Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы.
1.1. Функциональная организация фотосинтетического аппарата стр. 8
1.2. Регуляция первичных процессов фотосинтеза стр. 13
1.3. Роль каротиноидов ксантофиллового цикла в регуляции первичных процессов фотосинтеза стр. 17
1.4. Влияние светового режима выращивания на состояние ФСА растений стр. 23
1.5. Влияние УФ-излучения на состояние ФСА растений... стр. 25
1.6. Роль гетерогенности популяции в устойчивости и адаптации к неблагоприятным внешним воздействиям стр.27
Цель и задачи исследования стр. 29
Глава 2. Объект и методы исследования стр.30
Глава 3. Результаты исследований.
3.1. Влияние различных световых условий выращивания на прирост численности клеток и показатели флуоресценции хлорофилла культуры диатомовой водоросли Th. weisflogu... стр. 36
3.2 Влияние света высокой интенсивности на ФСА диатомовых водорослей стр. 47
3.2. 1. Быстрые адаптационные изменения стр. 47
3.2.2 Влияние света высокой интенсивности, способной приводить к повреждению ФСА диатомовых водорослей стр. 54
3.3 Влияние света высокой интенсивности на показатели флуоресценции хлорофилла диатомовых водорослей, выращенных при разных световых условиях выращивания стр. 65
3.4 Влияние УФ излучения на ФСА диатомовых водорослей... стр. 77
3.5 Исследования темновой и световой адаптации природных популяций фитопланктона Каспийского моря стр. 83
Обсуждение результатов стр. 87
Выводы стр.95
Список литературы стр. 96
- Роль каротиноидов ксантофиллового цикла в регуляции первичных процессов фотосинтеза
- Влияние светового режима выращивания на состояние ФСА растений
- Влияние света высокой интенсивности на ФСА диатомовых водорослей
- Исследования темновой и световой адаптации природных популяций фитопланктона Каспийского моря
Введение к работе
Фитопланктон составляет основу всей первичной продукции мирового океана. В связи с этим изучение физиологического состояния фитопланктонных сообществ является одной из важнейших задач экологии. Диатомовые водоросли представляют одну из основных таксономических групп, заселяющих водные фитоценозы. Традиционные методы исследования фитопланктонных сообществ включают в себя определение видового состава и численности фитопланктона, содержания фотосинтетических пигментов и вычисление первичной продукции на единицу объема водной толщи. Такие методы не позволяют оценить функциональное состояние отдельных видов, составляющих данный фитоценоз, и определить дальнейшее развитие сообществ фитопланктона. В последние годы широкое развитие получили спектральные и флуорометрические методы для определения функциональной активности ФСА микроводорослей, которые позволяют получить данные о состоянии ФСА определенных видов водорослей в популяции, оценить вклад отдельного вида в образование первичной продукции, прогнозировать динамику его численности. Разработка таких методов представляется особо важной для осуществления экологического мониторинга водоемов.
Главными экологическими факторами, влияющими на физиологическое состояние водорослей, являются температура, освещенность, содержание биогенных элементов в среде, соленость и различные виды загрязнений (Elstner E.F., Osswald W. 1994.). В ряду этих факторов первостепенное значение имеет видимый свет. С одной стороны, свет определяет рост, развитие и интенсивность фотосинтеза в клетках водорослей, а с другой, свет высокой интенсивности может вызывать фотоокислительный стресс, приводить к фотоингибированию, деструкции фотосинтетических пигментов и гибели клеток (Рубин А.Б. 1995.). В природе диатомовые водоросли способны занимать различные экологические ниши в широком диапазоне интенсивности освещения. Интенсивность освещения в природных условиях изменяется и в течение суток, и в течение года от лета к зиме. В культурах диатомовых водорослей обычно происходит насыщение роста численности при относительно слабой освещенности, порядка 1000-2000 лк (1,2 -2,5 Вт/м2) (Финенко 3.3. 1977.). Свет более высокой интенсивности угнетает рост
популяций диатомовых водорослей и приводит к снижению эффективности утилизации поглощенной пигментным аппаратом энергии. При длительных воздействиях света высокой интенсивности возрастает время жизни возбужденных состояний хлорофилла и увеличивается скорость генерации активированных форм кислорода, что, в свою очередь, вызывает угнетение процессов фотосинтеза, деструкцию ФСА и, возможно, гибель организма (Мерзляк М.Н. и др., 1996, Не & Hader, 2002, Mahalingam & Fedoroff, 2003 ).
Способность адаптироваться к действию света высокой интенсивности обусловлена рядом молекулярных механизмов функционирования ФСА. Водоросли имеют как долговременную, так и краткосрочную систему регуляции состава и количества фотосинтетических пигментов и мембранных липидов.
Система защиты от окислительного повреждения ФСА включает многие факторы, в том числе процессы, связанные с генерацией трансмембранного потенциала ионов водорода (АрН), вызывающие увеличение вероятности безизлучательной тепловой диссипации энергии возбужденных пигментов ФС II, т.н. нефотохимическое тушение возбужденных состояний хлорофилла (Рубин, Кренделева, 2003, Krause G.H., Weis Е. 1991. , Lokstein Н. et al, 1994, Hideg Е., Murata N. 1997.), которое предотвращает разрушение ФСА. Значительную роль в этих процессах, ведущих к рассеиванию избыточной энергии, играют светоиндуцированные изменения каротиноидов ксантофиллового цикла, т.е. образование под действием света зеаксантина из виолаксантина (у высших растений и зеленых водорослей), или диатоксантина из диадиноксантина (у диатомовых и некоторых других водорослей).
Одним из важных факторов повреждения ФСА микроводорослей является УФ излучение. Избыточная УФ радиация может приводить к повреждению мембран тилакоидов, ингибированию реакционных центров ФС II, уменьшению активности хлоропластной АТФазы, потерю ферментативной активности в цикле Кальвина, нарушение синтеза пигментов. УФ облучение оказывает прямое воздействие на белковые компоненты ФСА, прежде всего, белка D1 ФС II. Кроме того, УФ излучение может приводить к нарушению системы синтеза белка и, тем самым, препятствовать процессам репарации при фотоповреждении.
Известно, что показатели функциональной активности и свойства индивидуальных клеток могут значительно отличаться от значений тех же показателей, усредненных по популяции (Riznichenko G. et al., 1996., Pogosyan S.I. et al., 1997., Погосян СИ. и др., 1998.), в том числе и характеристики процессов повреждения и репарации. В связи с этим оценка ответной реакции популяции в целом к действию каких-либо факторов должна быть основана не только на определении усредненных показателей функциональной активности, но и на исследовании состояния индивидуальных особей.
Основным методологическим подходом в оценке состояния ФСА и его изменений при разных воздействиях были выбраны параметры флуоресценции хлорофилла водорослей, характеризующие потери поглощенной энергии света при слабом освещении - Fo и при световом насыщении электрон-транспортной цепи фотосинтеза - Fm. Те же измерения, проведенные на фоне постоянного освещения дают значения тех же величин, с учетом развивающегося в этих условиях процессов нефотохимического тушения и транспорта электронов в цепи фотосинтеза. Значение параметров флуоресценции, а также вычисленные на этой основе коэффициентов фотохимического и нефотохимического тушения являются главными показателями состояния клеток. В дальнейшем в работе мы использовали те же обозначения параметров флуоресценции (Fo и Fm) и для значений параметров флуоресценции, полученных на фоне постоянно действующего света, и после окончания облучения интенсивным светом и УФ-излучением.
В настоящей работе исследованы изменения параметров флуоресценции хлорофилла диатомовой водоросли Thallassiosira weisflogii при фотоадаптации и фотоповреждении.
Роль каротиноидов ксантофиллового цикла в регуляции первичных процессов фотосинтеза
Каротиноиды играют важную роль в процессе фотосинтеза у растений. Они имеют ряд ключевых функций в фотосинтетических системах. Каротиноиды могут действовать: а) как вспомогательные светособирающие пигменты; б) как тушители триплетных состояний хлорофилла; в) как тушители синглетного кислорода (Frank & Cogdell, 1993, Koyama, 1991). Кроме того, у высших растений и многих водорослей, определенные каротиноиды способны дезактивировать возбужденные состояний хлорофилла, образующиеся под действием избытка света, посредством происходящих светоиндуцированных изменений состава каротиноидов ксантофиллового цикла (Horton et. al., 1996). В водорослях, содержащих а/с -хлорофилл, ксантофиллы играют более важную роль для запасания световой энергии, чем фитопланктон, содержащий а/Ь - хлорофилл. Особенно это важно для водорослей, содержащих фукоксантин (диатомовых, перидиниевых водорослей). У зеленых водорослей и высших растений при действии света высокой интенсивности ксантофилловый цикл включает в себя переходы между виолаксантином, антераксантином и зеаксантином и называется виолаксантиновым циклом. Под действием избыточного света виолаксантин деэпоксидируется сначала в антераксантин, затем в зеаксантин. Диатомовые, хризофитовые, ксантофитовые и динофитовые водоросли используют аналогичный цикл, включающий в себя переходы между диадиноксантином и диатоксантином (рис.1).
При действии света высокой интенсивности диадиноксантин деэпоксидируется в диатоксантин. В условиях темновой релаксации реакции обратимы (Bjorkman et. al., 1998).
Большинство каротиноидов - тетрапены, состоящие из 8 изопренов. Кроме того, большинство каротиноидов обладают, по крайней мере, одной кислородной функциональной единицей (обычно это гидроксил с возможным добавлением эпоксигруппы) (Frank et al., 1991). Взаимопревращения каротиноидов ксантофиллового цикла приводят к изменениям в свойствах этих молекул. Эти изменения являются результатом деэпоксидации или эпоксидации и связаны непосредственно с изменениями степени сопряженности системы двойных связей (Koyama Y., 1991). Степень сопряженности системы двойных связей в каротиноидах влияет на энергии и времена жизни их возбужденных состояний, а также развитие сопряженности системы двойных связей в Р-концевой группе каротиноидов предотвращает вращение концевых групп вокруг главной цепи полнена и принимается околоплоскостная конформация. В результате, конформации зеаксантина и виолаксантина очень различны, т.к. концевые группы могут принимать перпендикулярную или плоскостную позицию относительно главной сопряженной цепи.
У фотосинтезирующих организмов обнаружена связь между степенью нефотохимического тушения, развивающегося при «динамическом» фотоингибировании, и деэпоксидированым состоянием каротиноидов ксантофиллового цикла (Young, 1996). Корреляция между нефотохимическим тушением и деэпоксидацией ксантофиллов была обнаружена для широкой области природных условий, включая экстремальную температуру, изменение солености, в условиях избыточной освещенности и повышенных доз УФ-излучения (Demmig-Adams & Adams III, 1993). Ингибирование деэпоксидации ксантофиллов дитиотриэтолом (ДТТ) приводит к снижению нефотохимического тушения (Casper-Lindley et.al., 1998). Так, при предварительном инкубировании с ДТТ листьев и хлоропластов, выделенных из этих листьев, не происходило образование зеаксантина из виолаксантина под действием интенсивного света, при этом нефотохимическое тушение развивалось слабо (Demmig- Adams, 1990). У водорослей, имеющих диадиноксантиновый цикл, при ингибировании деэпоксидазы диадиноксантина ДТТ и последующем облучении интенсивным светом происходит фотоповреждение светособирающих комплексов, так как избыток энергии возбуждения не может тушиться присутствием диатоксантина (Olaizola et. al., 1994). Доля диадиноксантина и изменения размера пула ксантофиллов, видимо, коррелирует с уровнями облучения во время роста водорослей. Примерно 60-65% виолаксантина (или диадиноксантина у некоторых водорослей) подвергается деэпоксидации в процессе облучения (Arsalane et. al, 1994). Виолаксантиндеэпоксидаза способна обращать виолаксантин в зеаксантин при рН = 5,2, индуцируемого интенсивным освещением (Yamamoto, 1979). С другой стороны, активность зеаксантинэпоксидазы проявляется при рН=7,5, увеличивая скорость образования виолаксантина из зеаксантина (Gilmore et al., 1994). Также действуют диадиноксантиндеэпоксидаза и диатоксантинэпоксидаза.
Влияние светового режима выращивания на состояние ФСА растений
Световой режим является одним из наиболее важных природных факторов, влияющих на процессы фотосинтеза. При изучении зависимости фотосинтеза от интенсивности освещения различают два экологических типа растений: светолюбивые и теневыносливые. Адаптация растений к длительно действующим факторам приводит к появлению физиологических приспособлений, обеспечивающих оптимальную работу ФСА в изменяющихся условиях окружающей среды. Листья растений, произрастающих в ярко освещенных местах, содержат больше растворимого белка, РуБФ-карбоксилазы и мембранных компонентов, необходимых для поддержания высокого уровня фотосинтеза по сравнению с растениями, произрастающими в тени. При исследовании квантового выхода фотосинтеза существенных различий в эффективности использования световой энергии между светолюбивыми и теневыносливыми растениями выявлено не было.(Говинджи, 1987). Пигментные системы теневыносливых растений, очевидно, лучше обеспечивают поглощение зеленого и дальнего красного света, преобладающего в затененных местах обитания. Количество молекул хлорофилла, связанных с каждым реакционным центром ФС II, т.е. размеры фотосинтетической единицы у теневыносливых растений больше, чем у растений с незатененных участков (Говинджи, 1980). Этот параметр варьирует в пределах 220-540 молекул хлорофилла на один реакционный центр ФС II у светолюбивых растений и 630-940 молекул хлорофилла на реакционный центр - у теневыносливых форм. Различается соотношение числа реакционных центров ФС II к числу реакционных центров ФС І у теневыносливых и светолюбивых видов (3:1 и 2:1 соответственно) (Говинджи, 1987). По-видимому, различия в размерах фотосинтетической единицы имеют адаптивное значение и позволяют теневыносливым видам эффективно использовать для фотосинтеза тот световой поток, который попадает на листья в условиях низкой освещенности. Кривые индукции флуоресценции хлорофилла у светолюбивых и теневыносливых растений сильно отличаются. После включения света флуоресценция возрастает значительно быстрее у теневыносливых видов и они имеют менее эффективный отток электронов от ФС II к ФС I по сравнению со светолюбивыми видами (Карапетян, Бухов, 1985). Различия наблюдаются и в качественном составе пигментов. Было показано, что при адаптации водорослей к различным условиям освещенности, у видов, выращенных при более интенсивной освещенности происходит накопление каротиноидов зеаксантинового цикла (Hartel et. al., 1998). Некоторые растения, особенно выросшие при высоких уровнях облучения, проявляют способность обращать около 100% виолаксантина в зеаксантин. Адаптация ФСА на молекулярном уровне к длительному действию света разной интенсивности может быть и у растений одного вида. Примером могут служить различия в кинетике индукции флуоресценции верхней и нижней сторон горизонтально ориентированного листа. В этом случае перенос электрона между фотосистемами происходит с меньшей скоростью. При перевороте световой пластинки каждая из сторон обнаруживает кинетику индукционных переходов флуоресценции хлорофилла, характерную для новых световых условий (Schreiber,1978).
В последние годы уменьшение озонового слоя привело к увеличению потока УФ-радиации. В связи с этим большой интерес вызывает влияние УФ-излучения на фотосинтез фитопланктонных организмов. Для фитопланктона негативное действие УФ-излучения проявляется в нарушении роста, метаболизма, движения, фото и гравиориентации, пигментации, способности к фотосинтезу (Mewer et. al., 1998). Действие УФ-излучения приводит ко многим специфическим повреждающим эффектам у растений, таким, как повреждение мембран тилакоидов, частичное ингибирование реакционного центра ФС II, уменьшение активности хлоропластной АТФазы, потерю ферментативной активности в цикле Кальвина и нарушение синтеза пигментов (Strid et. al., 1994, Bergo et. al., 1998).
Негативное действие УФ-излучения на ФС II легко устанавливается по изменениям кривой индукции флуоресценции хлорофилла. Уровень фоновой флуоресценции изменяется незначительно, тогда как значения относительной переменной флуоресценции сильно снижаются. Инактивация переменной флуоресценции хлорофилла усиливается при увеличении продолжительности и интенсивности УФ-излучения. Данные о действии УФ-радиации на Fv/Fm свидетельствуют о двойном действии этого фактора на ФС II: с одной стороны, повреждается донорская часть ФС II, а с другой стороны - необратимо инактивируются реакционные центры ФС II (Карапетян, Бухов, 1985).
Белки и нуклеиновые кислоты непосредственно поглощают УФ-излучение диапазона 290-320 нм. УФ-излучение может инактивировать белки по одноквантовому, одноударному механизму. Главным образом фотолизу подвергаются триптофан и цистин. Первичной фотореакцией данных аминокислот в белке является фотоионизация с образованием катион-радикала и сольватированного электрона. При комнатной температуре реакция протекает за 5-20 мкс. Предполагают, что возникающий в белках под действием УФ-излучения катион-радикал триптофана диссоциирует на протон и нейтральный радикал, который взаимодействуя с соседними группами полипептидной цепи, образует межмолекулярную ковалентную «сшивку» - стабильный фотопродукт. Если фотолизу подвергается триптофан, входящий в состав активного центра фермента, то происходит потеря ферментативной активности. В случае, если фоторазрушение триптофана происходит вне активного центра, такая сшивка меняет водородные, гидрофобные и другие слабые связи, поддерживающие нативную конформацию белка. (Strid et. al., 1994, Bergo et. al., 1998). Кроме того могут разрушаться дисульфидные группы белка вследствие прямого фотолиза. УФ-излучение длины волны короче 260 нм, где максимально поглощает цистин, особенно активен в инактивации белков, поскольку квантовый выход фотолиза цистина на порядок превышает таковой для триптофана.
Влияние света высокой интенсивности на ФСА диатомовых водорослей
Для защиты от окислительных повреждений ФСА в его антенном комплексе и реакционном центре происходит целый ряд процессов, вызывающие увеличение вероятности безизлучательной диссипации энергии возбужденных пигментов ФСII путем нефотохимического тушения возбужденных состояний хлорофилла (Krause G.H., 1991., Lokstein Н., 1994., Hideg Е., 1997).
В исследовании процессов адаптации ФСА водорослей к действию света нами были использованы два способа изменения световых условий. В первом случае наблюдали изменение показателей флуоресценции хлорофилла при включении на 10 мин света плотность мощности 20 Вт/м2 и их релаксацию после выключения света. Такой свет неспособен вызвать повреждение ФСА, но превышает по интенсивности света условия выращивания культуры. Во втором случае определяли показатели флуоресценции хлорофилла после их облучения светом интенсивностью 500-2000 Вт/м2. Такое облучение может приводить к повреждению ФСА водорослей. .
Для определения различного вклада процессов нефотохимического тушения у водорослей, адаптированных к разным условиям освещения, суспензии кратковременно облучали видимым светом плотностью мощности 20 Вт/м2, измеряя в процессе облучения показатели флуоресценции хлорофилла, и, таким образом, наблюдая развитие нефотохимического тушения. После выключения света наблюдали темновую релаксацию нефотохимического тушения. Результаты измерений представлены на рис. 10. После включения постоянного света в течение нескольких секунд значения F0 возрастали в 1,5-2,5 раза в обеих суспензиях водорослей. В течение последующей минуты облучения значения F0 в популяции водорослей, адаптированных к повышенной освещенности, возвращались к контрольным значениям (до включения света) или были несколько ниже их (рис. 10а). После выключения света значения F0 в течение нескольких секунд незначительно снижались и в течение минуты возвращались к контрольным (до включения света). Значения Fm, резко снижаясь в первые 1-2 минуты после включения света почти в 2-2,5 раза, начинали повышаться еще под действием света. После выключения света значения Fm повышались, не достигая в течение 10 мин, контрольных значений (до включения света) (рис. 106).
В популяции водорослей, адаптированным к низким уровням освещенности, после включения постоянного света значения F0 после повышения в течение первых секунд снижались, оставаясь заметно выше контрольных (до включения света) (рис. 10а). После выключения постоянного света величина F0 снижалась до контрольных значений. Снижение величины Fm после включения света было меньше (1,3-1,5 раза), чем у водорослей, выращенных при высокой освещенности. Значения Fm также начинали расти еще при постоянно действующем свете. После выключения света значения Fm почти не увеличивались (рис.106).
Значения относительной переменной флуоресценции после включения света резко снижались в первую минуту облучения в обеих культурах водорослей (рис. 10в). У водорослей, выращенных в условиях низкого освещения, значения Fv/Fm в последующие 2-3 минуты после включения света значительно возрастали, не достигая, однако, исходных. После выключения света значения Fv/Fm увеличивались незначительно, достигая контрольных значений в течение следующих 10 минут. У водорослей, адаптированных к условиям высокого освещения, значения относительной переменной флуоресценции при освещении, снизившись, почти не изменялись. После выключения света значения Fv/Fm заметно возрастали, не достигая контрольных значений (до облучения) через 10 минут после окончания облучения.
Значения коэффициента нефотохимического тушения NPQ через 1-2 минуты после включения света достигали максимальных значений, причем были значительно выше у водорослей, адаптированных к высоким уровням освещения (рис. Юг). Через 2-3 минуты после достижения максимальных значений происходило снижение нефотохимического тушения в обеих популяциях водорослей. Снижение значений нефотохимического тушения у водорослей, выращенных при слабом освещении, происходило сразу после выключения света. Далее значения нефотохимического тушения почти не изменялись.
У водорослей, выращенных в условиях высокого освещения, снижение значений нефотохимического тушения происходило через 1-2 минуты после достижения максимального значения, оставаясь на высоком уровне. После выключения света через 1-2 минуты происходило дальнейшее снижение значений NPQ.
Снижение значений Fm в первые минуты после включения постоянного света вызвано развитием нефотохимического тушения (рис. 106). Повышение значений Fo является результатом заполнения электрон-транспортной цепи и закрытием реакционных центров (рис. 10а). Последующее снижение значений Fo в суспензии водорослей, адаптированных к высоким уровням освещенности, вызвано значительным нефотохимическим тушением, тогда как у водорослей, адаптированных к низким уровням освещенности, значения F0 немного повышены, что может быть обусловлено частичным закрытием реакционных центров.
Для определения вклада градиента Н на мембране тилакоидов в процессе нефотохимического тушения суспензию водорослей инкубировали С NH4CI в течение получаса до начала облучения. Динамика показателей флуоресценции хлорофилла показана на рис.11. После предварительного инкубирования суспензий водорослей с NH4CI значения Fo повышались в течение нескольких секунд после включения постоянного света (рис. Па). Затем, снижаясь, оставались на уровне выше, чем до включения света. После выключения света уровень F0 снижался до контрольного (до включения света). Значения Fm снижались незначительно или не снижались совсем после включения света и не повышались после его выключения (рис.116). Значения Fv/Fm, заметно снижаясь в первую минуту после включения света, в последующие несколько минут возрастали. В первые 2 минуты после выключения освещения также наблюдался заметный рост значений Fv/Fm (рис. 11в). Нефотохимическое тушение NPQ после предварительного инкубирования водорослей с NH4CI развивалось незначительно. Динамика показателей флуоресценции хлорофилла была схожа у популяций водорослей, адаптированных как к низким, так и к высоким уровням освещенности. Таким образом, отсутствие градиента ионов водорода приводит к снятию нефотохимического тушения хлорофилла.
Исследования темновой и световой адаптации природных популяций фитопланктона Каспийского моря
В августе 2004 года были проведены исследования состояния фитопланктонного сообщества в прибрежных и открытых районах Каспийского моря. Для определения адаптации водорослей в природных популяциях к различным световым условиям на пробах фитопланктона было проведено исследование параметров флуоресценции хлорофилла популяций водорослей после темновой адаптации и определение коэффициента нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла после кратковременного воздействия видимым светом высокой интенсивности.
На рис.25 представлена темновая адаптация параметров флуоресценции хлорофилла популяций водорослей, отобранных на разных станциях в течение светового дня с поверхности. Значения относительной переменной флуоресценции хлорофилла Fv/Fm после отбора проб были близки к нулю, что свидетельствует об угнетенном состоянии, в котором находятся популяции водорослей на поверхности под действием яркого солнечного света. В результате адаптации на слабом свету (при инфракрасном облучении при плотности мощности 0,5 Вт/м2), проводимой в течение 2-3 часов после отбора проб, значения показателей флуоресценции хлорофилла значительно увеличились. Значения F0 и Fm возрастали в течение 20-60 минут в 1,5-2 раза по сравнению со значениями, измеренными сразу после отбора проб. Значения Fv/Fm увеличивались за время темновой адаптации от 0 до 0,3. Такой рост показателей флуоресценции хлорофилла может свидетельствовать об уменьшении уровня нефотохимического тушения, которое развивается в поверхностном слое под действием солнечного света высокой интенсивности.
Измерение коэффициента нефотохимического тушения позволяет определить, к каким световым условиям адаптированы микроводоросли. Для определения NPQ суспензии водорослей после отбора проб на 2-х станциях с глубины 0, 10 и 25 м, предварительно адаптированные к темноте в течение 2 часов, облучали видимым светом с длиной волны 470нм и плотности мощности 20 Вт/м в течение 10 мин, измеряя в процессе облучения значения показателей флуоресценции хлорофилла, и наблюдая развитие нефотохимического тушения. После выключения света в течение последующих 10 мин наблюдали темновую релаксацию нефотохимического тушения. Результаты измерений на одной из станций представлены на рис.26.
В суспензии водорослей, отобранных с поверхности, значения Fo почти не изменялись ни после включения постоянно действующего света, ни после его выключения, оставаясь на уровне контрольных (рис. 26А). Чем больше была глубина, с которой были отобраны пробы воды, тем больше увеличивались значения F0 после включения постоянно действующего света. После выключения света значения F0 снижались до контрольных (рис. 26А). Увеличение значение F0 может быть обусловлено частичным закрытием реакционных центров. Значения Fm после включения света снижались у водорослей, отобранных со всех глубин, что вызвано развитием нефотохимического тушения (рис. 26Б). Значения относительной переменной флуоресценции после включения света резко снижались также во всех суспензиях водорослей (рис. 26В). Значения коэффициента нефотохимического тушения NPQ возрастали в течение 5-7 минут после включения постоянно действующего света, причем этот процесс происходил быстрее у водорослей, отобранных с поверхности воды (рис. 26Г). После выключения света значения NPQ снижались, оставаясь на высоком уровне в течение последующих 10 минут после выключения света. Полученные результаты позволяют говорить об адаптации водорослей в поверхностном слое воды к высоким уровням освещенности и развитием у них механизмов защиты от повреждающего воздействия избыточной освещенности.
Необходимым условием выживания живых организмов является адаптация к изменяющимся условиям окружающей среды. Для водорослей свет является важнейшим фактором, определяющим фотосинтез, рост и развитие. Для каждого вида существует определенный интервал интенсивности света, в пределах которого возможна физиологическая адаптация. Процессы длительной адаптации к определенным интенсивностям света формирует ФСА водорослей в соответствии с величиной световых потоков. Водоросли, адаптированные к низким интенсивностям света, имеют большее значение эффективного сечения поглощения, связанного с реакционным центром, выше соотношение числа реакционных центров ФС II к числу реакционных центров ФС I, меньший размер пула хинонов, чем водоросли, адаптированные к высоким интенсивностям света. (Falkowski, 1997). Кроме того, было показано, что у водорослей, выращенных при более высокой освещенности, происходит накопление каротиноидов ксантофиллового цикла, тогда как у водорослей, выращенных при низкой интенсивности света, преобладают каротиноиды, участвующие в светосборе.( Lohr, Wilhelm, 1999)
В природных условиях повреждение ФСА водорослей происходит под действием многих факторов. Главными факторами, приводящими к окислительному повреждению ФСА, является видимый свет высокой интенсивности и УФ излучение. Степень фотоповреждения зависит от интенсивности облучения и от физиологического состояния клетки водорослей (Погосян, 2003). В условиях дефицита элементов минерального питания даже относительно небольшие по интенсивности потоки света могут приводить ФСА в состояние насыщения и вызывать процессы повреждения (Рубин, Кренделева, 2003). Развитие фотоповреждения ФСА обусловлено образованием активных форм кислорода и определяется избытком электронов в электрон-транспортной цепи или генерацией синглетного кислорода за счет фотодинамических свойств хлорофилла (Choudhury, Behera, 2001). Нормальное функционирование ФСА, соответствующее высоким скоростям транспорта электронов, защищает его от повреждения. При действии света избыточной интенсивности в ФСА развиваются процессы, направленные на безизлучательную диссипацию избытка возбужденных состояний хлорофилла — нефотохимическое тушение. Оно может быть вызвано 1) высоким значением градиента протонов на мембране тилакоидов (энергизационное тушение); 2) переходом части светособирающего пигмент-белкового комплекса от ФС II к ФС I и перераспределение энергии возбуждения от реакционных центров ФС II к ФС I; 3) повреждением самого реакционного центра ФС II; 4) переносом возбужденного состояния от молекул хлорофилла ФС II к молекулам каротиноидов, которые способны переводить энергию возбужденного состояния в тепло. Возможно также, при некоторых условиях (например, недостатке элементов минерального питания) развивается циклический поток электронов, восстанавливающих через цепь хлоропластного дыхания пул пластохинонов и, приводящих к тому, что часть реакционных центров ФС II оказываются закрыты (Чемерис и др., 2004). За счет этого может быть снижен поток электронов от реакционных центров. Таким образом, описаны принципиально возможные механизмы защиты ФСА растений, в том числе и диатомовых водорослей, от действия света высокой интенсивности. Однако вклад конкретных процессов в реализацию механизмов защиты ФСА от фотоокислительного повреждения водорослей, адаптированных к разным условиям освещения, может значительно различаться. Некоторые авторы (Figueroa et. al., 2003, Choudhury et. al., 2001) предполагают, что у водорослей, адаптированных к условиям высокого облучения, развивается в основном «динамическое фотоингибирование» - механизм, который включает в себя быстрые, обратимые процессы нефотохимического тушения. У водорослей, адаптированных к условиям слабого облучения, при перемещении на сильное освещение, развивается «хроническое фотоингибирование», характеризующееся фоторазрушением реакционных центров и протеолизом белка D1 ФС II. Для выяснения условий, в которых находятся водоросли в природной среде, необходимо проведение исследований закономерностей изменения состояния ФСА типичных представителей планктонных водорослей при заданных режимах освещения и условиях культивирования.
