Введение к работе
Актуальность темы. Свет необходим для протекания фотосинтетических реакций, вместе с тем он является инициатором фотодеструктивных процессов в хлоропластах. Так избыточное освещение вызывает фотоингибированш ФС2 [Powles, 19841, а также активирует процессы перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран [Мерзляк, 1Э8ЭЗ, сопровождающиеся фотоокислением хлорофилла и гибелью клеток. Эффективное функционирование растительных организмов возможно только в том случае, если репарационные процессы успешно конкурируют с фотодеструктивннми реакциями. Высшие растения и водоросли выработали также различные регуляторные механизмы, позволяющие им свести к минимуму эффекты неблагоприятного воздействия света на фотосинтетический аппарат. Например на ярком свету усиливается нефотохимическое тушение энергии возбуждения в реакционном центре и антенне ФС2, что приводит к снижению скорости нециклического электронного транспорта и предотвращает образование в ФСТ супероксид-анион-радикала, способного инициировать окислительные реакции.
Регуляторные процессы, обусловленные действием условий окружающей среда, находят свое специфическое отражение в изменении параметров люминесценции хлорофилла ЕКарапетян, Бухов, 1986]. В связи с этим методы, основанные на регистрации люминесценции, начинают все шире применяться в гидробиологической практике для диагностики состояния фитопланктона в водоемах Шаторин, Венедиктов, 1990].
Основными экологическими факторами, влияющими на развитие
водорослей, являются свет, температура и условия минерального
питания. Большой интерес представляет изучение их совместного
действия на фотосинтетический аппарат, поскольку его состояние и /-/776
- г -
функциональная активность у водорослей определяются эффектами комплексного влияния факторов окруаапцей среды.
При исследовании механизмов воздействия тех или иных факторов на природный фитопланктон важно учитывать, что интенсивность солнечной радиации, падающей на водоросли, не остается постоянной в течение суток. Это обусловливает необходимость постоянной адаптации фотосинтетического аппарата фитопланктона к текущим условиям освещения. Вместе с тем дополнительное воздействие неблагоприятных факторов среда может накладывать определенные ограничения на адаптационные и регуляторше возможности клетки.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось исследование процессов адаптации первичных реакций фотосинтеза в условиях совместного влияния света, тешературы и обеспеченности минеральным питанием на фотосинтетический аппарат водорослей.
В соответствии с этим в работе поставлены следующие задачи:
-
Изучить механизмы адаптации фотосинтетического аппарата хлореллы к действию интенсивного света и пониженных температур.
-
Исследовать влияние пониженной температуры и периодического освещения на метабслитную инактивацию ФС2 у хлореллы, вызванную азотным голоданием.
-
Исследовать влияние света на процессы ПОЛ при лимитировании роста водорослей температурой и минеральным питанием.
-
Сопоставить полученные данные с результатами исследований фитопланктона природных водоемов.
Научная новизна. Вперше проведено систематическое исследование роли светового фактора в изменении активности ФС2 и интенсивности реакций ПОЛ у водорослей при совместном лимитировании их роста температурой и минеральным питанием.
Обнаружены эффекты температурной адаптации скорости репарации поврежденных при фотоингибировании белков ФС2 у водорослей. Показано, что после адаптации хлореллы к пониженным температурам восстанавливается высокая скорость биосинтеза этих белков. В результате, скорость репарационных процессов у адаптированной культуры хлореллы определяется главным образом условиями освещения.
Установлено, что снижение эффективности использования света в ФС2 при азотном голодании является следствием двух различных процессов. Первый связан с уменьшением фотохимического тушения возбуждения в реакционном центре, второй - о увеличением нефотохимического тушения в ФС2, что проявляется в снижении выхода максимальной флуоресценции хлорофилла. Для восстановления нормального выхода максимальной флуоресценции необходим одновременный синтез белков, кодируемых ядерным и хлоропластным геномами.
Впервые исследовано влияние температуры и минерального питания на активность ФС2 в условиях периодического освещения. Показано, что - регистрация суточной динамики переменной флуоресценции хлорофилла в природных водоемах позволяет судить о природе факторов, лимитирующих развитие фитопланктона.
Научное и практическое значение. Результаты работы расширяют и углубляют представления о механизмах регуляции эффективности иервичных процессов фотосинтеза при адаптации клеток водорослей к условиям окружающей среды.
Полученные данные могут быть использованы для разработки люминесцентных методов определения физиологического состояния фитопланктона и величины его первичной продукции в
гидробиологаческих исследованиях, а также для повышения чувствительности методов биотестирования водной среды, основанных, на применении водорослей в качестве тест- объекта.
Апробация работы. Результаты настоящей работы были доложены на заседании секции биофизики Московского общества испытателей природы (22 ноября 1988 года), на VI съезде Всесоюзного гидробиологического общества (8-II октября 1991 г., г.Мурманск), и обсувдены на научном семинаре, кафедры биофизики биологического факультета МГУ.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 6 печатных работ.
Общая структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследования, изложения экспериментальных результатов и их обсуждения, заключения, выводов и списка литературы.