Тенденція змін відносного вмісту та співвідношення ПБК за умов підвищення частки випромінювання в червоній області на 35% була аналогічною до попередніх даних: спостерігалося зниження мономерних форм СЗКII та збільшення (на 28%) відносного вмісту олігомерних форм СЗКII і найближчих до РЦ ФСII світлозбиральних ПБК (табл. 5).
Таблиця 5
Розподіл хлорофілу в пігмент-білкових комплексах тилакоїдів гороху, вирощеного при освітленні люмінесцентними лампами та при збільшенні на 35% частки червоного світла у їх світлопотоці (М ± , n = 6)
Хлорофіл-білкові комплекси та їх співвідношення Джерела світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
контроль, ЛБ-40 (45) дослід, ЛБ-40 (45) + ЧС (40)
відносна частка кожної зони, %
СР1а + СР1 23,1 ± 0,039 23,5 ± 0,02***
LHCP1 17,86 ± 0,26 22,92 ± 0,32**
CРa 7,75 ± 0,51 8,62 ± 0,2*
LHCP3 22,9 ± 0,037 19,39 ± 0,21**
FР 28,37 ± 0,46 25,85 ± 0,66*
LHCP3/LHCP1 1,28 ± 0,02 0,85 ± 0,02**
LHCP1 + LHCP3 40,76 ± 0,24 42,3 ± 0,14***
Відомо, що головна роль в стабілізації тримерного комплексу СЗКII належить ліпідам, зокрема фосфатидилгліцеролу (Nussberger et al., 1993). Вища стабільність олігомерів СЗКII у дослідних рослин, тобто більш стійке зв’язування між мономерами у тримері, може бути пов’язана з характером організації компонентів-мономерів, зокрема, із змінами специфічних білковo-ліпідних взаємодій.
Отримані результати дозволяють зробити висновок, що при збільшенні на 35% частки червоного світла на фоні низькоінтенсивного освітлення спостерігалася вища стабільність СЗКII, про що свідчило зростання на 28% кількості його олігомерних форм (табл. 5). Підвищення на 15% (табл. 3) і 3,3% (табл. 4) частки червоної складової призводило до збільшення на 10% і 15% олігомерних форм відповідно. Вищу стабільність олігомерних форм СЗКII за умов додавання 40 мкмоль·м-2·с-1 червоного випромінювання на фоні низькоінтенсивного (45 мкмоль·м-2·с-1) можна пояснити як власне більшою часткою червоного світла у світлопотоці, так і підсвічуванням на фоні низькоінтенсивного білого світла, де спостерігається незбалансоване збудження фотосистем. Зміна спектрального складу світла при вирощуванні, очевидно, покращує збалансованість фотосистем.
Таким чином, зміна спектру люмінесцентних ламп в червоній області з використанням світлодіодів вузького спектрального діапазону призводить до змін структурної організації фотосинтетичних мембран на рівні їх ПБК, а саме: посилення стійкості супрамолекулярних ПБК найближчої світлозбиральної антени ФСII та СЗКII, що може сприяти більш ефективній утилізації світлової енергії.
Дослідження функціонального стану ФСА рослин гороху, вирощеного за умов різного спектрального складу світла методом індукції флуоресценції хлорофілу (ІФХ). Збільшення на 15% частки червоного світла у світлопотоці люмінесцентних ламп не призводило до змін величини максимального квантового виходу фотохімічних реакцій ФСII (Fv/Fm) в адаптованих до темряви листках (табл. 6). Це свідчить про подібну потенційну ефективність фотохімічних реакцій ФСII, тобто розділення зарядів.
Ефективний квантовий вихід фотохімічних реакцій ФСІІ, F'v/F'm, який використовують для оцінки їх максимальної ефективності при дії світла, коли зв’язані пластохінони є частково відновленими, був вищим при діючому світлі 500 і 1500 мкмоль·м-2·с-1 у листках дослідних рослин, порівняно з контрольними (табл. 6). При 1500 мкмоль·м-2·с-1 значення F'v/F'm було нижчим як у контрольних, так і дослідних рослин. Це пов’язано з фотоінгібуванням, тобто світлозалежною редукцією ефективності фотосинтезу, яка спостерігається в екстремальних умовах (Powles et al., 1984).
Таблиця 6
Параметри ІФХ при різній інтенсивності діючого світла в листках гороху, вирощеного при освітленні люмінесцентними лампами та при збільшенні на 15% частки червоного світла у їх світлопотоці (М ± , n = 8)
Параметри ІФХ Джерела світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
контроль,
ЛБ-40 (60) дослід,
ЛБ-40 (60) +
ЧС (15) контроль,
ЛБ-40 (60) дослід,
ЛБ-40 (60) +
ЧС (15)
щільність потоку фотонів діючого світла, мкмоль·м-2·с-1
500 1500
Fv/Fm 0,80 ± 0,08 0,77 ± 0,007*** 0,78 ± 0,009 0,76 ± 0,001***
F'v/F'm 0,56 ± 0,037 0,60 ± 0,039* 0,39 ± 0,008 0,49 ± 0,015**
qP 0,77 ± 0,024 0,80 ± 0,034* 0,27 ± 0,01 0,55 ± 0,09**
qN 0,63 ± 0,005 0,53 ± 0,01** 0,81 ± 0,008 0,69 ± 0,036**
ϕФСII 0,43 ± 0,012 0,48 ± 0,004* 0,10 ± 0,002 0,27 ± 0,023**
Величина фотохімічного гасіння, qP, що відображає ступінь окисненості пулу QА, була вищою у рослин, вирощених за умов зміни спектрального складу світла в червоному діапазоні при діючому світлі обох інтенсивностей. Вищий рівень qP дослідних рослин, що особливо виражений при інтенсивності діючого світла 1500 мкмоль·м-2·с-1, вказує на більшу частку ФСІІ з QА в окисненому стані, тобто “відкритих” реакційних центрів (табл. 6). Зростання величини qP у рослин, вирощених при збільшенні частки червоного світла, можна пояснити швидшим окисненням пластохінону комплексом цитохрому b6/f внаслідок кращого відтоку електронів до ФСI. Дані зміни можна пояснити кращою збалансованістю збудження обох фотосистем при вирощуванні рослин, порівняно з контролем.
Величина нефотохімічного гасіння, qN, що характеризує рівень теплової дисипації у світлозбиральному хлорофіл a/b білковому комплексі ФСII, при діючому світлі різної щільності потоку фотонів була нижчою у листках дослідних рослин. Нижчий рівень qN у світлозбиральній антені цих рослин вказує на меншу долю розсіювання енергії в СЗКII, і, відповідно, на більшу частку її утилізації, що підтверджується вищим значенням параметру qP.
Квантовий вихід електронного транспорту (ϕФСII) був вищим у листках дослідних рослин при дії різної щільності потоку фотонів діючого світла. Виходячи з отриманих даних, можна відзначити пряму залежність між рівнем qP і ϕФСII: більша частка енергії, що йде на фотохімічне гасіння, забезпечує вище значення електронного транспорту.
Вивчення параметрів кривих індукції флуоресценції хлорофілу листків рослин, що зростали при збільшенні на 3,3% частки червоної складової спектру ФАР, показало, що величина Fv/Fm в адаптованих до темряви листках контрольних та дослідних рослин практично залишалася без змін (табл. 7). Навіть і за умов інтенсивного світлового потоку ламп збільшення частки червоного світла в їх світлопотоці всього на 3,3% призводило до підвищення величини F'v/F'm при діючому світлі різної щільності потоку фотонів, що свідчить про ефективнішу утилізацію світлової енергії цими рослинами. Так, в листках рослин відмічали вище значення параметру qP при діючому світлі 500 мкмоль·м-2·с-1, тоді як величина qN при даній інтенсивності практично не змінювалася.
Таблиця 7
Параметри ІФХ при різній інтенсивності діючого світла в листках гороху, вирощеного при освітленні люмінесцентними лампами та при збільшенні на 3,3% частки червоного світла у їх світлопотоці (М ± , n = 8)
Параметри ІФХ Джерела світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
контроль,
ЛБ-40 (310) дослід,
ЛБ-40 (310) + ЧС (15) контроль,
ЛБ-40 (310) дослід,
ЛБ-40 (310) + ЧС (15)
щільність потоку фотонів діючого світла, мкмоль·м-2·с-1
500 1500
Fv/Fm 0,71 ± 0,062 0,78 ± 0,022*** 0,71 ± 0,07 0,77 ± 0,004***
F'v/F'm 0,43 ± 0,01 0,63 ± 0,01** 0,35 ± 0,018 0,48 ± 0,035**
qP 0,78 ± 0,007 0,84 ± 0,009* 0,73 ± 0,015 0,64 ± 0,034***
qN 0,48 ± 0,012 0,47 ± 0,03*** 0,71 ± 0,007 0,76 ± 0,035***
ϕФСII 0,34 ± 0,03 0,53 ± 0,001** 0,26 ± 0,009 0,31 ± 0,021*
Слід зауважити, що характерна закономірність у підвищенні qP та зниженні qN не спостерігалася в листках рослин при діючому світлі високої щільності потоку фотонів (1500 мкмоль·м-2·с-1). Натомість, величина ϕФСII була вищою у листках дослідних рослин за різної щільності потоку фотонів діючого світла. При 1500 мкмоль·м-2·с-1 спостерігалося зниження величини ϕФСII як наслідок фотоінгібу-вання.
Для з’ясування максимально можливого впливу червоного підсвічування на параметри індукції флуоресценції листків гороху, зміну спектрального складу здійснювали на фоні низькоінтенсивного світла (45 мкмоль·м-2·с-1) (табл. 8). При цьому не відмічалися відмінності у величині Fv/Fm, тоді як значення F'v/F'm було вищим при діючому світлі різної щільності потоку фотонів.
Таблиця 8
Параметри ІФХ при різній інтенсивності діючого світла в листках гороху, вирощеного при освітленні люмінесцентними лампами та при збільшенні на 35% частки червоного світла у їх світлопотоці (М ± , n = 8)
Параметри ІФХ Джерела світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
контроль,
ЛБ-40 (45) дослід,
ЛБ-40 (45) +
ЧС (40) контроль,
ЛБ-40 (45) дослід,
ЛБ-40 (45) +
ЧС (40)
щільність потоку фотонів діючого світла, мкмоль·м-2·с-1
500 1500
Fv/Fm 0,744 ± 0,001 0,755 ± 0,001*** 0,749 ± 0,001 0,766 ± 0,01***
F'v/F'm 0,489 ± 0,018 0,563 ± 0,057* 0,331 ± 0,031 0,386 ± 0,045*
qP 0,823 ± 0,009 0,859 ± 0,008** 0,412 ± 0,041 0,571 ± 0,002**
qN 0,679 ± 0,03 0,551 ± 0,094* 0,832 ± 0,022 0,791 ± 0,028*
ϕФСII 0,404 ± 0,019 0,484 ± 0,054** 0,143 ± 0,03 0,227 ± 0,019**
В листках дослідних рослин величина qP була більшою при різному діючому світлі. Вищий її рівень, особливо виражений при 1500 мкмоль·м-2·с-1 (табл. 8), вказує на більшу частку ФСІІ з QА в окисненому стані, що можна пояснити швидшим окисненням пластохінону комплексом цитохромів b6/f .
У відповідь на збільшення частки червоної складової, рівень qN в листках гороху був нижчим при діючому світлі різної щільності потоку фотонів, натомість, відмічалося підвищення величини квантового виходу електронного транспорту, ϕФСII (табл. 8).
Вища стабільність СЗКII комплексу дослідних рослин, яка може бути пов’язана із змінами ліпід-білкових взаємодій, і, відповідно, конформаційними перебудовами мономерів та орієнтацією пігментних макроциклів, забезпечує ефективнішу передачу енергії збудження до реакційних центрів. Це підтверджується нижчим рівнем теплової дисипації в СЗКII, світлозбиральній антені. Навпаки, більш високий рівень qN в листках контрольних рослин знаходиться в прямій залежності з меншою стабільністю СЗКII, тобто його більшою “рихлістю”, що добре видно на електрофореграмах (рис. 3). Отже, нижчий рівень qN в листках дослідних рослин пов’язаний із вищою стабільністю та “компактністю” в організації СЗКII, про що свідчить підвищення вмісту його олігомерних форм.
Таким чином, проведені флуоресцентні дослідження показали, що збільшення на 15%, 3,3% і 35% частки червоного випромінювання у спектрі ФАР на фоні різних інтенсивностей люмінесцентних ламп призводило до змін функціонального стану ФСА. Встановлено, що рослини, вирощені за умов домінування червоної складової спектру ФАР, характеризуються вищою ефективністю роботи ФСА, про що свідчить зростання рівнів qP, F'v/F'm та ϕФСII. При порівнянні флуоресцентних параметрів встановлено, що дослідні рослини, маючи вищі рівні qP, F'v/F'm і ϕФСII, є більш стійкими до фотоінгібування порівняно з контрольними. Нижчий рівень qN в листках цих рослин може бути пов’язаний з більшою стабільністю CЗКII.
Вплив змін спектрального складу світла на гетерогенність акцепторної сторони ФСII. Комплекси ФСII, здатні до розділення зарядів, але не можуть переносити електрони між QA і QB, називають QB-невідновлюючими, а здатні до перенесення електронів – QB-відновлюючі. Результати, отримані з даних кривих ІФХ в мілісекундному діапазоні, свідчать, що за умов вирощування рослин при освітленні лампами низької інтенсивності, вміст QB-невідновлюючих комплексів ФСII у листках складав 26% від загального числа комплексів ФСII (табл. 9). Натомість, у відповідь на збільшення частки червоної складової спектру спостерігалося зниження (на 23%) вмісту QB-невідновлюючих комплексів ФСII, порівняно з контролем (табл. 9).
Таблиця 9
Вміст QВ-невідновлюючих комплексів фотосистем у рослин, вирощених за умов різного спектрального складу світла (М ± , n = 8)
Вміст QВ-невідновлю-
ючих комплексів, % Джерело світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
конроль, ЛБ-40 (45) дослід, ЛБ-40 (45) + ЧС (40)
26 ± 0,7 20 ± 1**
Таким чином, менший вміст QB-невідновлюючих комплексів у рослин, вирощених за умов зміни спектрального складу світла, може бути обумовлений, з одного боку, вищою швидкістю циклу репарації комплексів ФСII, з іншого, кращою збалансованістю освітлення при вирощуванні, що зменшує імовірність дезактивації центрів ФСII.
Вплив змін спектрального складу світла на перерозподіл енергії збудження між фотосистемами. Швидкі зміни інтенсивності та спектрального складу сонячного світла призводять до дисбалансу між швидкостями збудження ФСI і ФСII. У рослин цей дисбаланс може бути усунений шляхом перерозподілу енергії збудження між фотосистемами, так званого переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2”, який відіграє важливу роль в короткотерміновій регуляції світлозбору та захисті ФСII від фотопошкодження (Carlberg et al., 1993).
Відносні зміни виходу модульованої флуоресценції хлорофілу листків гороху під час переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” приведено на рис. 4. При освітленні “Світлом 2” (λ = 480 нм), що поглинається переважно ФСII, ФСА переходить в “Стан 2” (відбувається фосфорилювання та міграція СЗКII до ФСІ, що супроводжується падінням виходу флуоресценції); зворотній процес – перехід в “Стан 1” (дефосфорилювання, міграція СЗКII до ФСII та зростання рівня флуоресценції хлорофілу), викликається освітленням “Світлом 1” (λ > 700 нм), що поглинається переважно ФСI, на фоні “Світла 2”.
Інтенсивність переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2”, що оцінювалась за величиною періоду напівпереходу (tЅ), була вищою в листках рослин, вирощених за умов збільшення на 35% частки червоного світла. Натомість, більш повільний перехід спостерігався в листках контрольних рослин, про що свідчить вище значення (2,44) величини часу напівпереходу між станами (табл. 10). Вище значення vF у листках рослин, що зростали за умов зміненого спектрального складу, вказує на ефективніше використання ними світлової енергії.
Таблиця 10
Параметри переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” в рослин гороху, вирощених за умов різного спектрального складу світла (М ± , n = 8)
Параметри переходу ФСА Джерело світла, щільність потоку фотонів, мкмоль·м-2·с-1
контроль, ЛБ-40 (45) дослід, ЛБ-40 (45) + ЧС (40)
t Ѕ, хв 2,44 ± 0,06 1,86 ± 0,19**
VF 0,107 ± 0,008 0,148 ± 0,003**
Нормалізовані сигнали флуоресценції хлорофілу контрольних та дослідних рослин на рівні “Стану 1” показують різну кінетику переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” (рис. 5): це свідчить про те, що рослини, вирощені за умов збільшення частки червоного світла у світлопотоці ламп, швидше реагують на зміни світлових умов порівняно з контрольними. Інтенсивніший перехід у листках дослідних рослин пов’язаний, ймовірно, зі значно швидшим реокисненням пластохінонового пулу (PQ) порівняно з контрольними. Одержані результати дозволяють припустити, що однією з причин інтенсивнішої міграції СЗКII від ФСII до ФСI у рослин, вирощених за умов збільшення частки червоної складової спектру, є вищий рівень відновленого PQ після включення “Світла 2”. Підвищення вмісту відновленого PQ може залежати від двох факторів: більшого розміру пулу власне відновленого PQ у рослин чи вищої швидкості його відновлення після включення “Світла 2”. Швидше реокиснення PQ в листках дослідних рослин може бути пов’язано з вищою стабільністю та компактністю СЗКII, що сприяє ефективнішій передачі енергії збудження до реакційних центрів.
Таким чином, нами встановлена вища інтенсивність переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” у рослин гороху при вирощуванні на світлі, зміненому в червоній області спектру. Це забезпечує швидший перерозподіл енергії між фотосистемами і усунення дисбалансу між швидкостями їх збудження.
ВИСНОВКИ
1. Досліджено організацію світлозбирального хлорофіл a/b білкового комплексу та функціональні характеристики фотосинтетичного апарату рослин гороху (Pisum sativum L.). Знайдено, що за умов збільшення частки червоної складової у спектрі ФАР відбувається формування більш стабільного та ефективного світлозбирального комплексу.
2. Встановлено, що вміст пігментів (хлорофіли а, b і каротиноїди) є вищим в листках гороху, вирощеного при додаванні червоного випромінювання світлодіодів вузького спектрального діапазону (λмакс = 660 нм, Дλ = 20 нм) до фонового освітлення люмінесцентних ламп ЛБ-40 низької та високої інтенсивності. Хлоропласти, ізольовані з цих рослин, характеризуються більшою швидкістю фотохімічних реакцій.
3. Показано, що у відповідь на підвищення частки червоної складової спектру спостерігається зростання відносного вмісту олігомерних форм світлозбирального хлорофіл a/b білкового комплексу та найближчого до реакційного центру ФСII світлозбирального пігмент-білкового комплексу, що вказує на збільшення їх стабільності.
4. У листках рослин, що зростали на світлі, зміненому в червоній області спектра, виявлено вищу ефективність функціонування фотосинтетичного апарату. Це підтверджується зростанням рівнів ефективного квантового виходу фотохімічних реакцій ФСII, квантового виходу електронного транспорту та ступеня окисненості пула первинних акцепторів QА. Нижчий рівень нефотохімічного гасіння флуоресценції хлорофілу в листках цих рослин узгоджується із виявленими змінами в організації світлозбирального хлорофіл a/b білкового комплексу, більшою стабільністю його олігомерної структури.
5. Збільшення частки червоного випромінювання у спектрі ФАР призводить до зниження кількості QB-невідновлюючих комплексів ФСII в хлоропластах, що може бути результатом як вищої швидкості відновлення комплексів ФСII, так і кращої збалансованості освітлення, що зменшує імовірність дезактивації центрів ФСII.
6. Встановлено, що додавання червоного світла сприяє посиленню інтенсивності переходу фотосинтетичного апарату із “Стану 1” у “Стан 2”. Це забезпечує ефективніший перерозподіл енергії збудження між фотосистемами.
СПИСОК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Топчій Н.М., Сиваш О.О., Фомішина Р.М. Вплив світла різної інтенсивності та спектрального складу на пігментний апарат та функціональні характеристики хлоропластів гороху (Pisum sativum L.) // Український ботанічний журнал. – 2004. – Т. 61. – № 5. – С. 91–98. (Особистий внесок здобувача – опрацювання літератури за темою досліджень, визначення вмісту пігментів у листках та швидкості електронного транспорту, статистична обробка результатів).
2. Топчій Н.М., Сиваш О.О. Структурно-функціональні характеристики фотосинтетичного апарату гороху (Pisum sativum L.) в умовах варіації спектрального складу світла в червоному діапазоні // Український ботанічний журнал. – 2005. – Т. 62. – № 4. – С. 581–588. (Особистий внесок здобувача – аналіз пігмент-білкових комплексів тилакоїдних мембран, визначення параметрів індукції флуоресценції хлорофілу, статистична обробка результатів, написання статті).
3. Topchiy N.M., Sytnik S.K., Syvash O.O and Zolotareva O.K. The effect of additional red irradiation on the photosynthetic apparatus of Pisum sativum // Photosynthetica. – 2005. – Vol. 43, № 3. – P. 451–456. (Особистий внесок здобувача – вивчення організації ПБК та функціонального стану фотосинтетичного апарату методами електрофорезу та індукції флуоресценції хлорофілу, аналіз отриманих результатів, написання статті).
4. Топчій Н.М., Сиваш О.О. Вплив спектрального складу світла на функціональний стан фотосинтетичного апарату гороху (Pisum sativum L.), вирощеного за умов штучного освітлення // Актуальні проблеми ботаніки та екології. – Київ, 2005. – Випуск 10 (1). – С. 264– 271. (Особистий внесок здобувача – визначення інтенсивності переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” методом ІФХ, оцінка параметрів кривих індукцій, аналіз ПБК, статистична обробка результатів).
5. Топчій Н.М., Ситник С.К., Сиваш О.О. Вплив зміни спектрального складу світла на пігментний апарат хлоропластів гороху (Pisum sativum L.) // Матеріали VIII Українського біохімічного з’їзду (1–3 жовтня 2002 р.). Чернівці: Інститут біохімії
ім. О.В. Палладіна НАН України, 2002. – Т. 74, № 4б (додаток 2). – С. 144.
6. Topchiy N.M., Sytnik S.K., Syvash O.O. The effect of spectral composition of light on pigment apparatus and functional characteristics of pea chloroplasts // Photosynthesis and Сrop Рroduction: Аbstracts of the International Сonference (7–11 Осtober 2002). – Kyiv: : Institute of Plant Physiology and Genetics NASU, 2002. – P. 103.
7. Топчій Н.М., Подорванов В.В., Онойко О.Б. Залежність швидкості фотохімічних реакцій від інтенсивності збуджуючого світла в хлоропластах гороху, вирощеного при різному освітленні // Сучасні напрямки у фізіології та генетиці рослин: Матеріали конференції молодих вчених (23–25 жовтня 2002 р.). – Київ: Інститут фізіології рослин і генетики НАНУ, 2002. – С. 14.
8. Топчий Н.Н., Сытник С.К., Сиваш А.А. Изменение фотосинтетического аппа-рата гороха (Pisum sativum L.) при вариации интенсивности освещения в красной области // Физиология растений – основа фитобиотехнологии: Материалы V съезда общества физиологов растений России и Международной конференции (15–21 сентября 2003 г.). – Пенза: Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 2003. – С. 81.
9. Топчій Н.М., Сиваш О.О. Фотосинтетичний апарат гороху (Pisum sativum L.) в умовах різної інтенсивності та якості світла // Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти: Матеріали II Міжнародної конференції (18–21 серпня 2004 р.). – Львів: Львівський національний університет ім. Івана Франка, 2004. – С. 283.
10. Topchiy N.M., Syvash O.O. The effect of light quality on State 1 – State 2 transitions in pea plants // Актуальні проблеми ботаніки та екології: Матеріали конфе-ренції молодих учених-ботаніків (7–10 вересня 2004 р.). – Канів: Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, 2004. – С. 205.
АНОТАЦІЯ
Топчій Н.М. Роль світлозбирального комплексу в адаптації вищих рослин до умов освітлення. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.04 – біохімія. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2006.
Дисертація присвячена з’ясуванню особливостей організації світлозбирального хлорофіл а/b білкового комплексу (СЗКII) та функціональних характеристик фотосинтетичного апарату (ФСА) рослин гороху посівного (Pisum sativum L.) при адаптації рослин до змін спектрального складу світла.
Встановлено, що додавання червоного випромінювання світлодіодів L-53SRC-F (λмакс = 660 нм) вузького спектрального діапазону (∆λ = 20 нм) до фонового освітлення люмінесцентних ламп різної інтенсивності призводить до: підвищення вмісту пігментів (хлорофілів а, b і каротиноїдів) в листках; швидкості фотохімічних реакцій в ізольованих хлоропластах; стабільності олігомерних форм СЗКII та найближчого до реакційного центру фотосистеми II (ФСII) світлозбирального пігмент-білкового комплексу; ефективності функціонування ФСА, що підтверджується зростанням квантового виходу фотохімічних реакцій ФСII та електронного транспорту, рівня окисненості пулу первинних акцепторів хінонової природи QА; інтенсивності переходу ФСА із “Стану 1” у “Стан 2” та зниження кількості QB-невідновлюючих комплексів ФСII. Нижчий рівень нефотохімічного гасіння флуоресценції хлорофілу листків гороху, вирощеного за умов збільшення частки червоного світла, узгоджується із виявленими змінами в організації СЗКІІ, більшою стабільністю його олігомерної структури.
Ключові слова: фотосинтетичний апарат, світлозбиральний хлорофіл а/b білковий комплекс, пігмент-білкові комплекси, фотохімічні реакції, флуоресценція, світлодіоди, спектральний склад.
АННОТАЦИЯ
Топчий Н.Н. Роль светособирающего комплекса в адаптации высших растений к условиям освещения. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.04 – биохимия. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2006.
Диссертация посвящена выяснению особенностей организации светособирающего хлорофилл а/b белкового комплекса (ССКII) тилакоидных мембран и функциональных характеристик фотосинтетического аппарата (ФСА) растений гороха (Pisum sativum L.) при их адаптации к вариациям спектрального состава света.
Объектами исследования были двухнедельные растения гороха посевного (Pisum sativum L.), выращенные на среде Кноппа при температуре 20-220С и фотопериоде 14 часов под люминесцентными лампами ЛБ-40 при плотности потока фотонов 45, 60 и 310 мкмоль·м-2·с-1. К фоновому освещению люминесцентных ламп добавляли красное излучение светодиодов (L-53SRC-F, λмакс = 660 нм, ∆λ = 20 нм, Kingbright, Германия). Плотность потока фотонов составляла 15 и 45 мкмоль·м-2·с-1.
Установлено, что добавление красного излучения светодиодов узкого спектрального диапазона к фоновому освещению разной интенсивности приводит к повышению содержания пигментов (хлорофиллов а, b и каротиноидов) в листьях, что может быть следствием увеличения количества хлоропластов или тилакоидных мембран. Показано, что скорость разобщенного электронного транспорта была выше в хлоропластах, изолированных из растений, выращенных при увеличении доли красного света в спектре ФАР.
Исследования организации пигмент-белковых комплексов тилакоидных мембран методом неденатурирующего ДДС-Na-электрофореза показали, что усиление красной компоненты общего светопотока на 15%, 3,3% и 35% приводит к возрастанию стабильности олигомерных форм ССКII фотосистемы II (ФСII), что способствует более эффективной утилизации световой энергии. При этом, большая стабильность ССКII растений может быть обусловлена повышением прочности связывания мономеров в тримере.
Методом индукции флуоресценции хлорофилла установлено, что квантовый выход фотохимических реакций ФСII и электронного транспорта, уровень фотохимического тушения флуоресценции хлорофилла возрастали в листьях, выращенных при увеличении доли красного света, что свидетельствует о более эффективном функционировании ФСА растений. Анализ флуоресцентных параметров показал большую резистентность этих листьев к фотоингибированию по сравнению с контролем. Усиление красной составляющей спектра при выращивании приводило к изменениям других характеристик ФСА, в частности, к снижению уровня нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла, что согласуется с полученными изменениями в организации СЗКІІ, большей стабильностью его олигомерной структуры.
Интенсивность перехода ФСА из “Состояния 1” в “Состояние 2” была большей в листьях растений, выращенных при добавлении красного излучения светодиодов. Это свидетельствует о более эффективном перераспределении энергии возбуждения между ФСІІ и ФСІ. Кроме того, количество QB-невосстанавливающих комплексов ФСII в листьях опытных растений снижалось, что может быть связано как с большей скоростью репарации комплексов ФСІІ, так и лучшей сбалансированностью освещения, что снижало вероятность дезактивации центров ФСІІ
Ключевые слова: фотосинтетический аппарат, светособирающий хлорофилл а/b белковый комплекс, пигмент-белковые комплексы, фотохимические реакции, флуоресценция, светодиоды, спектральный состав.
SUMMARY
Topchiy N.M. Role of the light harvesting complex in adaptation of higher plants to light conditions. - Manuscript.
Dissertation for the PhD degree in speciality of 03.00.04 – biochemistry. – National Taras Shevchenko University of Kyiv, Kyiv, 2006.
The dissertation is dedicated to the study of light-harvesting chlorophyll а/b protein complex organization and functional characteristics of photosynthetic apparatus of pea plants (Pisum sativum L) under adaptation to changes of spectral light composition.
It was shown, that the addition of narrow spectrum red light-emitting diodes L-53SRC-F (λmax = 660 nm, λ = 20 nm) to the background light of luminescent lamps of different intensities, results to: increase in pigment content (chlorophyll а, b and carotenoids) of leaves; photochemical reaction rate of chloroplasts; stability of the oligomeric light-harvesting chlorophyll а/b protein complex (LHCII) and pigment-protein complexes of the proximal antenna of photosystem II (PSII); efficiency of photosynthetic apparatus functioning, that is confirmed by enhance in the quantum yield of photochemical reactions of PSII and electron transport, level of photochemical quenching of chlorophyll fluorescence; degree of state transition; decrease the amount of QB-nonreduced PSII complexes. The lower level of non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence of pea leaves, grown at red-enriched white light, is agree with found changes in LHCІІ organization, higher stability of its oligomeric structure.
Key words: photosynthetic apparatus, light-harvesting chlorophyll а/b protein complex, pigment-protein complexes, photochemical reactions, fluorescence, light-emitting diodes, spectral composition.
|
