Диссертация (1105090), страница 5
Текст из файла (страница 5)
При включении света, эффективнопоглощаемого в ФC2, переносчики восстанавливаются и происходит переход всостояние 2, когда подвижные комплексы «обслуживают» ФC1.По данным литературы, в фотосинтетическом аппарате наземных растений15-20% ССК2 могут перемещаться между фотоcиcтемами при переходе изсостояния 1 в состояние 2 [42].Движение хлоропластов под действием возбуждающего света.В клетках многих фотосинтезирующих организмов (высших растений,водорослей, мхов, лишайников) при изменении интенсивности возбуждающегосвета происходит движение хлоропластов с целью увеличения фотосинтетическойактивности и минимизации повреждений, вызванных светом насыщающейинтенсивности [43]. В условиях темноты или слабого освещения хлоропласты вклетке располагаются вдоль периклинальной стенки клетки и образуют слой,перпендикулярный к падающему свету (accumulation-эффект).
В случае резкоговозрастанияинтенсивностиосвещенияорганеллывыстраиваютсявдольантиклинальной стенки (avoidance-эффект) таким образом, чтобы затенять другдруга и уменьшать воздействие падающего света (рис. 8). При средних значенияхинтенсивности возбуждающего света перемещение хлоропластов представляетсобой двухфазный процесс, включающий в себя первоначальную быструюстадию avoidance и последующий более растянутый во времени accumulationэффект, при котором хлоропласты размещаются вдоль внешней периклинальнойстенки.Спектральный состав возбуждающего света также оказывает влияние напроявление эффектов avoidance и accumulation.
Синий свет вызывает наиболеесильное ответное передвижение хлоропластов в клетках большинства высших ибесцветковых растений, исследованных на сегодняшний день [44,45]. Однакосреди исследованных бесцветковых растений встречаются также случаи реакциихлоропластов на красный свет [46].28Рис. 8.
Схема расположения хлоропластов в клетке: а) в темноте; б) наслабом свету; в) на сильном свету (по [43]).Явление перемещения хлоропластов в клетке при изменении интенсивностии длины волны падающего света основано на сложной системе взаимодействиямежду фоторецепторами и цитоскелетом клетки.
Фоторецепторы, участвующие врегуляции этого процесса, относятся к семействам фототропинов и фитохромов.Фототропины являются белками, реагирующими на синюю часть спектра, и ввысших растениях представлены двумя гомологичными формами (phot1 и phot2).Фототропин phot1 способен вызывать avoidance-эффект, но его величинанесуществена по сравнению с аналогичным эффектом, вызываемым phot2.Фототропины распологаются вдоль внешней плазматической мембраны, и в ответна возбуждение синим светом часть phot1 переходит в цитоплазму, а часть phot229ассоциируется с коплексом Гольджи [49]. При этом предполагается, что длядостижения avoidance-эффекта фоторецепторы связываются с хлоропластами.У некоторых бесцветковых растений в дополнение к реакции на синий светтакже существует движение хлоропластов, индуцируемое светом красной областиспектра, при этом возможен как исключительно accumulation-эффект, так и обарассматриваемых эффекта.
Рецепторами в данном случае выступают фитохром инеохром. В случае высших растений роль фитохрома не выяснена, но существуетгипотеза, что фитохром опосредованно регулирует влияние фототропинов наavoidance-эффект. Так, в работе [44] у растений c ингибированным фитохромомPhyB наблюдалось увеличение avoidance, в том числе при наличии мутации пофототропину (ингибирование phot1 или phot2).Механизм передачи сигнала хлоропластам на сегодняшний день остаетсяневыясненным.
В работах [48,50] была изучена реакция хлоропластов начастичное освещение поверхности клеток синим и красным светом различнойинтенсивности. При использовании синего света высокой интенсивности (30Вт м−2)вклеткенаблюдалсяavoidance-эффект,причемхлоропластыперемещались к границе луча и при выключении света устремлялись в недавноосвещенную область. Такое поведение может говорить о том, что сигнал дляобоих эффектов появляется в одном месте – освещенной области.
Однако сигналavoidance действует на короткие расстояния (ограничивается диаметром луча), асигнал accumulation распространяется по всей клетке, так как даже хлоропласты,находящиеся у антиклинальной стенки клетки, перемещаются по направлению клучу.Существуетфототропинами,предположение,чтоavoidance-эффектраспологающимисянасамихстимулируетсяхлоропластахлибонаплазматической мембране под ними.Актиновые филаменты, являющиеся частью цитоскелета, не только играютроль путей, вдоль которых двигаются хлоропласты под действием синего света,они также закрепляют органеллы на плазматической мембране.
В растительной30клетке существует особый вид филаментов (cp-актин), используемый специальнодля передвижения и «заякоривания» хлоропластов и отличающийся откортикальногоактинамеханизмомдеполимеризации.Cp-актинбыстрораспадается на несколько коротких фрагментов, в отличие от кортикальногоактина,которыйдеполимеризуетсясконцов.Скоростьпередвиженияхлоропластов коррелирует с интенсивностью падающего синего света, так какперестройка актиновых филаментов регулируется фототропином phot2 [51,52].Таким образом, внутриклеточная система перемещения хлоропластов вответнавозбуждающийсветимеетсложнуюструктуруисистемумножественных обратных связей.
Перед современной наукой стоят задачивыяснения точных функций фоторецепторов, путей передачи сигналов отфоторецепторов к хлоропластам, а также молекулярных механизмов движенияхлоропластов.1.4.Метод импульсной флуориметрии.В последние годы метод импульсной флуориметрии стал одной из самыхраспространенных методов, применяемых в исследованиях фотосинтеза, а такжеэкологических и агротехнологических исследованиях. Одной из причин такойпопулярности служит появление большого числа портативных и легких виспользовании импульсных флуориметров. Другим важным аспектом являетсябольшое количество подробной информации о состоянии фотосинтетическогоаппарата, которое можно получить при использовании PAM-флуориметра (PulseAmplitude Modulation fluorometer) по сравнению с техникой однолучевойфлуоресценции.В обычных флуориметрах для возбуждения флуоресценции и иницированияфотосинтетических реакций используется один и тот же свет, что делает его непригодным для измерений in situ и затрудняет использование излучения краснойобласти спектра.
Конструкция PAM-флуориметра предполагает возбуждение31флуоресценцииизмерительнымсветом(ИС),представляющимсобоймикросекундные вспышки, частота которых может варьироваться в широкомдиапазоне. На фоне ИС происходит включение и выключение действующегосвета (ДС), используемого для индуцирования фотосинтетических реакций, атакже подача кратковременных насыщающих вспышек высокой интенсивности(НВ)дляразделениявкладовфото-инефотохимическоготушенияфлуоресценции (рис. 9).Возможность такого разделения является важным преимуществом PAMфлуориметрии.
В результате короткого и мощного светового импульсапроисходит закрытие всех реакционных центров ФС2, при этом длительность иинтенсивность вспышки не должна приводить к увеличению нефотохимическоготушенияидолговременнымизменениямфотосинтетическойактивности.Синхронизация включения/выключения ДС и подачи НВ осуществляется такимобразом, что эти виды освещения происходят между импульсами измерительногосвета, что позволяет избежать искажения уровня флуоресценции [53].Стандартныйпротоколизмерениймедленныхиндукционныхизмененийфлуоресценции на PAM-флуориметре предполагает предварительную темновуюадаптацию образца, после чего происходит включение измерительного света ирегистрируетсяначальныйуровеньфлуоресценцииF0.Последующееиспользование насыщающей вспышки приводит к резкому кратковременномувозрастанию флуоресценции до уровня Fm, при этом в образце отсутствует фотои нефотохимическое тушение.
Флуоресценция, вызванная применением НВ,быстро уменьшается, и после достижения ею начального уровня включаютдействующий свет. При этом происходит резкое возрастание интенсивностифлуоресценции и последующее ее снижение (эффект Каутского). Одновременно сэтим образецосвещаютповторяющимисянасыщающимивспышками, врезультате чего флуоресценция возрастает до уровня Fm', величина которогооказываетсяменьше,чемFm.Это32объясняетсязапускоммеханизмовнефотохимическоготушенияприосвещенииобразцаДС.Уровеньфлуоресценции, измеряемый непосредственно перед НВ, обозначается F.Текущий уровень флуоресценции от измерительного света F0' может бытьизмерен либо путем выключения ДС и освещения образца дальним краснымсветом сразу после насыщающей вспышки, либо вычислен автоматически [26].
Впервом случае должно произойти быстрое окисление QA за счет избирательноговозбуждения ФС1 дальним красным светом и окисления ЭТЦ междуфотосистемами.Рис. 9. Пример кинетики флуоресценции при измерении PAMфлуориметром: ИС – измерительный свет, ДС – действующий свет, НВ –насыщающая вспышка. Моменты включения измерительного света, включения ивыключения действующего света показаны вертикальными стрелками.33Указанные выше значения флуоресценции используются для вычисленияпоказателей, характеризующих функциональное состояние фотосинтетическогоаппарата.Для оценки максимальной эффективности ФС2 используется величина,называемая максимальным квантовым выходом ФС2 и измеряемая последлительной темновой адаптации образца.
Она обозначается Fv/Fm, где Fv = Fm − F0– переменная флуоресценция, и вычисляется по следующей формуле:Fv/Fm = (Fm − F0) / Fm.Предполагается, что этот показатель отражает потенциальную квантовуюэффективность ФС2. Для большинства видов растений его величина в нормеравна примерно 0,83 [54]. Снижение значения Fv/Fm свидетельствует о стрессовомсостоянии растения и частичном повреждении ФС2.Вклад фотохимического обычно оценивают с помощью одного из двухпараметров: эффективного квантового выхода фотосистемы 2 (ΦPSII) иликоэффициента фотохимического тушения флуоресценции (qP).Эффективный квантовый выход фотоситемы 2 был предложен в работе [55]как параметр, характеризующий долю поглощенной энергии возбуждения,используемой для фотохимических реакций. Данный параметр вычисляетсяследующим образом:ΦPSII = (Fm' − F) / Fm'.Для конкретного образца он может изменяться в пределах от 0 до значенияFv/Fm.ДругойширокораспространенныйпараметрqP,оценивающийэффективность фотохимических реакций, был предложен в работе [56] и можетбыть рассчитан по формуле:qP = (Fm' − F) / (Fm' −F0').34Параметр qP во многом схож с ΦPSII.
Он характеризует долю открытыхреакционных центров ФС2 и может принимать значения от 0 до 1. Данныйкоэффициент основан на модели изолированных антенн ФС2 (модель ―лужи‖)[57].Заметим, что для вычисления параметров Fv/Fm и ΦPSII нет необходимости вопределении значения F0', а параметр qP не содержит величину F0, поэтомукаждый из этих параметров может быть удобен при каких-либо ограничивающихусловиях эксперимента.Нефотохимическое тушение флуоресценции также может быть оценено спомощью двух используемых в литературе коэффициентов. Один из них былсформулирован ван Кутеном в работе [56] в дополнение к коэффициентуфотохимического тушения qP. Его принято обозначать qN и его вычислениепроисходит по формуле:qN = 1 − (Fm' − F0') / (Fm −F0).Из недостатков данного параметра можно указать необходимость измерениязначения F0 и узкий диапазон изменения (от 0 до 1), что делает его менеечувствительным к изменению больших величин нефотохимического тушения.Эти недостатки отсутствуют в другом коэффициенте нефотохимическоготушения, предложенном в работе [58]:NPQ = Fm / Fm' – 1.Теоретически данный коэффициент может принимать значения от 0 добесконечности, но обычно лежит в диапазоне 0,5 – 3,5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
