Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

В природных условиях фотосинтезирующие организмы наряду с фотоповреждением зачастую одновременно подвергаются действию других неблагоприятных факторов, таких как, например высокие и низкие температуры, высокая концентрация NaCl и других факторов. Установлено, что ФСII весьма чувствительна к изменениям условий окружающей среды и под влиянием этих неблагоприятных факторов активность ФСII падает в большой степени, чем активности других физиологических процессов [1-5]. В ранних исследованиях основное внимание уделялось проблеме выяснения механизма повреждения ФСII in vitro под влиянием различных стрессовых факторов [6-9]. Установлено, что высокая температура инактивирует хлоропласты и в первую очередь реакции, связанные с выделением кислорода. Выделение кислорода инактивируется при инкубации тилакоидов хлоропластов при 32-45 °С в течение нескольких минут и сопровождается солюбилизацией 33, 24 и 17 кДа периферических белков кислород-выделяющего комплекса и вываливанием ионов Mn. По этому поводу рассматриваются различные обьяснения, но все они сводятся к тому, что солюбилизация, в частности 33 кДа белка, а также вываливание ионов Mn и есть результат термической обработки тилакоидов и, как правило, термоинактивации выделения кислорода. Так, Williams и Gounaris [10] показали, что высокая концентрация сахарозы повышает термостабильность выделения кислорода в результате стабилизации связи 33 кДа белка с ядром ФСII [11, 12].

Вместе с тем сайты термоинактивации фотосинтеза in vivo, а также сайты повреждения ФСII при взаимовлиянии различных типов стрессов на растительный организм, в частности на активность ФСII, на целом растении практически не исследованы. В этой связи в данной работе представлены экспериментальные данные о сайтах повреждения ФСII при одновременном воздействии высоких температур и избыточного для нормального протекания фотосинтеза освещения на активность ФСII двух видов культурных растений - ячменя и кукурузы, отличающихся по степени теплолюбивости.

Исследования проводили на семидневных проростках ячменя (Hordeum Vulgare L.cv. Makooi Barle) и кукурузы (Zea Mays L. cv.Var.540). Замоченные в течение 24 часов семена переводились на фильтровальную бумагу и проращивались в чашках Петри при температуре 25 °С, с последующим переводом в люминостат (освещение 60 W/м² в течение 16 ч с 8-часовым темновым интервалом). Температурный стресс вызывали, помещая проростки в специальную камеру, которая позволяла поддерживать необходимую температуру (±0,5 °С) и режим влажности и аэрации. Фотоингибирование (освещение белым светом 320 W/м²) проростков, выращенных в нормальных условиях и непосредственно после температурного стресса, также проводили в термостатированных условиях с поддержанием влажности и аэрации.

Степень и место повреждения ФСII определяли путем измерения и последующего анализа индукционной кривой мсЗФ хлорофилла а листьев проростков. Измерения проводили на установке с фосфороскопом, позволяющей регистрировать индукционную кривую миллисекундной компоненты ЗФ [13]. Состояние ФСII листьев проростков после воздействия стрессовых факторов оценивалось по характеру изменения различных фаз индукционной кривой мсЗФ хлорофилла а ФСII [14, 15].

В работе рассматриваются изменения двух фаз индукционной кривой мсЗФ (рис. 1) - быстрой, отражающей события в ближающем окружении реакционного центра ФСII, в частности его переход в закрытое состояние (восстановление первичных акцепторов) [11], и медленной - отражающей события на донорной стороне ФСII [15].

На рис. 2 приведены данные зависимости отношения интенсивности быстрой фазы мсЗФ к стационарному уровню от температуры, при различном времени выдерживания проростков в соответствующих условиях. Как видно из данных, приведенных на рисунке, температура от 25 до 40 °С не изменяет существенно интенсивности быстрой фазы мсЗФ проростков ячменя (рис. 2,а). Даже при выдерживании их при 40 °С в течение 30 мин это отношение сохраняется на том же уровне. Однако повышение температуры до 42,5 °С понижает интенсивность данной фазы более чем на 50 %, а при повышении температуры до 45 °С уже через 10 минут воздействия излучение этой фазы полностью исчезает. Несколько иной характер индукционной кривой мсЗФ хлорофилла а наблюдается на листьях проростков кукурузы (рис. 2, б). Увеличение температуры воздействия приводит к монотонному уменьшению отношения быстрой фазы к стационарному уровню. Уровень отношения при 42,5 °С несколько ниже, чем у проростков ячменя. Однако, как и для ячменя, у проростков кукурузы мсЗФ хлорофилла а ФСII полностью подавляется даже при кратковременном воздействии температуры 45 °С (10 мин).

Медленная фаза мсЗФ характеризуется меньшей устойчивостью к температурному воздействию (рис. 3). Так, медленная фаза мсЗФ проростков ячменя полностью подавляется при 42,5 °С (рис. 3,а). Вместе с тем медленная фаза мсЗФ хлорофилла а ФСII листьев проростков кукурузы оказывается более устойчивой к температурному воздействию и флуоресценция этой фазы сохраняется до 42,5 °С и эта фаза мсЗФ проростков кукурузы полностью подавляется лишь при температуре 45 °С (рис. 3,б). При фотоингибировании проростков ячменя и кукурузы после выдерживания различного времени при близкой к критической температуре 42,5 °С наблюдается подавление обеих фаз мсЗФ (рис. 4,5). Однако степень и характер подавления значительно различаются. Быстрая фаза мсЗФ хлорофилла а листьев ячменя подавляется значительно сильнее, чем кукурузы (рис. 4).

Медленная фаза мсЗФ хлорофилла а листьев кукурузы также несколько более устойчива, однако интенсивный свет резко подавляет эту фазу мсЗФ у обеих культур уже в первые минуты (рис. 5).

При этом фотоингибирование медленной фазы мсЗФ значительно сильнее, особенно в первые 2-3 минуты после 10-минутного выдерживания проростков при 42,5 °С. (рис. 5, а). Далее характер фотоингибирования изменяется и при 20 мин теплового воздействия медленная фаза мсЗФ хлорофилла а листьев кукурузы демонстрирует большую устойчивость к избыточному освещению (рис. 5, б). После 30 мин теплового воздействия сильный свет еще сильнее подавляет медленную фазу мсЗФ хлорофилла а листьев ячменя (рис. 5, в).

Итак, с помощью измерения и анализа индукционной кривой мсЗФ хлорофилла а листьев проростков ячменя и кукурузы нами предпринята попытка выяснения сайтов повреждения ФСII под влиянием высоких температур и высокой интенсивности видимого света. Метод замедленной эмиссии света хлорофиллом а ФСII, в частности медленная фаза индукционной кривой мсЗФ позволяет говорить о том, подвергается ли инактивации Mn₄O_xCa кластер ФСII. Как правило, эта фаза связана с реакцией рекомбинации хлорофилла реакционного центра ФСII (Р680 Q^-_А) с одним из состояний S_0-4 фотоокисления Mn₄O_xCa кластера [12]. В случае если мы не наблюдаем этого компонента, или в случае его уменьшения по интенсивности, мы можем сделать вывод об инактивации одного из состояний окисления Mn₄O_xCa кластера (S_i+1) [12]. Действительно, достаточно обработать листья проростков ячмения или кукурузы при температуре 42,5 °С в течение 10 мин, как мы наблюдаем полное исчезновение медленной компоненты на индукционной кривой мсЗФ (см. рис. 3). Таким образом, мы можем утверждать, что в целом неповрежденном листе, одним из наиболее уязвимых сайтов термоинактивации является одно из состояний окисления Mn₄O_xCa кластера. Конечно, возможен и обсуждаемый выше и известный ранее механизм повреждения, связанный с солюбилизицией 33 кДа периферического белка ФСII. Однако хoрошо известно, что в целом растении периферические белки ФСII более устойчивы, чем в изолированных тилакоидах, подвергнутых термической обработке. Поэтому мы имеем больше оснований предполагать о непосредственном повреждении S_i+1 состояния Mn₄O_xCa кластера.

Реакционный центр ФСII более устойчив, и при фотоингибировании быстрая фаза мсЗФ для проростков ячменя подавляется после 10 мин освещения избыточным светом, а для проростков кукурузы - через 20 мин). Вместе с тем мы с полным основанием можем утверждать о том, что наиболее уязвимым сайтом при термической обработке целого растения является Mn₄O_xCa кластер ФСII. При двойном стрессе - высокой интенсивности видимого света и экстремально высокой температуре - сайт повреждения на донорной стороне, как для высокой инсоляции, так и для высокой температуры локализуется в одном месте - по видимому на Mn₄O_xCa₂ кластере или на Y_z. На акцепторной стороне сайт повреждения от сильного света локализуется между Q_a и Q_B. Таким образом, полученные результаты позволяют сделать экспериментально обоснованные выводы о сайтах повреждения фотосистемы II изученных растений при двойном стрессе - высокой интенсивности видимого света и экстремально высокой температуре, которые располагаются как на донорной, так и на акцепторной стороне ФСII. При этом сайт повреждения на донорной стороне, как для высокой инсоляции, так и для высокой температуры локализуется в одном месте - по видимому на Mn₄O_xCa кластере или на Y_z. На акцепторной стороне сайт повреждения от сильного света локализуется вблизи реакционного центра ФСII, в то время как высокая температура повреждает в первую очередь Mn₄O_xCa кластер. Вместе с тем следует указать на то, что метод мсЗФ может быть применен для ранней диагностики устойчивости растений к различным стрессовым факторам, а также может быть использован в качестве инструмента для скрининга при отборе новых сортов, отличающихся по устойчивости к изучаемым стрессам.

Курбанова И.М., д.б.н., доцент, зав. лабораторией биофизики, Институт ботаники Академии наук Азербайджана, г. Баку.

Работа поступила в редакцию 12.04.2012.