ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2011, том 58, № 2, с. 186-194
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 581.1
РЕАКЦИИ ЛИШЕННОГО ХЛОРОФИЛЛА b МУТАНТА ЯЧМЕНЯ chlorina 3613 НА ПРОЛОНГИРОВАННОЕ СНИЖЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ. 2. ДИНАМИКА КАРОТИНОИДОВ В ХЛОРОПЛАСТАХ ЛИСТЬЕВ © 2011 г. Е. В. Тютерева, О. В. Войцеховская
Учреждение Российской академии наук Ботанический институт им. В. Л. Комарова РАН, лаб. экологической
физиологии, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 26.11.2010 г.
Мутант ячменя (Hordeum vulgare L.) chlorina 3613 характеризуется отсутствием хлорофилла b (Хл b), пониженным содержанием хлорофилла а (Хл а) и каротиноидов в хлоропластах, а также редукцией большинства компонентов ССК I и ССК II. Следствием неполного развития фотосинтетического аппарата chlorina 3613 является угнетенный рост и низкие относительно исходного сорта Donaria биомасса и интенсивность фотосинтеза. Отсутствие Хл b и большей части периферической антенны позволяет предположить, что этот мутант будет испытывать трудности при адаптации к продолжительному затенению, так как светособирающая роль Хл b-содержащей антенны возрастает при недостатке света. Ранее наши эксперименты, в которых взрослые растения chlorina 3613 находились в условиях затенения в течение одной недели при плотности потока фотонов ФАР 60 и 40% от таковой на полном солнечном свету, напротив, показали стимулирующий эффект затенения на рост, накопление биомассы и синтез Хл a у chlorina 3613 при отсутствии биосинтеза Хл b [1]. В настоящей работе мы подробно исследовали изменения содержания каротиноидов chlorina 3613 и установили, что у сорта Donaria при обоих исследованных уровнях освещения (60 и 40% от полного солнечного света), а также у chlorina 3613 при 60%-ном освещении происходили типичные для теневыносливых растений небольшие обратимые изменения содержания каротиноидов. Однако, у chlorina 3613 при 40%-ном уровне освещения значительно (в три раза) возрастало содержание ß-каротина одновременно с накоплением Хл a. По возвращении растений на полный свет содержание ß-каротина снижалось и стабилизировалось на уровне, на 38% превышающем его исходное содержание у не затенявшихся растений, который сохранялся до конца вегетации. Изменения в содержании ß-каротина и Хл a у сhlorina 3613 не сопровождались ни накоплением ксантофиллов, ни изменением доли "активного" виолаксантина. Совокупность полученных данных позволяет предположить, что длительное затенение индуцировало в листьях взрослых растений chlorina 3613 образование отдельных компонентов фотосинтетического аппарата: реакционных центров и коровой части антенн фотосистем, а также белков СР26 и СР29, что способствовало частичному восстановлению фотосинтетической активности и продукционного процесса на фоне отсутствия Хл b у этого мутанта.
Ключевые слова: Hordeum vulgare — chlorina 3613 — хлорофилл b — ß-каротин- каротиноиды — ССК — фотосистемы — белки СР26 и СР29
ВВЕДЕНИЕ
Фотосинтетический аппарат высших растений способен к перестройкам, которые позволяют растениям гибко реагировать на изменения светового режима, обеспечивая их успешный рост и развитие в непрерывно меняющихся внешних условиях. В то же время, сами пигмент—белковые комплексы, входящие в состав фотосинтетического аппарата, характеризуются постоянством состава и структуры, а адаптивные перестройки
Сокращения: ВЦ — виолаксантиновый цикл; Хл а — хлорофилл а; Хл Ь — хлорофилл Ь.
Адрес для корреспонденции: Войцеховская Ольга Владимировна. 197376 Санкт-Петербург, ул. проф. Попова, 2. Ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, лаб. экологической физиологии. Электронная почта: ovoitse@yandex.ru
осуществляются путем изменения их числа и соотношения в мембранах тилакоидов. Основные пигмент—белковые комплексы — ФС I, ФС II, ССК I, ССК II, цитохромный Ь6// комплекс — различаются по составу входящих в них хлорофил-лов и каротиноидов. Так, в состав коровых комплексов ФС I, ФС II, а также цитохромного Ь6// комплекса входят Хл а и р-каротин; в состав ССК I входят Хл а, Хл Ь, лютеин и, возможно, виолак-сантин; в состав ССК II — Хл а, Хл Ь, лютеин, ви-олаксантин, неоксантин [2, 3]. Цитохромный Ь6// комплекс содержит всего по одной молекуле р-каротина и Хл а, функция которых пока неизвестна, а ФС I содержит около 100 молекул Хл а и 20 молекул р-каротина [3]. Количество молекул пигментов на один пигмент—белковый комплекс
ФС I (реакционный центр + коровая часть антенны), по-видимому, постоянно для данного вида, но проявляет видоспецифичность [2, 3]. Вероятно, это же справедливо и для других пигмент-белковых комплексов фотосинтетического аппарата высших растений [2, 3].
ФС I и ФС II организованы в крупные суперкомплексы с различным числом компонентов периферической части антенны — ССК I и ССК II. Все белки ССК I связывают гораздо больше Хл а, чем Хл b (a : b = 3—4), тогда как белки главного антенного комплекса ССК II связывают их примерно в равном соотношении, но в состав ССК II, кроме того, входят белки так называемой "малой периферической антенны" — СР24, СР26 и СР29, которые связывают значительно больше Хл а, чем Хл b [4]. Все белки ССК содержат также ксантофиллы. Известно, что роль Хл b и связанных с ним белков ССК состоит в регуляции распределения энергии между ФС I и ФС II, в диссипации избытка поглощенной световой энергии при нефотохимическом тушении флуоресценции [5], в морфогенезе и поддержании структуры тилакои-дов, а также в адаптации растений к условиям низкой освещенности за счет увеличения свето-сбора. Одним из продуктивных подходов при исследованиях структурно-функциональной роли Хл b стал анализ конститутивных и кондицио-нальных мутантов, в хлоропластах которых Хл b либо отсутствует, либо его содержание снижено по сравнению с растениями исходного генотипа. Мутант ячменя chlorina 3613 был получен методом облучения рентгеновскими лучами семян ячменя сорта Donaria [6]. Этот мутант характеризуется отсутствием Хл b, пониженным содержанием Хл а (около 30% от такового у растений дикого типа [7]) и рядом других особенностей. Так, в хло-ропластах этого мутанта полностью отсутствуют белки ССК I и частично редуцированы белки ССК II [7], который у chlorina 3613 представлен в основном белками "малой антенны" СР26 и СР29. Размер пула каротиноидов chlorina 3613 меньше, чем у растений дикого типа, очевидно, тоже из-за пониженного количества белков ССК, с которыми связана большая часть каротиноидов в хлоропластах. Хлоропласты chlorina 3613, в отличие от хлоропластов растений дикого типа, содержат небольшие граны с малым числом тилако-идов [8], предположительно из-за низкого содержания ССК [9]. Вследствие неполного развития фотосинтетического аппарата растения chlorina 3613 отличаются медленным ростом, низкой биомассой и пониженной скоростью фотосинтетической фиксации СО2 по сравнению с исходным сортом Donaria.
Задачей данной работы было охарактеризовать изменения каротиноидов в хлоропластах взрослых растений chlorina 3613 при затенении, когда у растений дикого типа стимулируется биосинтез
белков ССК и увеличивается размер Хл b-содер-жащей антенны. Поскольку у chlorina 3613 отсутствует Хл b и большая часть периферической антенны [7], то мы предполагали, что мутант будет испытывать трудности при адаптации к пролонгированному затенению, что приведет к еще более сильному отставанию затененных растений chlorina 3613 в росте и развитии по сравнению с незатененным контролем и с родительским сортом Donaria. В наших опытах было обнаружено, что chlorina 3613, аналогично ряду других мутантов с синдромом chlorina [10], способен к восстановлению биосинтеза Хл b [1]. Однако стимулирующий эффект затенения на накопление биомассы взрослых растений chlorina 3613 был выявлен и на фоне отсутствия возобновления биосинтеза Хл b [1]. В этих опытах растения chlorina 3613, выращиваемые в открытом грунте, были затенены в течение одной недели так, что плотность потока фотонов ФАР составляла 60— 40% от таковой на полном солнечном свету. В результате затенения наблюдали накопление Хл а у chlorina 3613, что, очевидно, являлось базисом для увеличения роста и накопления биомассы [1, 11]. Этот неожиданный эффект затенения до настоящего времени не был описан для мутантов c синдромом chlorina. Исследование механизмов, лежащих в основе данного эффекта, представляется важным, в том числе для изучения регуляции биосинтеза хлорофилла и биогенеза отдельных компонентов фотосинтетического аппарата.
В настоящей работе было изучено содержание каротиноидов chlorina 3613 в ходе экспериментальной адаптации растений к сниженному освещению и при последующем возврате полного естественного освещения. Также определяли размер пула "активного" виолаксантина (т.е. виолак-сантина, вступающего в реакции в виолаксанти-новом цикле (ВЦ) [12]), так как активный вио-лаксантин связан с белками СР24, СР26 и СР29 [13], а неактивный виолаксантин — с белками периферической антенны ССК II [14, 15]. На основании совокупности полученных данных анализируется направленность изменений в составе белковых комплексов фотосинтетических мембран chlorina 3613, индуцированных экспериментальными изменениями освещения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Семена мутанта ячменя (Hordeum vulgare L.) chlorina 3613 и родительского сорта Donaria (дикий тип) были получены из банка семян ин-та им. Лейбница (Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung, Гатерслебен, Германия). Растения выращивали в пределах городской черты Санкт-Петербурга в 2006—2008 гг. в открытом грунте посевной площадки Эколого-биологиче-ского центра "Крестовский остров" на целинной,
Таблица 1. Суммарное содержание каротиноидов в листьях chlorina 3613 и Donaria (мкг/мг сухой массы листьев) перед затенением (0 суток эксперимента), в ходе затенения (7 суток) и после адаптации к полному свету (7 + 7 суток)
Вариант Donaria chlorina 3613
контроль 60%-ный свет 40%-ный свет контроль 60%-ный свет 40%-ный свет
0 суток 2.86 ± 0.04 2.85 ± 0.02 2.82 ± 0.05 1.30 ± 0.05 1.33 ± 0.05 1.21 ± 0.05
7 суток 2.91 ± 0.04 2.98 ± 0.02 3.16 ± 0.03 1.26 ± 0.07 1.34 ± 0.03 2.18 ± 0.03
7 + 7 суток 2.83 ± 0.04 2.76 ± 0.04 2.70
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.