизация цитоплазматического матрикса, деградация нук-леоида и у некоторых видов нарушалась ультраструктура цитоплазматической мембраны и клеточной стенки. У A. variabilis эти изменения были сопряжены с последующим автолизом клеток. Представители рода Synechococcus демонстрировали относительную устойчивость к действию света. Сопоставление полученных данных с результатами ранее проведенных исследований поведения этих же видов при культивировании в фотоокислительных условиях, показало принципиальное сходство, а также видовые особенности деструктивных изменений тилакоидов и других компонентов клеток цианобактерий.
Цианобактерии - фотоповреждение - ультраструктура - пигменты - тилакоиды
Цианобактерии, являющиеся древнейшими организмами, осуществляющими оксигенный фотосинтез, выработали различные системы для защиты от токсичности кислорода, обусловленной образованием различных его активированных форм и особенно вероятной при высоких потоках солнечного излучения [1-3]. Тем не менее, во многих ситуациях они подвержены фотоповреждениям окислительного характера, которые часто бывают необратимы [1, 4-7] - феномен, получивший название "фотоокислительной гибели" [4]. Прокариотные клетки цианобактерий в силу своей структурной организации и как эволюционные предшественники хлоропластов [8] являются интересной системой для изучения путей развития фотоокислительных повреждений у фототро-фов.
Развитие процессов по типу фотоокисления, приводящих к деструкции пигментов, тилакоид-ных мембран, основных макромолекулярных комплексов клеток, включая рибосомы и нуклео-
Сокращения: Кар - каротиноиды; НМ - наружная мембрана; Фб - фикобилины; Хл - хлорофилл; ЦПМ - цитоплазма-тическая мембрана.
Адрес для корреспонденции: Мерзляк Марк Нисонович. 119992 ГСП-2 Москва, Воробьевы горы, Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра физиологии микроорганизмов. Факс: (095) 939-38-07; электронная почта: m_merzlyak@mail.ru; тпт@6.СеШтт.Ью.т8и.ги
ид, а также к изменениям в структуре пептидогли-канового слоя клеточной стенки, были впервые описаны у фотоавтотрофной цианобактерии Anabaena variabilis CALU 458 при перенесении культур, длительно инкубированных в темноте, в оптимальные условия освещения. Несмотря на глубокие нарушения ультраструктуры, такие клетки не подвергались лизису в течение длительного периода наблюдения (до 4 мес.) [5, 9]. Сходные изменения в клетках этого же штамма Anabaena, а также Synechococcus sp. PCC 6301 (Anacystis nidulans) наблюдали на стадиях замедления роста культуры в экстремальных для этих цианобактерий условиях освещения [10, 11]. Культивирование A. variabilis B 337 в условиях интенсивного освещения приводило к выцветанию пигментов клеток, что сопровождалось существенным уменьшением количества внутримембранных макромолекулярных комплексов, соответствующих ФС II, и подавлением фотосинтетической активности [12]. При повышенной температуре, действии некоторых ингибиторов метаболизма, отсутствии С02 у А. nidulans также происходила деструкция фотосинтетических мембран, потеря активности ФС II и выцветание хлорофилла (Хл) [13].
B настоящей работе мы изучили изменения содержания пигментов и ультраструктуры этих же видов цианобактерий, а также Synechococcus elongatus B-267, при облучении клеточных суспензий светом высокой интенсивности в видимой части
ДЕСТРУКЦИЯ ПИГМЕНТОВ И УЛЬТРАСТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ 0.8
ло
S. elongatus
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Длина волны, нм
Рис. 1. Изменение спектров поглощения суспензий клеток S. elongatus и A. variabilis в ходе облучения. Цифры - время облучения в мин. Толстые линии и подчеркнутые цифры соответствуют образцам, которые были взяты для электронной микроскопии.
спектра. При этом предполагалось проследить в реальном времени последовательные стадии деградации Хл, каротиноидов (Кар) и фикобилинов (Фб) при электронно-микроскопическом контроле возможных деструктивных изменений в клетках. Постановка таких модельных экспериментов необходима для выяснения того, в какой степени изменения, вызванные действием света высокой
интенсивности, сопоставимы с картиной деструкции клеток этих микроорганизмов при культивировании в "фотоокислительных условиях".
МЕТОДИКА
Условия культивирования цианобактерий.
Культуры Зупвскососсш 8р. РСС 6301 (ЛпасузПз
nidulans) и Anabaena variabilis АТСС 29413 выращивали при 28°С на качалке при 100 об / мин в 100 мл жидкой минеральной среды BG-11 [14] в колбах объемом 750 мл при непрерывном освещении люминесцентными лампами (2 клк). Термофильную цианобактерию Synechococcus elong-atus B-267 культивировали на среде Kratz и Myers [15] при 55°С и продувании воздухом с добавлением 0.2% С02. Освещенность на начальных стадиях роста (2 сут) составляла 1.5 клк и на более поздних стадиях (3-5 сут) - 6 клк. Культуры исследовали в конце логарифмической фазы роста.
Условия облучения суспензий. B качестве источника излучения в видимой области использовали осветитель с 150 Bт галогеновой лампой накаливания КГМ 150/24 (Россия). Облучение проводили в 1-сантиметровых спектрофотометрических кюветах через 5-сантиметровый водный фильтр и 5-миллиметровый граничный светофильтр БС-8 (интенсивность 5.5 мэйнштейн/(м2 с)).
Спектральные измерения. Спектры поглощения суспензий клеток регистрировали на спектрофотометре Hitachi 150-20 (Япония), снабженном интегрирующей сферой. Измерения проводили при двух положениях кюветы: вплотную и на расстоянии около 1 см от входного окна интегрирующей сферы; коррекцию на рассеяние осуществляли, как описано ранее [16].
Электронная микроскопия. Обработку и изучение препаратов необлученных клеток и клеток на определенных стадиях выцветания пигментов проводили, как описано ранее [17], используя цитрат свинца для контрастирования.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Спектры поглощения суспензии клеток A. vari-abilis и S. elongatus, а также A. nidulans (не показано), характеризуются достаточно разрешенными полосами поглощения Хл a, Фб и Кар с максимумами, соответственно, около 680, 626 и 480 нм (рис. 1). На этом же рисунке показаны изменения спектров в ходе облучения (спектры поглощения для An. nidulans не приведены, поскольку в целом характер их изменения оказался подобен таковому S. elongatus). На ранних этапах облучения (от 10 до 30 мин) можно было наблюдать незначительный рост максимумов поглощения Фб. Как видно из рисунка, в результате облучения выцветание пигментов происходило после определен-
ного лаг-периода. При дальнейшей экспозиции происходило снижение оптической плотности в полосах поглощения всех пигментов. Судя по изменениям оптической плотности при 480 нм, на начальных этапах фотодеструкции разрушение Кар у изученных цианобактерий протекало достаточно синхронно с Хл. На терминальных стадиях у S. elongatus сохранялись лишь небольшие количества Кар. По сравнению с Хл, в клетках A. variabilis разрушение Фб происходило более высокими темпами вплоть до их исчезновения при длительной экспозиции. У S. elongatus (и так же у A. nidulans) Фб присутствовали даже при практически полном выцветании Хл.
S. elongatus имел характерную для данного вида морфологию и ультраструктуру (рис. 2а). Как правило, 5-6 тилакоидов, имеющих типичное для цианобактерий строение - две плотно прижатые друг к другу трехслойные мембраны - окружали центральную часть клетки (рис. 2а, 26). Цитоплазма характеризовалась высокой плотностью, вследствие чего фикобилисомы на наружной поверхности тилакоидов не выявлялись. Между ти-лакоидами располагались редкие а-гранулы гликогена и гранулы средней электронной плотности, по-видимому, липидной природы. Рибосомы заполняли все пространство между внутренним тилакоидом и тонкофибриллярным нуклеоидом, в зоне которого локализовались карбоксисомы и структуры, подобные гранулам поли-Р-оксибути-рата (рис. 2а).
B течение лаг-периода, предшествующего выцветанию пигментов (60 мин), ультраструктура основной массы клеток была полностью сходна с интактной. Bместе с тем, уже в этот период были обнаружены единичные клетки с деструктивными изменениями тилакоидов, цитоплазматичес-кого матрикса и нуклеоида (рис. 2в). При облучении в течение 180 мин измененные клетки присутствовали в суспензии в значительном количестве (рис. 2г). B таких клетках фотосинте-зирующие мембраны утрачивали трехслойность. Тилакоиды представляли собой фрагменты параллельных линий средней электронной плотности. B то же время видимые деструктивные изменения цитоплазматической мембраны (ЦПМ) в таких клетках, как правило, не выявлялись. Ци-топлазматический матрикс становился гомогенным, мелкозернистым, равномерно распределенным между плохо выявляющимися контурами
Рис. 2. Ультраструктура клеток З. (а-д) и А. тйы1ат (е) до (а и б) и после (в-е) облучения.
Время облучения (мин): в - 60, г - 180, д - 240 и е - 360. а - а-гранулы; Г - гранулы, подобные липидным; Гл - слой, подобный гликокаликсу; ГП -структура, подобная грануле поли-Р-оксибутирата; К - карбоксисома; КС - клеточная стенка; КТ - контуры тилакоидных мембран; Н - нуклеоид; НМ - наружная мембрана; ПС - пептидогликановый слой; Р - рибосомы; Т - тилакоид; ЦМ - гомогенный цитоплазматический матрикс; ЦПМ - цитоплазматическая мембрана. Одной и двумя стрелками (в) указаны, соответстве
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.