ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ, 2004, том 51, № 2, с. 303-313
== ОБЗОР
УДК 581.1
ВКЛАД ФОТОДЫХАНИЯ В ИЗМЕНЕНИЯ ИЗОТОПНОУГЛЕРОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТЕНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТРЕССОВЫХ ФАКТОРОВ
© 2004 г. Ä. Ä. Ивлев
Кафедра неорганической и аналитической химии Московской сельскохозяйственной академии
им. К.А. Тимирязева, Москва Поступила в редакцию 19.10.2002 г.
Обобщен и проанализирован имеющийся в литературе экспериментальный материал по изменению изотопного состава углерода биохимических фракций и метаболитов, выделенных из биомассы растений (Clusia minor) и фотосинтезирующих водорослей (Chlorella stigmatophora) в условиях воздействия на них стрессовых факторов среды. В рамках предложенного ранее механизма изотопного фракционирования углерода при фотосинтезе все изученные фракции и метаболиты, извлеченные из биомассы растений и фотосинтезирующих водорослей, по изотопному составу углерода можно разделить на две группы. В первую группу войдут фракции и метаболиты, чьи фонды образуются преимущественно за счет углерода, запасаемого клеткой в карбоксилазную фазу функционирования РБФК/О. Во вторую - те, чьи фонды образуются преимущественно за счет углерода фотодыхательного потока, возникающего в оксигеназную фазу функционирования РБФК/О. Первые составляют "ассимиляционную" ветвь фотосинтеза и обогащены 12С относительно углерода биомассы, вторые - "фотодыхательную" и обогащены 13С. Под воздействием стрессовых факторов среды - интенсивности падающего света, влагодоступности, солености - меняется изотопный состав метаболитов и фракций, отражая изменения вкладов "ассимиляционного" и "фотодыхательного" потоков в их синтезе. Эти изотопные сдвиги использованы для изучения биохимической адаптации растений к стрессовым условиям и для выяснения роли фотодыхания в этой адаптации.
Clusia minor - Chlorella stigmatophora - метаболические изотопные эффекты углерода - фотосинтез - фотодыхание - адаптация - стресс - экспонирование - влагодоступность - соленость
Известно, что в условиях стресса изотопный состав углерода растений меняется. Это подтверждено многочисленными природными наблюдениями и лабораторными экспериментами [1-5]. Обычно стресс сопровождается накоплением в биомассе тяжелого изотопа 13С. Внешние факторы, оказывающие влияние на изотопный состав углерода растений, совершенно различны по своей природе. Это влагодоступность, соленость вод, содержание СО2 и О2 в среде, изотопный состав СО2, температура выращивания, интенсивность светового потока и другие. Возникает вопрос, существует ли общий механизм этого влияния и если - да, каков он и какова специфика действия разных факторов. Рассмотрению этих вопросов посвящена настоящая работа.
Вполне очевидно, что, поскольку стресс сопровождается изменением изотопного состава уг-
Сокращения: РБФК/О - рибулозобифофат карбоксила-за/оксигеназа, РиБФ - рибулозо-1,5-бифосфат. Адрес для корреспонденции: Ивлев Александр Андрее-вич.127550 Москва, Тимирязевская ул., 49, корп. 10, МСХА им. К.А.Тимирязева. Факс: 07(095) 976-29-10; электронная почта: AA.Ivlev@g23.relcom.ru
лерода биомассы и обусловлен факторами, влияющими на фотосинтез, механизм влияния должен быть как-то связан с механизмом изотопного фракционирования углерода при фотосинтезе.
В литературе описаны два принципиально отличающихся механизма фракционирования изотопов углерода в фотосинтезирующей клетке. В основу одного из них, предложенного Фаркуаром и соавт. [6, 7], положена идея стационарности углеродных потоков в клетке, в том числе потока СО2 из среды в клетку. Фракционирование изотопов углерода в последнем, приводящее к изотопной дискриминации 13С и накоплению в биомассе легкого изотопа, происходит при ассимиляции СО2 и является следствием двух эффектов - небольшого по величине (-4.4%е) изотопного эффекта диффузии молекул СО2 из среды к месту фиксации и значительно большего (-29%е) изотопного эффекта ферментативного карбоксили-рования РиБФ - ключевой реакции фотосинтеза [8]. Суммарный эффект в рамках модели описывается выражением:
А = а + (Ь-а) рра, (1)
где а - фракционирование изотопов углерода при диффузии С02 из среды в клетку, Ь - фракционирование изотопов углерода при карбоксилирова-нии РиБФ,р, и ра парциальные давления С02 в листе и в атмосфере соответственно.
Изменения изотопного состава углерода биомассы растений в рамках модели авторы объяснили изменением вкладов изотопных эффектов диффузии и карбоксилирования РиБФ в суммарный эффект. Влияние внешних факторов на изотопный состав биомассы, согласно модели, передается через парциальное давление С02 в листе р ,. Влияя на величину р, внешние факторы изменяют соотношение вкладов изотопных эффектов диффузии и карбоксилирования и соответственно изотопный состав углерода биомассы. Наблюдаемые случаи нарушения пропорциональности между величиной изотопной дискриминации 13С и отношением р1 /ра [9-13] привели к появлению различных модификаций модели, формально учитывающих влияние других клеточных процессов, способных повлиять на изотопный состав углерода биомассы, как-то: темновое и световое дыхание [14, 15], для С4-растений - утечка части углеродного потока из клеток паренхимной обкладки в клетки мезофилла [14, 16]. Принципиально то, что стационарная модель может объяснить только дискриминацию 13С, поскольку те процессы, которые она учитывает, только к ней и приводят. Поэтому, когда появились данные о том, что при ассимиляции может происходить преимущественная фиксация изотопнотяжелых молекул С02 [17], что в некоторых опытах имеет место смена знака изотопного эффекта [18], а некоторые первичные ассимиляты изотопнотяже-лее ассимилируемого С02 [19], модель оказалась неспособной это объяснить. Кроме того, существуют серьезные основания считать, что скорость ассимиляции всегда контролируется диффузией [20]. В этом случае модель также не в состоянии объяснить изотопные вариации. Имеются и другие основания сомневаться в адекватности модели [21]. Это послужило причиной появления дискретной модели фракционирования изотопов углерода при фотосинтезе [21-24].
Ключевым моментом дискретной модели изотопного фракционирования углерода при фотосинтезе является идея о существовании еще одного изотопного эффекта, также возникающего на свету в процессе фотодыхания [22]. Связан он с реакцией ферментативного декарбоксилирова-ния глицина и имеет знак, противоположный знаку изотопного эффекта фотоассимиляции. Если изотопный эффект фотоассимиляции приводит к изотопной дискриминации 13С, то изотопный эффект фотодыхания снижает ее и, в принципе, допускает обогащение биомассы тяжелым изотопом. Существование изотопного эффекта фотодыхания было подтверждено экспериментами по
газообмену в проточных кюветах с листьями пшеницы и фасоли [15] и результатами опытов с мутантами фасоли с редуцированной функцией глициндегидрогеназы [25].
Другим основополагающим моментом модели является идея о дискретности углеродных потоков в клетке как о результате способности ключевого фермента фотосинтеза РБФК/0 работать как карбоксилаза и оксигеназа в зависимости от периодически меняющегося в клетке соотношения концентраций С02/02 [21]. 0на была положена в основу предложенного механизма фракционирования изотопов углерода при фотосинтезе [22-24].
В клетке на свету происходит чередование процессов ассимиляции и фотодыхания и, как следствие, разделение углеродного потока на ассимиляционную и фотодыхательную ветви. Благодаря тому, что в ассимиляционной и фотодыхательной ветвях, как следует из модели, происходит изотопное фракционирование, сопровождаемое изотопными эффектами разных знаков, углеродные субстраты ассимиляционного и фотодыхательного потоков различаются по изотопному составу. Первые обогащены 12С относительно вторых.
Ассимиляционная ветвь углеродного потока включает не только те метаболиты, которые возникают в карбоксилазную фазу функционирования РБФК/0, но и те, которые синтезируются в темновой период из субстратов, запасенных в карбоксилазную фазу светового периода. Из биохимии клеточного метаболизма и анализа распределения 13С в компонентах клетки следует, что к ней можно отнести все метаболиты, синтезируемые через гликолитическую цепь, сопряженный с ней цикл Кребса и цепь утилизации С2-фрагмен-тов, т.е. большинство белковых и липидных компонентов клетки.
Фотодыхательная ветвь фотосинтеза включает все метаболиты, синтезируемые в оксигеназную фазу функционирования РБФК/0, в том числе метаболиты, синтезируемые в гликолатной цепи и в цикле Кальвина. К ней же относятся органические кислоты, синтезируемые из субстратов фотодыхательной ветви в темновой период.
Цикл Кальвина функционирует в обеих фазах, т.е. входит в состав ассимиляционной и фотодыхательной ветвей. Вопрос о том, имеют ли одноименные углеводные компоненты цикла, синтезируемые в разных фазах функционирования РБФК/0 одни и те же метаболические фонды или они разные, остается открытым, хотя анализ изотопных данных дает все больше оснований считать, что эти фонды различны [23, 26].
Еще одним результатом дискретности углеродных потоков в клетке является периодическое исчерпывание/заполнение метаболических фондов и зависимость изотопных эффектов фотоас-
Таблица 1. Различия в изотопном составе углерода метаболитов листа и его биомассы у Clusia minor при различных условиях обитания
№ п/п
Фракция
"Экспонированный" лист
"Затененный" лист
рассвет
А
закат
А рассвет А закат А
-1.5 -31.2 -0.9 -31.8 -1.5
-3.0 -33.3 -3.0 -32.2 -1.9
-6.0 -32.0 -1.7 -32.6 -2.3
+4.5 -30.5 -0.2 -29.2 +1.1
+ 3.4 -27.6 +2.7 -27.7 +2.6
+ 3.4 -27.2 +3.1 -27.8 +2.5
+ 3.4 -27.2 +3.1 -27.6 +2.7
-2.9 -31.8 -2.7 -31.0 -1.9
-3.1 -30.8 -1.7 -30.8 -1.7
-6.7 -32.4 -3.3 -32.7 -3.6
+6.7 -24.3 +4.8 -21.9 +7.2
+3.5 -21.8 +7.3 -24.5 +4.6
+ 1.5 -27.9 + 1.2 -26.6 +2.5
+3.0 -26.8 +2.3 -23.6 +5.5
1 структурные компоненты -26.1 -0.4
2 липиды, пигменты -28.2 -2.5
3 аминокислоты -30.2 -4.5
4 растворимые сахара -23.6 +2.1
5 органические кислоты -20.6 +5.1
6 крахмал -22.1 +3.6
7 глюканы -22.6 +3.1 С
1 структурные компоненты -27.1 -2.5
2 липиды, пигменты -27.1 -2.5
3 аминокисл
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.