Диссертация (1105090), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Z-схема фотосинтеза: P680 и P680* первичный электронный донорФС2 в невозбужденном и возбужденном состоянии соответственно; Фео –молекула феофетина; QA, QB – пластохиноны; P700 и P700* первичныйэлектронный донор ФС1 в невозбужденном и возбужденном состояниисоответственно; Хл а – молекула хлорофилла а, A1 – филлохинон; FX, FA, FB, железосерные белки.Псевдоциклический транспорт электронов, или реакция Мелера можетпроисходить в обеих ФС.
В этом случае электрон, полученный при разложенииводы, переносится на кислород и образуется супероксиданионрадикал Ȯ2- илиперекись водорода Н2О2. Данные активные формы кислорода могут вызватьнарушениявработеФА.Активацияпсевдоциклическогоэлектронноготранспорта происходит при высоких интенсивностях освещения и дефицитеНАДФ+,продуктомреакцииявляетсяфотофосфорилировании [2,7].15АТФ,синтезируемаяприНециклический транспорт электронов сопряжен с переносом протонов изстромы в люмен. При этом происходит закисление внутритиллакоидногопространства и на мембране возникает градиент pH, который является движущейсилой АТФ-синтазы – трансмембранного белкового комплекса, осуществляющегосинтез АТФ. Комплекс состоит из двух основных частей – гидрофильногофактора CF1 и гидрофобного CFо (рис.
2). Фактор CF1, располагающийся внемембраны и имеющий сферическую форму, представляет собой каталитическийцентр,в котором осуществляется синтез АТФ. Гидрофобный CFо-факторинтегрально встроен в мембрану и формирует канал, по которому ионы H+ могутпересекатьмембрану,двигаясьпоградиентусвоегопотенциала.Вкаталитическом центре белка протекает следующая реакция:АДФ + ФН → АТФ + H2O.Количество субстрата и продукта этой реакции влияет на скоростьэлектронноготранспортанеорганическогофосфатамеждуФНфотосистемами.заметногоПризакисленияизбыткеАДФивнутритилакоидногопространства не происходит, так как протоны активно проходят сквозь канал,участвуя в синтезе АТФ, при этом скорость электронного транспортаподдерживается на высоком уровне. Истощение запасов АДФ или ФН приводит кзакрытиюканалабыстроговыходапротоноввстромуизначениевнутритилакоидного pH понижается, а перенос электронов между ФС (окислениепластохинона) замедляется.
После восполнения запасов АДФ и ФН за счетгидролиза АТФ в последующих химических реакциях работа АТФ-синтазывозобновляется, концентрация протонов внутри тилакоидов уменьшается, искорость электронного транспорта возрастает.Продукты световой стадии фотосинтеза АТФ и восстановленная молекулаНАДФН используется далее в реакциях ассимиляции углекислоты и синтезасахаров. В зависимости от первичных реакций фиксации CO2 и природыобразующихся при этом исходных стабильных продуктов различают: С3–путьфотосинтеза, С4–путь фотосинтеза и фотосинтез по типу толстянковых САМ16фотосинтез (от Crassulacea Acid Metabolism). Восстановление углерода CO2 доуровня углеводов практически у всех фотосинтетиков происходит по единомупути, называемому восстановительным пентофосфатным циклом (ВПФ-цикл),или циклом Кальвина − Бенсона − Бассэма [2].Структурная организация фотосинтетического аппарата высших растений насегодняшний день довольно хорошо изучена.
Важной областью исследованияявляются регуляторные механизмы, задействованные в оптимизации работыфотосинтетического аппарата, а также их взаимосвязь с флуоресцентнымихарактеристиками живого листа. Ниже дан обзор этих регуляторных механизмов,а также наиболее распространенных флуоресцентных параметров, используемыхдля оценки функционального состояния ФА.1.2.Спектры флуоресценции листьев растений.В состав антенн фотосинтетического аппарата высших растений входятразличные виды хлорофиллов (Хл а, Хл b) и каротиноидов (ксантофилы, лютеин,β-каротин), однако принято считать, что способностью к флуоресценции in vivoобладают только молекулы Хл а, т.к. вся энергия возбуждения, полученнаядругими пигментами антенны, передается на молекулы Хл а [8]. Хлорофиллфлуоресцирует в красной области спектра (660-780 нм).
Спектры флуоресценциизеленого листа, как правило, имеют два широких максимума (рис. 4): один надлине волны 680–690 нм (F1), другой – на длине волны 730–740 нм (F2) [8,9]. Прикомнатной температуре наибольший вклад в коротковолновую полосу спектравносит флуоресценция коровых антенн СР43 и СР47 ФС2 [10].Длинноволновыйреабсорбциимаксимумдлинноволновымиглавнымформамиобразомявляетсяхлорофилларезультатомфлуоресценции,испущенной более коротковолновыми формами [8,9].
Небольшой вклад в общиймаксимум вносит флуоресценция ФС1, ее доля по разным данным составляет от 5[11] до 12% [12] в случае максимальной флуоресценции при освещении образца,адаптированного к темноте, и 30-50% в случае фоновой флуоресценции [13].17ПричинысравнительнослабойфлуоресценцииФС1покаостаютсяневыясненными. По одной из гипотез РЦ ФС1 является более глубокой ловушкойэнергии возбуждения, чем РЦ ФС2, и вследствие этого энергия, поглощенная РЦФС1, с меньшей вероятностью может быть испущена в виде флуоресценции.Согласно другой гипотезе, физико-химическая природа антенны ФС1 такова, чтоконстанта скорости тепловой диссипации превалирует над константой скоростифлуоресценции [14]. При понижении температуры образца до 77 К наблюдается«разгорание» длинноволновой полосы флуоресценции в спектре [15], при этомфлуоресценция на длине волны 720-740 нм практически полностью испущенаФС1 [16].Рис. 4.
Характерный спектр флуоресценции зеленого листа.Для количественной оценки формы спектра в литературе используетсяотношение величин коротковолнового и длинноволнового пиков. Вклады обеихполос в спектр изменяются в зависимости от времени освещения образца.Значение ω = F2/F1в первые секунды после начала освещения листа,адаптированного к темноте, значительно меньше стационарного значения. В18процессе освещения происходит снижение уровня флуоресценции обеих полос иувеличение ω. Одна из причин этого эффекта – перераспределение энергиивозбуждения в пользу ФС1 [8]. Показано [9], что стационарное значениевеличины ω, регистрируемое по завершении индукционного процесса, зависит отцелого ряда факторов. Данные факторы определяются состоянием объекта иусловиями регистрации спектра.Концентрация хлорофилла является одним из важнейших факторов,влияющих на величину ω.
В работе [17] было показано, что с увеличениемконцентрации хлорофилла а в растворе этанола флуоресценция в длинноволновойобласти изменяется незначительно, в то время как коротковолновая краснаяфлуоресценция существенно возрастает, а затем уменьшается из-за реабсорбциииспускаемой красной флуоресценции в полосе поглощения хлорофилла.Реабсорбция обусловлена перекрытием коротковолновой области спектрафлуоресценции хлорофилла с длинноволновой областью его спектра поглощения.Поскольку максимум красной флуоресценции хлорофилла около 690 нм сильнеезависит от реабсорбции, чем длинноволновый максимум в области 730-740 нм,отношение F2/F1 возрастает с увеличением содержания хлорофилла. Увеличениереабсорбции с увеличением концентрации хлорофилла приводит также ксмещению положения максимума F1 в длинноволновую область спектра.Параметр ω является видоспецифичным, и максимальные значения данногопоказателя изменяются в достаточно широком диапазоне, в то время какминимальное значение для всех видов растений оказывается близким к 0,2 [9].
Вработе [18] авторы наблюдали различие величины ω для 12 сортов пшеницы, приэтом сорта различались содержанием хлорофилла в листьях. Лихтенталер с соавт.[19] зафиксировали высокую корреляцию между параметром ω и содержаниемхлорофилла в листьях 9 древесных растений, в этом случае различия вморфологии и структуре листьев оказывали значительно меньшее влияние, чемсодержание хлорофилла в листьях.19Изменения величины ω происходят в онтогенезе растений.
Зависимость этогопоказателя от возраста листа имеет колоколообразный вид: максимальныезначения соответствуют зрелым листьям и сильно снижены в случае молодых истарых [9].Спектр флуоресценции очень молодых листьев имеет максимум в области685 нм и плечо в области 740 нм [20]. В процессе созревания листа происходитувеличение содержания хлорофилла и формирование фотосинтетическогоаппарата, при этом вследствие перепоглощения интенсивность пика на длиневолны 685 нм снижается, а плечо в области 735 нм превращается в максимум. Узрелых здоровых листьев значения ω обычно лежат в пределах 0,8 – 1,2. Пристарении происходит постепенный распад пигмент-белковых комплексов, чтопроявляется в изменении интенсивности и форме спектров флуоресценции листа.Исследования показывают [21], что пигменты при осенней деградациираспадаются с различной скоростью.
Так, низкие значения соотношенийХл a / Хл b и Хлорофиллы / Каротиноиды в стареющих листьях указывают на тотфакт, что белки реакционных центров, содержащие Хл a, разрушаются быстрее,чем белки светособирающих антенн, для которых характерны невысокие значениясоотношения Хл a / Хл b и Хлорофиллы / Каротиноиды. Это предположениеподтверждается низкими значениями относительного тушения флуоресценции виндукционном периоде, отражающего уровень фотосинтетической активностилиста.Интенсивности пиков флуоресценции по мере понижения содержанияхлорофилла в листьях изменяются немонотонно.
Так, в начальный периодосенней деградации хлорофилла интенсивность флуоресценции возрастает,причемкоротковолновыймаксимумувеличиваетсясильнее,чемдлинноволновый. В последующем пик на длине волны 685 нм уменьшается, а пикна 735 нм превращается в плечо [21].Одним из факторов, влияющих на величину ω, является длина волнывозбуждающего света. Отношение ω = F2/F1 при использовании синего света20имеет меньшие значения, чем при облучении образцов зеленым или краснымсветом. Синий свет не проникает глубоко в ткани листа, а поглощаетсяхлорофиллами и каротиноидами хлоропластов клеток мезофилла, находящихся насамой поверхности листа. Как следствие, флуоресценция, возбуждаемая синимсветом, испускается хлорофиллом, располагающимся в верхней части клетокпалисадной паренхимы. По этой причине спектры флуоресценции привозбуждении синим светом меньше подвержены влиянию реабсорбции, чемспектры, возбуждаемые красным или зеленым светом, способным проникать вмезофилл глубже [22].На данный момент предпринимаются попытки использования соотношенияпиков в спектре флуоресценции при решении широкого круга задач, связанных срастительными объектами.
Большой потенциал имеет применение спектровфлуоресценциивобластидистанционногозондированиядляоценкиэкологических загрязнений прибрежных вод [23] или валовой первичнойпродуктивности сельскохозяйственных культур [24], а также определения степенизрелости плодов [25].Вместе с тем значительная вариабельность спектров флуоресценциирастительных объектов и трудности в их интерпретации сдерживают этинаправления исследований.1.3.Механизмы тушения флуоресценции хлорофилла а в листьяхрастений.Приосвещениизеленоголиста(либосуспензиихлоропластов),адаптированного к темноте, с течением времени происходят немонотонныеизменения уровня флуоресценции, называемые индукцией флуоресценции(рис. 5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
