Введение к работе
>. I ;J (,
' '.,-', -Актуальность проблемы. Начальные этапы фотосинтеза представляют .ссобойіітот фундамент, на котором строится весь процесс фотосинтетиче-"ской фиксации СОо. Работами А.А.Красновского, А.Б.Рубина, Ф.Ф.Литви-на, Н.В.Карапетяна, В.А.Шувалова, В.В.Климова в нашей стране и Хил-ла, Френча, Кока, Бордмана, Ке, Витта, Говинджи и других - за рубежом, сформулированы основные представления о принципиальной оргашх-зации электронтранспортной цепи хлоропласта. По мере накопления сведений о структуре и функциях цепи переноса и отдельных ее участков становилось все более очевидным, что такая сложная структура не может функционировать без соответствующих регуляторних механизмов, направленных на оптимизацию работы всей цепи и согласование скорости переноса электрона с интенсивностью протекания реакций з цикле Кальвина.
Неотъемлемой частью системы регуляции активности фотосинтетического аппарата является его световая регуляция. В последней можно вычленить кратковременную и долговременную составляющие. Принципом кратковременной регуляции является обратимая модуляция активности уже предсозданного фотосинтетического аппарата, тогда как длительная световая регуляция базируется на направленных изменениях в новообразовании компонентов фотосинтетического аппарата. Работами В.Е.Семенен-ко, Н.П.Воскресенской, Ю.Л.Цельникер, Андерсон, Бьзркмана, Лихтента-лера, Уокера, Дейзенса и других выяснен ряд принципиальных моментов кратковременной и длительной световой регуляции ботосинтетического аппарата. Однако, многие вопросы, без разрешения которых нельзя разработать представления об основных принципах световой регуляции начальных этапов фотосинтеза, оставались малоизученными. Это касается регуляции активности реакционных центров фотосистем и изменения их содержания в листе при длительной адаптации к свету различной интенсивности и спектрального состава. Важной и не до конца решенной нам представлялась проблема выявления доминирующих механизмов кратковременной световой регуляции начальных этапов фотосинтеза у интактных фотосинтезирующих объектов. Требовал выяснения вопрос об участии в долговременной световой регуляции переноса электрона нескольких фо-тореакциЗ, сенсибилизируемых различными пигментами. Не было выяснено, какова основная стратегия адаптации фотосинтетического аппарата к различиям в освещенности - изменение числа его компонентов в листе или изменение интенсивности их функционирования.
Не вызывает сомнений, что развитие представлений о световой регуляции начальных этапов фотосинтеза является необходимым моментом
в создании общей теории регуляции фотосинтеза.
Цель к задачи исследования. Целью работы было комплексное исследование принципов кратковременной и долговременной световой регуляции структурно-функциональной организации электронтранспортной цепи хлоропласта.
В работе решались следующие экспериментальные задачи:
-
Выявление возможности кратковременной световой регуляции эффективности переноса электрона на уровне реакционных центров фотосистем высших растений.
-
Выявление доминирующих механизмов кратковременной световой регуляции переноса электрона у интактных фотосинтезирующих объектов при различных освещенностях.
-
Исследование изменений в характере кратковременной световой регуляции переноса электрона после воздействия на объект стрессовых факторов, таких как повышенные температуры или обезвоживание.
-
Исследование специфики действия интенсивности и спектрального состава света при выращивании растений на содержание в листе компонентов электронтранспортной цепи и скорость переноса электрона, а также выяснение того, каким образом влияют световые условия выращивания на особенности кратковременной световой регуляции начальных этапов фотосинтеза.
Научная новизна работы. Обнаружено существование "светового" и "темнового" состояний реакционных центров фотосистем I и 2, различающихся вероятностью обратного переноса электрона от восстановленных акцепторов.к фотоокисленным первичным донорам. Показано, что у интактных фотосинтезирующих объектов кратковременная световая регуляция скорости переноса электрона при низких и средних освещенностях связана, в основном, с изменением скорости нециклического электронного транспорта вследствие более интенсивного оттока конечных продуктов функционирования электронтранспортной цепи в реакции темнового метаболизма СО? и, в меньшей степени, с фосфорилированием светособираю-щего комплекса. Изменения кратковременной световой регуляции электронного транспорта в результате действия стрессовых факторов не являются универсальными и зависят от вида стрессового фактора. Псевдоциклический перенос электрона играет определяющую роль в начальные моменты световой активации электронного транспорта. Анализ свойств листьев проростков ячменя, выращенных на свету различного спектрального состава и интенсивности, показал, что на содержание хлорофилла и реакционных центров обеих фотосистем определяющее действие оказывает абсолютный уровень свегопотока, а не его спектральный состав.
Скорость переноса электронов, в хлоропластах, напротив, менее чувствительна к величине освещенности и сильно реагирует на спектральный состав света при выращивании. Изменения количества компонентов элек-тронтранспортной цепи при выращивании проростков на свету разного спектрального состава и освещенности более выражены в сравнении с изменениями максимальной скорости переноса электрона, что указывает на изменение числа компонентов фотосинтетического аппарата как стратегическое направление адаптации растения к изменению уровня освещенности. На примере листа ячменя показано, что отношение количества реакционных центров фотосистем I и 2 не является постоянным и зависит от абсолютного содержания реакционных центров в листе. Полученные данные позволяют сформулировать концепцию общности конечного результата кратковременной и длительной световой регуляции начальных этапов фотосинтеза на уровне листа.
Практическая значимость работы. Обнаружение "светового" и "тем-нового" состояний реакционных центров фотосистем высших растений может оказаться полезным при разработке биотехнических систем преобразования солнечной энергии. Выявленные принципы кратковременной световой регуляции являются частью представлений о природе регуляторних систем фотосинтеза л могут быть пршленены в селекционной работе при отборе перспективных растительных форм, отличающихся повышенной реактивностью фотосинтетического аппарата по отношению к свету. Характерные изменения кинетических кривых переменной, флуоресценции после действия на нативяые фотосинтетические объекты повышенных температур и обезвоживания, а также действия на них ионов ртути, позволяют рассматривать этот метод в качестве способа диагностики повреждений фотосинтетического аппарата, возникающих после стрессовых воздействий.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации были рассмотрены на 4-м Всесоюзном биохимическом съезде (1979), 2-м Международном симпозиуме по регуляции метаболизма растений (Варна, 1981), 17-м Симпозиуме стран СЭВ по проблеме І.І8.2 (Рейнхагсберг, ГДР, 1979), 21-м Симпозиуме стран СЭВ по проблеме І.І8.І (Взшеград, ВНР, 1983), Всесоюзном научно-производственном совещании по применению оптического излучения в сельском хозяйстве (Львов, 1984), Всесоюзной конференции "Изменчивость пигментного аппарата и направленности первичішх процессов фотосинтеза в зависимости от факторов среды" (Чернигов, 1985), Всесоюзной конференции "Методы исследования в биохимии и физиологии" (Ленинград, 1986), Круглом столе "Некоторые аспекты не-фотосинтетического действия света на зеленые растения" (пущино,
1986), 2-й Всесоюзной конференции "Математические и вычислительные методы в биологии" (Пущино, 1987), Индо-советском симпозиуме "Фотосинтез в условиях стресса" (Ныо-Дели, Индия, 1987), семинарах Школы наук о жизни Университета им. Дж. Неру (Ныо-Дели, Индия, 1988), Всесоюзной конференции "Регуляция световой стадии фотосинтеза" (Ужгород, 1988), 5-й Европейской конференции по биоэнергетике (Аберствис, Великобритания, 1988), Всесоюзной конференции "Преобразование световой энергии в фотосинтезирующих системах и их моделях" (Пущино, 1989), 8-м Международном конгрессе по фотосинтезу (Стокгольм, Швеция, 1989), Всесоюзном совещании "Спектральный состав света и продукционный процесс в управляемых условиях" (Красноярск, 1990), Советско-индийском симпозиуме "Регуляция фотосинтеза" (Пущино, 1990), 2-м съезде Всесоюзного общества физиологов растений (Минск, 1990).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 печатных работ.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, 7 глав, в которых рассмотрены основные литературные данные и результаты собственных исследований, общего заключения, выводов и списка цитируемых работ. Работа изложена на 357 стр. машинописного текста и содержит 120 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 606 наименований.
