научная статья по теме ИЗМЕНЕНИЯ АНТЕННЫ ФОТОСИСТЕМЫ I, ИНДУЦИРУЕМЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫМ ПРОГРЕВОМ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕНЕНИЯ АНТЕННЫ ФОТОСИСТЕМЫ I, ИНДУЦИРУЕМЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫМ ПРОГРЕВОМ»

УДК 577.352.5

ИЗМЕНЕНИЯ АНТЕННЫ ФОТОСИСТЕМЫ I, ИНДУЦИРУЕМЫЕ КРАТКОВРЕМЕННЫМ ПРОГРЕВОМ

© 2013 г. С. М. Кочубей*, В. В. Шевченко, Т. А. Казанцев

Институт физиологии растений и генетики НАН Украины, 03022 Киев, Васильковская 31/17;

* электронная почта: smk_off@mail.ru Поступила в редакцию 01.03.2012 г.

Исследовали изменения спектров низкотемпературной флуоресценции хлоропластов гороха и спектров возбуждения длинноволновой флуоресценции, вызываемые кратковременным прогревом при температуре 45°С в темноте или при подсветке белым светом интенсивностью 260 или 1400 мкмоль • м-2 • с-1. Все варианты прогрева снижают интенсивность длинноволновой полосы флуоресценции. Интеграл спектра возбуждения уменьшается при прогреве в темноте и увеличивается при прогреве с подсветкой. Выявлены вызываемые различными вариантами прогрева изменения четырех наиболее интенсивных компонентов тонкой структуры длинноволновой полосы флуоресценции — 726, 729, 731 и 735 нм. Они оказались сходными у первых трех компонентов и отличались у компонента 735 нм. В тонкой структуре спектра возбуждения выявлено 25 компонентов. Положения максимумов большинства из них соответствуют пикам поглощения белков ЬЬса. Компоненты флуоресценции 726, 729 и 731 нм отнесены к свечению внешней антенны фотосистемы I на основании обнаруженной корреляции изменений при разных вариантах прогрева их интенсивности и интенсивности в спектре возбуждения в области поглощения хлорофилла Ь и коротковолновых форм хлорофилла а. Интенсивность компонента флуоресценции 735 нм изменяется параллельно только с изменениями интенсивности в спектре возбуждения в длинноволновой области, которая соответствует поглощению длинноволновых форм хлорофилла а. Это позволяет отнести компонент 735 нм к свечению внутренней антенны. Анализ изменений в спектрах флуоресценции и возбуждения флуоресценции, вызываемых прогревом, позволил выявить изменения в переносе энергии в антенных комплексах фотосистемы I. После прогрева в темноте происходит ухудшение переноса энергии во внешней и во внутренней антеннах. В обоих вариантах прогрева на свету усиливается перенос энергии во внешней антенне. Во внутренней антенне сохраняется эффективность переноса энергии, близкая к уровню в контроле. Высказано предположение, что подсветка при высокотемпературном прогреве вызывает такое состояние антенного комплекса фотосистемы I, которое может обеспечить увеличение поступления энергии на реакционные центры.

Ключевые слова: низкотемпературные спектры флуоресценции хлоропластов, фотосистема I, кратковременный прогрев.

БОТ: 10.7868/80233475512050088

Механизмы, регулирующие активность фотосинтетического аппарата, являются одной из актуальных проблем в современных исследованиях фотосинтеза. Возможность адаптации организма к изменяющимся условиям внешней среды обусловлена динамическими свойствами фотосинтетического аппарата, которые обеспечивают перестройку его структуры и функций. Эти изменения происходят в широком временном диапазоне, начиная с момента воздействия фактора и до установления новой структурно-функциональной конфигурации, соответствующей состоянию адаптации [1].

Сокращения: ФИ — фотосистема I, ФСП — фотосистема II, ДВ — длинноволновая.

Одним из подходов к изучению начальных стадий адаптационного процесса является использование кратковременного теплового или светового воздействия. Выяснение характера структурных перестроек и связанных с ними функциональных изменений позволит в дальнейшем понять пути развития адаптационного процесса. В настоящее время имеется ряд данных, показывающих, что изменение освещенности влияет на состояние светособирающих антенн ФСП и ФО. В результате возникают изменения в электрон-транспортной цепи, происходит повышение активности генетического аппарата, что позволяет обеспечить акклиматизацию организма [2—4]. Влияние кратко-

временного теплового воздействия оценивали в основном по изменению функциональных показателей [5—8]. Данных о воздействии теплового фактора или комбинации тепло + свет на структуру комплексов ФС11 и ФС1 сравнительно немного. Выявлено разобщение светособирающего комплекса ЬИС11 с комплексом ФС11 при длительном прогреве при температуре выше 35°С в темноте [9]. В мембранах интактных тилакоидов прогрев при температуре выше 40°С приводит к постепенному разупорядочению макродоменов ЬИСН [10]. Нами было показано, что кратковременный прогрев изменяет состояние антенного комплекса ФС11, причем по-разному в темноте или при подсветке [11]. Имеются данные об отделении внешних белков кислородвыделяющего комплекса и выхода эндогенного Мп после кратковременного высокотемпературного прогрева тила-коидных мембран [12, 13]. Данные об изменениях в комплексе ФС1 практически отсутствуют.

В представленной работе изучены изменения состояния антенны ФС1, вызываемые кратковременным прогревом при 45°С в темноте или при подсветке светом различной интенсивности. Проанализированы изменения тонкой структуры длинноволновой (ДВ) полосы в низкотемпературном спектре флуоресценции хлоропластов. Предполагается [14], что ДВ полоса принадлежит излучению светособирающей антенны ФС1. Рассмотрены также спектры возбуждения ДВ флуоресценции, которые позволяют получить сведения о вкладе поглощения различных форм хлорофилла, передающих энергию на центры с ДВ флуоресценцией.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Растения гороха выращивали на вегетационной площадке в течение 2 недель в апреле и мае. Температуру воздуха и освещенность на уровне растений измеряли ежедневно с момента появления проростков до отбора растений для экспериментов. Средние значения температуры и освещенности были равны 18°C и 23000 лк соответственно. Хлоропласты с частично нарушенной внешней оболочкой выделяли как описано ранее [15], затем ресуспендировали в среде, содержащей 10 мМ трициновый буфер (pH 7.5), 0.4 М сахарозу, 10 мМ NaCl и 5 мМ MgCl2.

Температурная обработка. Контрольный образец сохраняли в темноте при 5°C. Прогрев при 45°С осуществляли следующим образом. Суспензию хлоропластов помещали в плоскодонную колбу так, чтобы образовался тонкий слой. Затем колбу опускали в воду с температурой 45°C и выдерживали в течение 5 мин в темноте или при подсветке. В последнем случае дно колбы освещали белым светом, который проходил через слой воды толщиной 5 см. Интенсивность света

была равна 260 или 1400 мкмоль • м-2 • с-1. Содержание хлорофилла в суспензии хлоропластов было равно 0.03 мг/мл.

Низкотемпературные спектральные измерения.

Для низкотемпературной спектроскопии использовали тонкие воздушно-сухие пленки суспензии хлоропластов на стеклянных подложках, приготовленные как описано ранее [16, 17]. Пленки помещали в оптический криостат [18] в пары жидкого азота и записывали спектры флуоресценции согласно [19] на модифицированной установке, собранной в лаборатории. Пленки имели высокую прозрачность, их низкотемпературные спектры флуоресценции были идентичными спектрам, записанным на образцах суспензии, замороженной в буферно-глицериновой смеси [16, 17]. Поглощение образца в максимуме красной полосы не превышало 15%.

Флуоресценцию возбуждали светом от свето-диода с излучением при 450 нм и записывали в интервале 650-800 нм в цифровом виде с шагом 0.5 нм. Полуширина пропускания монохромато-ра была равна 1 нм. Интенсивность актиничного света, который проходил через образец, записывали в течение времени регистрации спектра флуоресценции с помощью дополнительного оптического канала. Эти данные использовали для нормирования спектров флуоресценции по поглощению контрольного образца с тем, чтобы устранить небольшие отличия в поглощении различных образцов.

Спектры возбуждения измеряли на тех же образцах, на которых измеряли спектры флуоресценции, как описано ранее [17]. С помощью возбуждающего монохроматора на образец посылали монохроматический свет в диапазоне 630-720 нм. Полуширина щели монохроматора была равна 2нм, шаг сканирования 0.5 нм. Интенсивность ДВ флуоресценции при 735 нм фиксировали в спектральном интервале полушириной 4 нм, который выделяли с помощью измеряющего моно-хроматора. Наша оценка показала, что спектральный интервал, выделяемый измеряющим моно-хроматором, включает 7, 18, 34 и 41% вклады компонентов 726, 729, 731 и 735 нм тонкой структуры ДВ полосы флуоресценции. Для проведения такой оценки эти компоненты были смоделированы контурами Гауссовской формы с равной интенсивностью и полушириной 10 нм. Эти параметры близки к полученным нами ранее при разложении на элементарные контуры ДВ полосы флуоресценции субхлоропластных фрагментов интергранальных тилакоидов [20]. Вторые производные вычисляли с использованием программного пакета Origin 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 показаны спектры низкотемпературной флуоресценции хлоропластов, прогретых при 45°С в темноте и при подсветке светом двух интенсивностей. Как следует из рис. 1 и табл. 1, разные варианты прогрева по-разному влияют на интенсивность, полуширину и положение максимума ДВ полосы.

Рассмотрение тонкой структуры ДВ полосы позволяет выяснить причины изменения ее параметров, вызываемых прогревом. На рис. 2 приведены графики второй производной, которые, как показано многочисленными исследованиями [20—22], позволяют наилучшим образом выявить тонкую структуру ДВ полосы. Из рис. 2 следует, что различные варианты прогрева вызывают изменения интенсивности компонентов структуры и разнонаправленные сдвиги некоторых из них, что обусловливает сдвиг максимума ДВ полосы и изменение ее полуширины. Так, например, при прогреве на сильном свету увеличивается интенсивность компонентов с коротковолновой и длинноволновой стороны от компонента 2 (табл. 1), что, приводит к уширению интегральной полосы.

Рассмотрение нормированных к контролю изменений интенсивности компонентов 1—4 (табл. 1) при различных вариантах прогрева позволяет обнаружить сходство компонентов 726, 729 и 731 нм и отличие компонента 735 нм (рис. 3). Это обусловливает высокую степень корреляции изменений первых трех компонентов и практическое отсутствие корреляции с компонентом 735 нм (табл. 2).

Характер изменений формы и параметров с

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