научная статья по теме ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КООРДИНАЦИИ ФОТОСИНТЕЗА И ТРАНСПОРТА Н+ В КЛЕТКАХ CHARA CORALLINA С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЩЕГО И ЛОКАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КООРДИНАЦИИ ФОТОСИНТЕЗА И ТРАНСПОРТА Н+ В КЛЕТКАХ CHARA CORALLINA С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЩЕГО И ЛОКАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ»

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 1, с. 5-12

УДК 581.132

ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ КООРДИНАЦИИ ФОТОСИНТЕЗА И ТРАНСПОРТА H+ В КЛЕТКАХ Chara eorallina С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЩЕГО И ЛОКАЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ

© 2004 г. А. А. Булычев, А. А. Черкашин, А. Б. Рубин

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва

Поступила в редакцию 27.02.2003 г.

На клетках водоросли Chara corallina Klein ex Willd. с помощью импульсно-модулированной микро-флуориметрии и рН микроэлектродов изучено образование субклеточных доменов с разной фотосинтетической активностью, а также щелочных и кислых зон у поверхности клетки. При переходе от темноты к действующему свету выявлены различия индукционных кривых фотохимической эффективности ФС II (AF/F'm) в участках клетки, формирующих кислые и щелочные зоны. В области

формирования щелочной зоны фотохимическая эффективность постепенно снижалась в течение 5-15 мин после начала освещения, тогда как в кислых зонах этот показатель заметно возрастал после быстрого первоначального спада. Фотоиндуцированное снижение AF/F'm происходило синхронно или с некоторым опережением по сравнению с локальным изменением рН у поверхности клетки (pH0). Изменение pH0 проявлялось в виде резкого перехода после латентного периода разной длительности. Индукционные изменения AF/F'm и Fm, наблюдаемые в щелочной области, сменялись на

том же участке клетки индукционными кривыми другого типа после сужения зоны освещения до 2 мм. Результаты показывают, что возникновение субклеточных доменов с разной фотосинтетической активностью не связано с определенными участками клетки и имеет динамическую природу, обусловленную пространственной координацией фотосинтеза в длинной цилиндрической клетке.

Chara - хлоропласты - образование структур - фотосинтез - транспорт протонов - субклеточные домены

Пространственно-временная координация функциональной активности является фундаментальным биологическим свойством, лежащим в основе формирования полярности клеток, анизотропного роста и адаптации. Координация метаболизма на уровне клеток и тканей обнаружена для многих процессов, включая фотосинтез, газообмен и транспорт ионов [1-3]. В этом плане интересную модель представляют клетки харовых водорослей, в которых наблюдаются обратимые

Сокращения: Го и Г - выход флуоресценции хлорофилла в темновых условиях и при освещении объекта действующим светом соответственно; Гт и Г'т - максимальный выход

флуоресценции, вызываемый насыщающим световым импульсом в темноте и на фоне действующего света, соответственно; АГ/Г'т = (Г'т - Г)/Г'т - эффективный квантовый

выход фотохимических реакций ФС II на действующем свету; рНд-рН среды, измеряемый локально у поверхности клетки.

Адрес для корреспонденции: Булычев Александр Александрович. 119899 Москва, Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра биофизики. Факс: 07(095) 939-11-15; электронная почта: bulychev@biophys.msu.ru

переходы между гомогенным и доменным распределением И+-транспортирующих систем плаз-малеммы [4-6]. Под действием света однородное распределение становится неустойчивым, и образуются чередующиеся кольцевые зоны выделения и поглощения протонов, называемые кислыми и щелочными зонами. Предполагают, что в кислых зонах повышена активность H+ насоса плазмалеммы [7], а в щелочных - проводимость пассивных Н+-каналов [8].

В настоящее время имеются лишь отдельные сведения о связи полос транспортной активности плазмалеммы с другими клеточными процессами. Молодые клетки морфологически однородны, и зоны выделения и поглощения Н+ визуально неразличимы. С возрастом на клетках харовых и некоторых других зеленых водорослей проявляются кальциевые отложения, которые часто, но не всегда, соответствуют щелочным зонам [9]. Результаты сканирующего микрозондирования рН вдоль поверхности Chara [5] подтверждают существовавшие предположения о том, что чередующиеся щелочные и кислые зоны представляют собой динамические структуры, не связанные же-

стко с определенными участками клетки. Так, например, переходные профили рН, измеряемые в период становления кольцевых зон, отличаются от стационарных профилей по числу и расположению щелочных пиков [5, 10]. Места локализации щелочных зон смещаются при внешних воздействиях, в частности при освещении узких участков клетки и смещении освещаемой области по длине клетки [10].

В то же время, стационарные профили pH как правило хорошо воспроизводятся в последовательных циклах света и темноты. Основой такой памяти в принципе могут служить какие-либо неоднородности клеточной структуры. Например, в кислых зонах клеток Nitella хлоропласты характеризуются большими размерами и их более плотной упаковкой, чем в щелочных зонах [11]. На клетках Chara обнаружено, что впячивания плаз-малеммы (плазмалеммасомы) многочисленны в зонах выведения H+ (кислые зоны) и практически отсутствуют в щелочных участках клетки [12].

Наличие структурных особенностей у субклеточных доменов, большие перепады pH в при-мембранных слоях и протекание круговых электрических токов между щелочными и кислыми участками [13] свидетельствуют о вероятной специфике метаболических процессов в разных частях клетки. Экспериментальные доказательства этого предположения пока немногочисленны. Установлено, что рост клеток Nitella в осевом направлении происходит неравномерно и обусловлен преимущественным удлинением междоузлия в кислых зонах в соответствии с гипотезой "кислого роста" [14]. Локальные измерения pH и фотохимической эффективности фотосистемы II (ФС II) показали, что скорость нециклического транспорта электронов в кислых участках клетки выше, чем в щелочных областях [6].

Выявленная корреляция между локальной ^-транспортной активностью плазмалеммы и функционированием ФС II указывает на тесную связь мембранных процессов, протекающих в хлоропластах и плазмалемме, и ставит задачу выяснения природы гетерогенной фотосинтетической активности на субклеточном уровне. Для решения этой задачи важно сравнить динамику модуляции фотосинтеза в субклеточных доменах со становлением кислотно-щелочных полос и выяснить возможность предшествования одного из этих процессов по времени. Кроме того, важно знать, обусловлена ли функциональная неоднородность хлоропластов устойчивыми структурными различиями разных участков клетки или же эта неоднородность имеет динамическую природу и определяется процессами координации в пространственно распределенной системе. Недавно показано, что освещение отдельных участков клетки узким световым лучом позволяет изме-

нять месторасположение щелочных зон [10]. Однако данные о влиянии точечного освещения на локальную фотохимическую активность ФС II пока отсутствуют.

В связи с этим цель данной работы заключалась в сравнении кинетики изменения эффективного квантового выхода ФС II и локальных изменений pH при действии света в области формирования щелочных и кислых зон, а также в изучении локальной динамики фотохимической эффективности ФС II при общем и частичном освещении клетки.

МЕТОДИКА

Водоросли Chara corallina Klein ex Willd. выращивали в лабораторных условиях в аквариуме при рассеянном естественном освещении и температуре 20-22°С. Одиночные клетки длиной около 6 см с диаметром ~0.8 мм, не содержащие видимых кальциевых отложений, вырезали из целого растения за несколько дней до опытов. Клетки помещали в искусственную прудовую воду, содержащую 0.1 мМ KCl, 1.0 мМ NaCl и 0.1 мМ CaCl2. Перед проведением измерений клетку помещали в камеру с прозрачным дном, которую укрепляли на столике инвертированного микроскопа с флуо-рометрической насадкой.

Метод измерения локальных значений pH среды (pH0) в примембранных слоях и флуоресценции хлорофилла описан ранее [6, 10]. Для измерений pH в микрослоях среды у поверхности клетки использовали торцевые pH микроэлектроды в стеклянной изоляции с диаметром рабочей части 10-50 мкм. Термин "щелочные и кислые участки клетки" использован в данной работе для обозначения частей междоузлия, прилегающих к щелочным и кислым зонам наружной среды, соответственно. Сведения о pH цитоплазмы в этих участках в настоящее время отсутствуют. Интересно, что в прорастающих пыльцевых трубках, где также наблюдается пространственная неоднородность рН, зонам подщелачивания наружной среды соответствуют пониженные значения pH цитоплазмы [2]. Разность потенциалов между pH микроэлектродом и хлорсеребряным электродом сравнения измеряли электрометрическим усилителем с входным сопротивлением 1015 Ом и выводили через АЦП на компьютер. Для измерения продольных профилей pH использовали сканирующий предметный столик микроскопа [10].

Локальные измерения флуоресценции хлорофилла проводили на микроучастках клетки (диаметр фотометрируемой области 100 мкм) с помощью микрофлуориметра с импульсно модулированным освещением (Microscopy PAM, "Walz", Германия), собранного на основе инвертированного микроскопа Axiovert 25 CFL ("Zeiss", Герма-

ния). Основные характеристики этого прибора подробно описаны в работе [15]. Измерения проводили на слое хлоропластов в нижней части клетки, расположенном ближе к объективу микроскопа. В ходе измерений кончик pH микрозонда находился на расстоянии ~250 мкм от фотоме-трируемой области.

Источником измерительного света и насыщающих световых импульсов служил светодиод NSBG-500 ("Nichia", Япония) с излучением в синей области спектра. Для отделения флуоресценции хлорофилла от возбуждающего синего света использовали комбинацию светофильтров, поставляемую с прибором: синий светофильтр BG 39 ("Schott", Германия), светоделительная пластинка R65 ("Balzers", Лихтенштейн), фильтр DT Yellow ("Balzers"), а также красный светофильтр RG 645 ("Schott"), расположенный перед фотоумножителем. Для регистрации и обработки сигналов флуоресценции использовали программу WinControl ("Walz", Германия).

Источником действующего света, вызывающего формирование кислых и щелочных полос, служил верхний осветитель микроскопа Axiovert 25 CFL. Свет направляли через синий светофильтр СЗС-22 (к < 580) на всю клетку или ее небольшую часть. Интенсивн

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