ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 6, с. 838-845
УДК 581.1
ОБРАТИМАЯ РЕДОКС-ЗАВИСИМАЯ ИНАКТИВАЦИЯ ФС II КАК МЕХАНИЗМ РЕГУЛЯЦИИ ФОТОСИНТЕЗА У ХЛОРЕЛЛЫ
© 2004 г. Ю. К. Чемерис, Н. С. Корольков, Н. X. Сейфуллина, Ä. Б. Рубин
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва Поступила в редакцию 18.03.2003 г.
Инактивация ФС II при фотоингибировании (освещении клеток светом с интенсивностью, в 10 раз превышающей насыщающую для фотосинтеза) водоросли Chlorella pyrenoidosa Chick, а также при воздействии супраоптимальной температуры (41°С) в отсутствие освещения сопровождалась уменьшением выхода переменной флуоресценции за счет избирательного подавления медленной фазы ее нарастания. Последнее указывает на то, что в первую очередь полностью инактивируются
малоактивные комплексы ФС II, обладающие низкой эффективностью формирования QA. Предполагается, что полной потере фотохимической активности нормально функционирующими комплексами ФС II предшествует их переход в малоактивное состояние. Обсуждается существование ряда общих начальных стадий процесса инактивации ФС II как при фотоингибировании, так и при действии супраоптимальной температуры в темноте. Предложена схема последовательных стадий процесса регуляции световых реакций фотосинтеза с участием обратимой редокс-зависимой инактивации ФС Ii.
Chlorella pyrenoidosa - переменная флуоресценция хлорофилла - ФС II - регуляция
Свет как движущая сила фотосинтетических электрон-транспортных реакций необходим для нормального роста и развития фотосинтезирую-щих организмов. Вместе с тем, в определенных условиях свет может быть опасен для растений. Так, например, длительная экспозиция на слишком ярком свету приводит к подавлению фотосинтеза, в основном за счет нарушения эффективного функционирования ФС II [1]. Фотоинактивацию ФС II в результате избыточного освещения (превышающего насыщающую для фотосинтеза интенсивность в несколько раз) или при резком замедлении утилизации продуктов световых реакций фотосинтеза рассматривают в основном как результат модификации, а затем повреждения и деградации Б1-белка реакционного центра (РЦ) ФС II [2-4]. Редокс-зависимое фо-тофосфорилирование основных белков ФС II иг-
Сокращения: и _Рт - начальный и максимальный выходы флуоресценции хлорофилла; - переменная флуоресценция хлорофилла; мРу и б_Ру - медленная и быстрая фазы в кинетике нарастания _РУ; РЦ - реакционные центры; QA и Qв - первичный и вторичный хинонные акцепторы электронов; ПХ - пластохинон.
Адрес для корреспонденции: Чемерис Юрий Константинович. 119899 Москва, Воробьевы горы, Московский государственный университет, биологический факультет, кафедра биофизики. Факс: 007 (095) 939-11-15; электронная почта: chemeris@biophys.msu.ru
рает принципиально важную роль в процессах деградации и синтеза de novo поврежденного при фотоингибировании Dl-белка РЦ ФС II растений [4, 5]. Предполагается [6], что фотофосфорили-рование основных белков РЦ стабилизирует ге-теродимер РЦ ФС II с модифицированным или поврежденным Dl-белком, делая тем самым возможной скоординированную разборку поврежденного Dl-белка и встраивание в РЦ его новой копии. Экспериментально снижение функциональной активности фотосинтетического аппарата при фотоингибировании регистрируют, как правило, по замедлению скорости фотоиндуциро-ванного выделения кислорода или по уменьшению выхода переменной флуоресценции хлорофилла (Fv) [2].
Ранее мы показали [7, 8], что относительный вклад медленной фазы в кинетику нарастания переменной флуоресценции у хлореллы, обработанной диуроном, обратимо возрастает с увеличением восстановленное™ пула пластохинона (ПХ) и зависит от обеспеченности клеток АТФ. На основании этих данных, а также того факта, что ин-гибирование фотосинтетического транспорта электронов (о-)фенантролином, способным в высоких концентрациях конкурентно вытеснять не только вторичный (QB), но и первичный (QA) хи-нонный акцептор электронов, приводило к избирательному подавлению медленной фазы нарас-
тания [9], были сделаны следующие выводы: 1 - медленная фаза нарастания (время нарастания 10-15 мин) переменной флуоресценции (м^у) характеризует фракцию малоактивных комплексов ФС II, обладающих низкой эффективностью
формирования ; 2 - низкая эффективность
формирования 0А обусловлена уменьшением константы связывания с Б2-белком в результате модификации последнего; 3 - модификация Б2-белка связана с редокс-зависимым фосфори-лированием основных белков РЦ ФС II. Как уже отмечалось выше, в цикле фотоповреждения и репарации поврежденного Б1-белка, в первую очередь, участвуют те комплексы ФС II, у которых основные белки находятся в фосфорилиро-ванном состоянии. Следует, очевидно, ожидать, что при фотоингибировании хлореллы, в первую очередь, будут полностью терять фотохимическую активность малоактивные комплексы ФС II, обладающие низкой эффективностью формирования 0А что должно сопровождаться подавлением м^,
Не исключено, что и в процессе инактивации ФС II во время длительной темновой инкубации хлореллы при супраоптимальной (41°С) температуре будет происходить прежде всего подавление медленной фазы. В этом случае инактивация и, соответственно, подавление обусловлены переходом комплексов ФС II в состояние со стабильно восстановленным 0А, что является результатом нефотохимического восстановления хинонных акцепторов в электрон-транспортной цепи хлоропластного дыхания, которое усиливается в 8-10 раз при повышенной температуре [10]. Переход комплексов ФС II в состояние со стабильно восстановленным 0А является, по сути, начальной, запускающей, стадией для развития процесса фотоповреждения ФС II во время фото-ингибирования [4], т.е. начальные стадии инактивации ФС II как при фотоингибировании, так и во время темновой инкубации при супраоптимальной температуре могут в значительной мере совпадать.
С целью проверки этих предположений в настоящей работе изучали влияние фотоингибиро-вания (освещения клеток светом с интенсивностью, в несколько раз превышающей насыщающую для фотосинтеза) и длительной темновой инкубации при 41°С на выход и кинетику нарастания переменной флуоресценции хлорофилла у клеток хлореллы, обработанных диуроном.
МЕТОДИКА
В качестве объекта исследования использовали аксеничную культуру одноклеточной зеленой
«
и 3
¡А н о
и и я к
о
Но О 2
о &
о ^
ч
л н
U 1 о 1 к я и
о к о н к
К „
2 мин
I_I
Л
Рис. 1. Изменение выхода флуоресценции хлорофилла, возбуждаемой короткими вспышками света, у хлореллы, инкубированной в темноте при 37°С в течение 20 ч.
Ломаными стрелками отмечено начало импульсного освещения клеток; прямыми стрелками, направленными вверх и вниз, отмечены моменты включения и выключения дополнительного постоянного света (7 Вт/м2); пунктирной стрелкой указан момент добавления 5 мкМ диурона.
водоросли Chlorella pyrenoidosa Chick, термофильный штамм DMMSU S-39 из коллекции кафедры микробиологии Биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Культуру водоросли выращивали на 20%-ной среде Tamiya [11] в цилиндрических стеклянных термостатируемых культиваторах (250 мл) при освещении люминесцентными лампами с интенсивностью 30 Вт/м2 на поверхности культиватора при 37°С и постоянной аэрации очищенным воздухом, не обогащенным С02 (стандартные условия). Во время темновой инкубации суспензию клеток водоросли также аэрировали воздухом. Концентрация клеток в экспериментах не превышала 5 млн. клеток/мл.
В экспериментах с изменением температуры темновой инкубации время разогрева суспензии клеток в культиваторе от 37 до 41°С составляло не более 10 мин.
Методика измерения переменной флуоресценции хлорофилла хлореллы проиллюстрирована на рис. 1 на примере клеток, инкубированных в темноте при 37°С в течение 20 ч. Начальную интенсивность флуоресценции (F0) измеряли с помощью импульсного флуориметра, освещая клетки серией зондирующих слабых и коротких вспышек света (50 мкс, 1 мкДж), каждая из кото-
0 5 10 15 20 Время инкубации в темноте, ч
25
Рис. 2. Влияние темновой инкубации культуры хлореллы на изменение параметров флуоресценции хлорофилла, возбуждаемой короткими вспышками света. Культура предварительно выращена на свету в стандартных условиях. В части рисунка (б) данные нормированы к максимальному значению _РУ. Пунктирной линией отмечен момент увеличения температуры темновой инкубации водоросли от 37 до 41°С. В точке времени "0" измерения проводили на культуре водоросли, растущей на свету (37°С), непосредственно перед помещением ее в темноту.
рых вызывает срабатывание не более, чем 3% РЦ ФС II, имеющихся в образце. Максимальную интенсивность флуоресценции (Рт) при восстановленном первичном хинонном акцепторе QA измеряли аналогичным образом, но при дополнительном освещении постоянным светом (7 Вт/м2) клеток, обработанных диуроном (5 мкМ). Как видно из рис. 1, освещение клеток хлореллы в присутствии диурона вызывало двухфазное увеличение выхода флуоресценции от темнового (начального, ^0) уровня до максимального (Рт) уровня, характерного для РЦ ФС II, находящихся в "закрытом" состоянии с восстановленным QA. Время нарастания быстрой фазы (б^у) в кинетике (где = Fm - ^0) составляло менее 1 с. Медлен-
ная фаза (м^у) со временем нарастания в несколько минут являлась основной у клеток хлореллы, инкубированных 20 ч в темноте, и составляла до 70% от (где = ^т - Fo = + м^).
Фотоингибирование клеток водоросли проводили при комнатной температуре в термостатируемой двухсантиметровой кювете при освещенности на уровне передней стенки кюветы 500 Вт/м2. В процессе освещения суспензию клеток непрерывно перемешивали, периодически отбирая пробы для определения значений параметров флуоресценции.
На рисунках приведены результаты характерных опытов, повторенных не менее пяти раз.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В фотосинтетическом аппарате клеток хлореллы, культивируемых на свету в стандартных условиях, преобладают (до 70%) активные комплексы ФС II, с высокой эффективностью осуществляющие транспорт электронов от воды до пластохинона. Доля малоактивных комплексов ФС II, обладающих низкой эффектив
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.