Введение к работе
1.1 Актуальность проблемы
Явления электрической возбудимости характерны для многих растительных клеток, но их физиологическая роль известна далеко не полностью. Клетки некоторых мхов, водорослей и высших растений способны генерировать потенциалы действия (ПД) в ответ на освещение (Булычев и др., 1983; Trebacz & Zawadski, 1989), охлаждение (Pyatygin et al, 1992), ожог, механические, химические и электрические воздействия (Shepherd et al, 2002). Распространяющиеся ПД запускают тургорные движения у листьев Mimosa и насекомоядных растений (Sibaoka, 1969); вызывают остановку движения цитоплазмы в клетках харовых водорослей; у жгутиковых простейших импульсная электрическая активность вовлечена в механизмы фото- и хемотаксиса и регуляцию клеточной подвижности (Litvin et al, 1978). Предполагают, что электрические сигналы запускают ответные реакции клетки и целого растения на изменения окружающей среды. Электрическая сигнализация, возможно, участвует в формировании системной устойчивости растения (Wildon et al, 1992), а также в процессах осмотической регуляции.
Недавно установлено, что локальный ожог листа одуванчика или мимозы вызывает распространяющееся по листу понижение фотосинтетической активности (Koziolek et al, 2003; Schreiber et al, 2003), которое у мимозы коррелирует с распространением электрического импульса. В настоящее время остается неизвестным, каким образом электрические сигналы, возникающие на плазматической мембране растительной клетки, могут регулировать фотосинтетическую активность хлоропластов. Важную роль, по-видимому, играют потоки Са2+ и Н+ между средой, цитоплазмой и хлоропластами, поскольку Са2+ участвует в возбуждении и внутриклеточной сигнализации, а протоны вовлечены в процессы фотосинтеза. Механизмы такой регуляции приобретают особый интерес в связи с пространственной гетерогенностью мембранного транспорта ионов Н+ и фотосинтетической активности (Siebke & Weis, 1995; Bulychev et al, 2001; Baker et al, 2001; Bulychev k Vredenberg, 2003). Неизвестно, зависит ли такая гетерогенность от электрического возбуждения плазматической мембраны. Перечисленные вопросы рассмотрены в данной работе.
Исследования взаимосвязи мембранных процессов и фотосинтеза на листьях высших растений осложняются тем, что лист — это сложная си-
стема, состоящая из многих клеток и тканей, отличающихся по способности к фотосинтезу и проведению возбуждения. Механизмы и функциональную роль ПД растений удобно изучать на харовых водорослях, эволюционно близких к высшим растениям (Lewis & McCourt, 2004), которые наряду с возбудимостью проявляют такие важные биологические функции, как фотосинтез, активный транспорт Н+, движение цитоплазмы и способность к самоорганизации на уровне одиночной клетки.
1.2 Цель и задачи исследования
Цель работы заключалась в исследовании влияния электрического возбуждения плазматической мембраны на неоднородное пространственное распределение рН и фотосинтетической активности по длине клетки Char а.
Для осуществления данной цели были поставлены следующие задачи:
/ Изучить влияние ПД на светозависимое пространственное распределение потоков Н+ через плазмалемму интернодальных клеток водоросли Chara corallina.
/ Изучить влияние ПД на квантовый выход фотохимической активности фотосистемы II (ФСП), нефотохимическое тушение флуоресценции и фотосинтетическое выделение кислорода на микроучастках клетки Chara при разных интенсивностях света.
/ Изучить зависимость флуоресценции хлорофилла от присутствия в среде ионофоров, влияющих на уровень Са2+ в цитоплазме и трансмембранный градиент рН в тилакоидах хлоропластов.
/ Исследовать влияние потенциала действия на флуоресценцию хлорофилла и активность ФСП при разных модификациях электроно-транспортной цепи фотосинтеза.
1.3 Научная новизна работы
Впервые изучено влияние электрического возбуждения плазматической мембраны на транспорт протонов через плазмалемму и фотосинтетический метаболизм одиночной растительной клетки. Обнаружено, что ПД оказывает сильное влияние на пространственную организацию потоков Н+ на плазмалемме, которое проявляется во временном сглаживании периодического профиля рН. Показано, что одновременно с выравниванием неоднородного профиля рН, ПД приводит к усилению гетерогенности
в профилях эффективного квантового выхода первичных фотопроцессов ФСП и нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла а. Установлено, что ПД-индуцированное тушение флуоресценции имеет энергозависимую природу, т.е. связано с формированием АрН на тилакоидных мембранах.
Впервые выявлена способность ПД открывать пути трансмембранного проникновения двухвалентного положительно заряженного акцептора метилвиологена из наружной среды внутрь хлоропластов с преодолением двух мембранных барьеров, создаваемых плазмалеммой и оболочкой хлоропласта. Полученные в данной работе результаты дополняют список новых, ранее неизвестных последствий генерации ПД в растительной клетке.
1.4 Научно-практическая ценность работы
Результаты диссертации расширяют представления о регуляторных механизмах, посредством которых электрические сигналы, возникающие на плазматической мембране растительных клеток, вызывают переходные изменения фотосинтетической активности хлоропластов.
Полученные данные по влиянию потенциала действия на проникновение метилвиологена (МВ2+) в клетку имеют важный практический аспект, т.к. МВ2+ является известным гербицидом (паракват), действующим на фотосистему І (ФСІ) хлоропластов, и могут быть использованы в биотехнологических целях при разработке методов эффективного применения гербицидов.
1.5 Апробация работы
Результаты работы были представлены на III Съезде биофизиков России (Воронеж, 2004 г.), международных конференциях молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2004, 2005 гг.), юбилейной конференции, посвященной 70-летию академика В.П. Скулачева «Российская биоэнергетика: от молекул к клетке» (Москва, 2005 г.), Международном биофизическом конгрессе (Монпелье, 2005 г.), конференции, посвященной памяти проф. М.В. Гусева «Физиология микроорганизмов в природе и экспериментальных системах» (Москва, 2006 г.), международной конференции в честь проф. Джима Барбера «Photosynthesis in the post-genomic era: Structure and function of photosystems» (Пущино, 2006 г.), 9-ой международной летней школе по биофизике «Supramolecular structure and
function» (Ровинь, 2006 г.), 14-ой международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2007 г.), международном симпозиуме «Modern spectroscopy methods in studying structure and function of biopolymers in biology and medicine» (Дубна, 2007 г.), 6-ом Европейском биофизическом конгрессе (Лондон, 2007 г.), 14-ом международном конгрессе по фотосинтезу (Глазго, 2007 г.) и научных семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ и факультета молекулярной физиологии растений и биофизики университета г. Вюрцбург (Германия).
1.6 Публикации
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, из них 12 статей в отечественных и зарубежных журналах.
1.7 Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Пространственная организация фотосинтетической активности и транспорта протонов в возбудимой растительной клетке
