ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 62-72
УДК 581.1
ИЗМЕНЕНИЕ ОБМЕНА ЛИПИДОВ ПРИ АДАПТАЦИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА Dunaliella salina К ВЫСОКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СО2
© 2004 г. Е. А. Мурадян, Г. Л. Клячко-Гурвич, Л. Н. Цоглин, Т. В. Сергеенко, Н. А. Пронина
Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 27.11.2002 г.
Исследовали влияние С02 на содержание и состав жирных кислот (ЖК) липидов, а также на фотосинтетические характеристики одноклеточной зеленой галофильной водоросли Dunaliella salina, чувствительной к С02-стрессу. Показано, что повышение парциального давления С02 (с 2 до 10%) вызывает увеличение общего содержания ЖК липидов на 30% относительно сухой массы в течение 1 сут. В клетках, находившихся под действием 10% С02 в течение 7 сут, общих ЖК в 2.7 раза больше, чем в клетках, выращенных при 2% С02. Разница в содержании и составе ЖК липидов свидетельствовала об активации при 10% С02 синтеза ЖК de novo, угнетении их элонгации и десатурации и о повышении относительного содержания насыщенных кислот. Установлено, что через сутки после повышения концентрации С02 отношение МГДГ/ДГДГ возрастало в 4 раза без изменения их суммы, что свидетельствует об увеличении доли липидов, склонных к образованию мицеллярных (гексагональная фаза), а не ламеллярных структур. При кратковременном С02-стрессе возрастало отношение ю3/юб кислот и резко повышалось содержание Е-16:1ю13 кислоты в ФГ. Снижение содержания белка, особенно в препарате ФС I, и отношения F700/F680 при кратковременном воздействии 10% С02 согласуется с предположением о преимущественном повреждении ФС I, а обратимость этих изменений при более длительном действии (7 и 10 сут) свидетельствует о способности клеток D. salina восстанавливать функциональную активность ФС I. Более низкий уровень отношения F700/F680, Хла/ХлЬ и ю3/ю6 ЖК липидов и высокий уровень Е-16:1ю13, проявляющиеся при длительном действии высокой концентрации С02, отражают новое структурно-функциональное состояние фотосинтетического аппарата, обеспечивающего достаточно высокую эффективность фотосинтеза D. salina в этих условиях.
Dunaliella salina - экстремальная концентрация С02 - жирнокислотный состав липидов - тила-коидные мембраны - фотосистемы - адаптация
Вопрос о влиянии высоких концентраций С02 на рост и метаболизм микроводорослей приобрел за последние годы особую актуальность в связи с перспективой использования этих организмов для биотехнологической очистки газовых смесей, составляющих отходы промышленных предприятий. Идея очистки газовых смесей с помощью микроводорослей основана на том, что С02 является источником углерода для фотосинтеза, а многие штаммы микроводорослей способны адаптиро-
Сокращения: С16,С18-жирная(ые) кислота(ы) с 16, 18 атомами углерода; ДГТС-диацилглицерилтриметилгомосерин(ы); РЦ - реакционный центр; /ш - индекс ненасыщенности; ю3(ю6) - ближайшая к метильному концу ЖК двойная связь находится у 3(6) атома.
Адрес для корреспонденции: Пронина Наталья Александровна. 127276 Москва, Ботаническая ул., 35. Институт физиологии растений РАН. Факс: 07(095) 977-93-27; электронная почта: npronina@ippras.ru
ваться к его экстремально высоким концентрациям [1, 2]. В этой связи проводятся поиски устойчивых к высоким концентрациям С02 штаммов -кандидатов для этой технологии, а также развиваются исследования механизмов устойчивости микроводорослей к С02-стрессу.
Известно, что повышение содержания диоксида углерода в среде относительно его природного содержания в воздухе позволяет увеличить удельную скорость роста микроводорослей, а также их фотосинтетическую активность. Концентрация С02 от 1 до 5%, которую часто используют в лабораторных условиях для культивирования микроводорослей, является оптимальной для роста многих фотосинтезирующих микроорганизмов [2, 3]. При увеличении концентрации С02 выше оптимального значения (до 10-100%) наблюдается ингибирование роста большинства культур. При этом для каждого вида микроводорослей характерна индивидуальная устойчивость к избыт-
ку диоксида углерода в среде [1, 2, 4]. У Chlorella vulgaris, Chlamydamonas reinhardtii, Cyanidium cal-darium, Dunaliella tertiolecta, Dunaliella salina и Spirulina platensis наблюдали значительные изменения морфологии и биохимии клеток в зависимости от содержания С02 в среде культивирования [2, 4-7].
Жирнокислотный состав фотосинтезирующих клеток в высокой степени отражает их функциональную активность и весьма чувствителен к изменению условий роста культуры. Особый интерес представляют полярные липиды тилакоид-ных мембран хлоропластов, т. к. с ними связан важнейший жизненный процесс клеток - фотосинтез, и их состав является особенно лабильным [8-11]. Данные по составу жирных кислот (ЖК) у микроводорослей могут указывать на состояние фотосинтетического аппарата, поскольку известна преимущественная приуроченность некоторых ЖК к определенным липидам, ассоциированным с функциональными центрами фотосинтетических мембран [8-11]. В зависимости от того, каков стрессовый фактор, биогенез ЖК изменяется в том или ином направлении, что позволяет судить об адаптационных изменениях в клетках, в том числе и в ответ на повышенное содержание С02.
Исследование воздействия природной (0.03%) и оптимальной (2-5%) концентраций диоксида углерода на состав липидов и ЖК микроводорослей позволили сделать вывод о том, что содержание С02 в газо-воздушной смеси существенно влияет на синтез и десатурацию липидов [5, 6]. Так, при увеличении концентрации С02 с 0.03 до 2% в клетках C. vulgaris снижались /ш, соотношение 18:3ю3/18:2ю6, по-видимому, за счет подавления ю3-десатурации, а также уменьшалась доля С16 кислот во всех классах липидов [5]. При концентрации С02, равной 0.03%, содержание полиненасыщенных ЖК липидов в клетках C. reinhardtii также было выше, чем при 2% С02 [6].
ЖК состав липидов чаще всего исследуется у микроводорослей, выращенных при низкой (природной) или при высокой, оптимальной для роста, концентрациях С02. В то же время влияние концентрации С02 на изменение ЖК состава проанализировано лишь в некоторых работах, упомянутых выше [5, 6], а изменение ЖК состава липидов микроводорослей при действии концентраций С02 выше оптимального уровня практически не исследовано. Ранее нами было показано, что при повышении концентрации С02 в среде с 2 до 10% у цианобактерии S. platensis наблюдается увеличение общего содержания ЖК, доли С16 кислот всех классов липидов, снижение /ш ЖК, а также увеличение содержания МГДГ [7]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что превышение оптимального уровня концентрации С02 может влиять на синтез, элонгацию и десатура-
цию ЖК липидов и у цианобактерий. Клетки, выращенные при очень высоких (ингибирующих рост) концентрациях С02, называют "extremely-high-CO2-cells", в связи с тем, что термины "low-C02-cells" и "high-C02-cells" в научной литературе давно уже заняты для обозначения клеток, выращенных при низкой (природной) и при высокой (оптимальной) концентрациях С02 [12].
Ранее нами было показано, что D. salina весьма чувствительна к действию высоких концентраций С02. При содержании диоксида углерода 2% ее скорость роста оптимальна, при 10% наблюдается некоторое ингибирование роста культуры, а концентрация С02 выше 25% приводит к гибели клеток [2]. Таким образом, уже 10% С02 для данного штамма является экстремально высокой концентрацией.
С целью изучения роли липидов в адаптации фотосинтетического аппарата D. salina к С02-стрессу в данной работе исследовали влияние экстремально высокой концентрации С02 на состав полярных липидов и этерифицирующих их ЖК, сопоставляя изменения липидов с изменениями пигмент-белкового состава тилакоидной мембраны и спектров низкотемпературной флуоресценции хлорофилла.
МЕТОДИКА
0бъектом исследования служила зеленая га-лофильная одноклеточная водоросль Dunaliella salina Teod. IPPAS D-209 из коллекции культур микроводорослей ИФР РАН им. К.А. Тимирязева (IPPAS) [13].
Культивирование микроводорослей осуществляли в стерильных условиях на среде Семененко-Абдуллаева [14] при температуре 28°С, круглосуточном одностороннем освещении люминисцент-ными лампами с интенсивностью 30 Вт/м2 и непрерывном барботировании смесью воздуха с 2 и 10% С02. В качестве инокулята использовали культуру, выращенную при 2% С02. Пробы отбирали на линейной стадии роста культуры, а также через 1, 7 и 10 сут после повышения концентрации С02 с 2 до 10%.
Учет роста D. salina проводили нефелометри-чески при длине волны 750 нм на спектрофотометре Specord M400 ("Jena", Германия) [2].
Экстракцию липофильных соединений проводили смесью хлороформ : метанол (1:1, по объему) из клеток без предварительного их разрушения. Далее осуществляли реэкстракцию липидов хлороформом [15].
Липиды были разделены на фракции с помощью колонки, заполненной смесью силикагеля II-ой степени активности Silika Gel ("Woelm", Германия) и диатомита Hyflo-Super-Cel ("Ferak," Германия) в соотношении 3:5. Липидные фракции были по-
следовательно элюированы хлороформом (неполярные липиды); смесью хлороформ : ацетон (1 : 1) (МГДГ); ацетоном (ДГДГ и СХДГ) и метанолом (фосфолипиды и диацилглицерилтриметилгомо-серины (ДГТС)). Во все элюенты был добавлен антиокислитель BHT (2.6-Д-7-бутил-4-крезол). Элюцию проводили под давлением азота в 1.5 атм, обеспечивающего инертную атмосферу во время разделения [9, 16].
Для идентификации индивидуальных классов полярных липидов методом ТСХ были использованы системы растворителей: 1-е направление -хлороформ : метанол : 28% аммиак (65 : 25 : 2); 2-е направление - хлороформ : метанол : уксусная кислота : вода (85 : 15 : 10 : 3). ТСХ проводили на пластинках 5 х 5 см, с силикагелем 60, толщина слоя 0.05 мм, без флуоресцентного индикатора ("Merck", Германия). Липиды обнаруживали проявлением в парах кристаллического йода, обработкой орциновым реагентом, перйодатом Шиф-фа, реагентом Цинцадзе и нингидрином [15-17].
Препаративное разделение индивидуальных классов липидов проводили на пластинках для препаративной ТСХ, 20 х 20 см с подложк
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.