Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время ставится вопрос о необходимости изучения адаптивной способности растения как целого, с учётом многоуровневое и сетевой организации адаптационных механизмов (Ruban, 2009). Среди факторов, на которые гибко реагируют приспособительные механизмы высших растений, в первом ряду стоят изменения уровня инсоляции. Эффективность приспособления растений к флуктуациям инсоляции обусловлена главным образом лабильностью фотосинтстического аппарата (ФСА), которая обеспечивает растениям успешный рост и развитие в непрерывно меняющихся внешних условиях. В зависимости от продолжительности изменения уровня инсоляции выделяют два типа воздействий: кратковременные (от секунд до часов; «short-term») и долговременные (от суток и более; «long-term»; Walters, 2005; Ballotari et al., 2007). Адаптивные механизмы и ответные реакции растений на эти типы воздействий принципиально различны. На сегодняшний день влияние долговременных изменений уровня инсоляции на ФСА исследовано менее полно, чем кратковременных (Wagner, 2008).
В перестройках ФСА, вызванных долговременными изменениями освещенности, важная роль принадлежит преобразованиям пигмент-белковых комплексов тилакоидной мембраны хлоропластов, в которых огромную роль играет метаболизм хлорофиллов: основного хлорофилла а (Хла) и «вспомогательного» хлорофилла Ъ (ХлЬ), образующегося и деградирующего в ходе так называемого цикла хлорофиллов (Tanaka et al., 1994; Oster et al., 2000). Регуляция биосинтеза ХлЬ чрезвычайно важна для эффективного процесса фотосинтеза, в первую очередь потому, что Хлб - кофактор, необходимый для формирования периферической антенны ФС II: стабильны и длительно функционируют только Хлб-связанные белки периферической антенны (Paulsen et al., 1993; Tanaka and Tanaka, 2011). С другой стороны, исключительно важно своевременное торможение накопления ХлЬ, поскольку не связанные с белком молекулы хлорофилла могут приводить к развитию окислительного стресса.
Продуктивным подходом в исследованиях роли ХлЬ в биогенезе и перестройках пигмент-белковых комплексов в процессах акклимации ФСА стал анализ .мутантов с синдромом chlorina, в хлоропластах которых ХлЬ либо отсутствует, либо его содержание снижено по сравнению с диким типом. Мутанты, лишённые ХлЬ, характеризуются редукцией антенных комплексов фотосистем и не способны изменять размер периферической антенны в зависимости от световых условий. Вследствие этого такие мутанты уступают растениям дикого типа в эффективности перестроек ФСА при смене освещения, а также проявляют низкую фотосинтетическую активность, медленный рост и высокую светочувствительность (Leverenz et al., 1992; Tanaka and Tanaka, 2000; Peng et al., 2002; Lin et al., 2003). Вопросу адаптации мутантов chlorina к свету высокой интенсивности в литературе уделялось значительное внимание; однако, практически не изучен вопрос о том, как приспосабливаются такие растения к пониженному уровню инсоляции. Между тем, исследования изменений состава тилакоидных мембран у лишенных ХлЬ мутантов chlorina при низкой интенсивности света, когда у растений дикого типа
стимулируется биосинтез белков ССК и увеличивается размер Хлб-содержащей антенны, могут дать новую ценную информацию относительно регуляции биогенеза компонентов фотосинтетического аппарата - комплексов фотосистем, белков периферической антенны и самих хлорофиллов.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы было охарактеризовать приспособительные реакции ФСА у растений с заблокированным синтезом ХлЬ при долговременном снижении инсоляции и при последующем возвращении к полному солнечному свету, а также исследовать отдаленные последствия периода снижения инсоляции на продукционный процесс как интегральный показатель эффективности приспособления ФСА к световым условиям.
Для реализации поставленной цели исследования был выбран мутант ячменя Hordeum vulgare L. cv. Donaria - chlorina 3613 (с/о3613) со сниженным уровнем Хла и полным отсутствием ХлЬ, в составе фотосистем которого частично редуцированы белки ССК I и ССК II (Lokstein et al., 1993; Leverenz et al., 1992). Этот мутант был получен путем рентгеновского облучения семян ячменя сорта Donaria (Apel, 1967). В качестве объекта с ненарушенным путем биосинтеза ХлЬ использовался родительский генотип - cv. Donaria.
Были поставлены следующие задачи:
-
Разработать схему эксперимента по изменению режима инсоляции в ходе онтогенеза дикого типа и мутанта, с учетом различий в их вегетационном цикле, с целью обеспечения корректного сравнительного анализа.
-
У растений Donaria и dom3 в ходе экспериментальных изменений уровня инсоляции сравнить динамику следующих показателей:
а) состав и относительные количества белков фотосистем, ССК I и ССК II;
б) содержание хлорофиллов и каротиноидов (Р-каротина, виолаксантина,
лютеина, неоксантина, зеаксантина), а также активность виолаксантинового цикла;
в) интенсивность и световая зависимость С02-газообмена листьев;
г) ультраструктура тилакоидной системы хлоропластов мезофилла листа;
д) вегетативная и семенная продуктивность, а также морфометрические
параметры габитуса растений.
Научная новизна работы. Впервые у мутанта ячменя с заблокированным синтезом Хлб описаны изменения основных структурно-функциональных характеристик ФСА, а также динамика фотосинтетического газообмена и динамика ультраструктуры хлоропластов, при продолжительном воздействии пониженного уровня инсоляции. В результате проведенного исследования пересмотрено представление о низкой пластичности фотосинтетического аппарата мутантов с полным блоком биосинтеза ХлЬ и о неспособности таких растений эффективно приспосабливаться к изменению световых условий. Впервые показана возможность восстановления высокой эффективности фотосинтетической фиксации С02 и продуктивности на фоне отсутствия ХпЬ за счет увеличения биосинтеза Хла и перестроек ансамбля фотосистем и тилакоидной системы хлоропластов. Охарактеризованы условия (температурный и световой режим, фаза онтогенеза), вызывающие переход мутанта domi от низкопродуктивного к высокопродуктивному
фенотипу. Впервые получены данные, иллюстрирующие взаимосвязь между уровнем биосинтеза Хпа и изменениями в биогенезе фотосистем у растений с заблокированном циклом хлорофиллов. Выдвинута гипотеза о том, какие структурные, физиологические и молекулярные механизмы участвуют в формировании двух фенотипов растений с кардинально различной эффективностью фотосинтеза на основе одного и того же генотипа cloieu. Предложена новая модель для изучения биогенеза компонентов фотосинтетического аппарата и роли света в регуляции этого процесса.
Научно-практическое значение. Результаты проведенных исследований позволяют пересмотреть ряд представлений о роли ХлЬ в ФСА высших растений. Полученные данные не подтверждают предположение о невозможности формирования в хлоропластах многотилакоидных гран с высокой степенью стэкинга в отсутствие Хлб-содержащих белков ССК (Crocc et al., 1995; см. также Allen, 1998). Обнаруженный у зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii (Polle et al., 2000) феномен наращивания большей биомассы в отсутствие ХпЪ впервые найден у высших растений. Показано, что мутант ячменя с!оЪ1,п является перспективной моделью для изучения биогенеза компонентов фотосинтетического аппарата и роли света в детерминации этого процесса. Результаты исследований могут быть использованы при чтении курсов лекций по генетике и физиологии растений.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на 1(1Х) Молодежной конференции ботаников (Санкт-Петербург, 2006); Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (Сыктывкар, 2007); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы ботаники в начале XXI» (Петрозаводск, 2008); Международной конференции «Актуальные проблемы ботаники и экологии» (Тернопіль, Украина, 2009); на семинаре Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино, 2009); Международном 10-м конгрессе по фотосинтезу «10th Nordic Photosynthesis Congress» (Tartu, Эстония, 2010); Международном XXIV конгрессе скандинавского общества физиологов растений (Ставангер, Норвегия, 2011); VI Съезде российского фотобиологического общества (Шепси, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, иллюстрирована 30 рисунками и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка цитируемой литературы. Библиографический указатель включает 290 наименований источников, в том числе 218 ссылок на работы зарубежных авторов.
