Влияние гипертермии на структуру фотосинтетических мембран ячменя

Стационарная анизотропия флуоресценции (г) встроенного в мембраны липофильного зонда - ДФГТ широко используется для оценки структурного состояния и вязкости их углеводородных слоев [325, 326]. Изучено влияние тепловой обработки на структуру фотосинтетических мембран хлоропластов ячменя, выделенных из листьев разного возраста [327]. Установлено, что гипертермия вызывала снижение уровня анизотропии флуоресценции зонда ДФГТ, особенно выраженное в 11-дневных листьях ячменя (рис. 4.3, а). Общее содержание белка при действии высокой температуры незначительно изменялось в 4-дневных проростках и существенно снижалось в более зрелых 11-дневных листьях (рис. 4.3, б). Поскольку анизотропия флуоресценции зонда, локализованного в липидном матриксе, характеризует подвижность жирно-кислотных остатков липидов, входящих в состав мембраны [325, 326], падение величины (г) в результате теплового воздействия отражает уменьшение микровязкости тилакоидных мембран.

Данный факт согласуется с литературными данными, согласно которым тепловой шок сопровождается увеличением проницаемости мембран [17]. Более сильная ответная реакция 11-дневных листьев ячменя на гипертермию может быть обусловлена падением содержания белка в ХП, снижением отношения белок/липид [328], уменьшением доли тилакоидов гран [153, 329], что и обусловливает снижение микровязкости мембран ХП, поскольку гранальные тилакоиды отличаются более упорядочен-

Влияние гипертермии и обезвоживания на анизотропию флуоресценции ДФГТ (а) и содержание белка (б) в тилакоидных мембранах проростков ячменя сорта Гонар разного возраста

Рис. 4.3. Влияние гипертермии и обезвоживания на анизотропию флуоресценции ДФГТ (а) и содержание белка (б) в тилакоидных мембранах проростков ячменя сорта Гонар разного возраста

ным липидным бислоем по сравнению с ламелярными [289, 330]. Кроме того, изменение микровязкости тилакоидных мембран при нагревании может быть связано с изменением липидов мембран ХП, поскольку известно, что тепловая обработка приводит к окислению ненасыщенных жирных кислот [17, 18, 331, 332].

Гипертермия не оказывала существенного влияния на содержание хлорофилловых пигментов в пересчете на единицу сухой массы в 7- и 11-дневных листьях ячменя [291, 333, 334] и несколько снижала данный показатель в молодых проростках (рис. 4.4, а). Тепловая обработка приводила также к снижению степени извлекаемости фотосинтетических пигментов растворителем низкой полярности в молодых проростках и повышению данного показателя в 7- и 11-дневных листьях, причем наиболее сильно этот эффект был выражен в старых листьях (рис. 4.4, б). Снижение общего количества Хл (а + Ь) в 4-дневных проростках при тепловой обработке может происходить в результате ингибирования синтеза фотосинтетических пигментов или их разрушения. Уменьшение лабильного подфонда хлорофилловых молекул в 4-днсвных прогретых проростках может свидетельствовать об ингибировании синтеза фотосинтетических пигментов, поскольку в работе [335] фракция пигментов, извлекаемых растворителем низкой полярности, была идентифицирована как свежеобразованные, «молодые» молекулы.

Кроме того, рост отношения Хл «/Хл b в результате нагревания 4-дневных проростков, что, по нашим данным, происходило за счет более сильного снижения содержания Хл Ь, позволяет предположить, что увеличение размеров лабильного подфонда пигментов может быть связано также с преимущественным разрушением ССК 2. Повышение извлекаемости Хл (а + Ь) в 7-и 11-дневных листьях при прогревании указывает на увеличение фракции лабильных пигментов, что, по-видимому, происходит в результате разрушения ПБК и выхода из них пигментов.

Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что тепловое воздействие не приводит к существенному изменению микровязкости тилакоидных мембран, но изменяет состояние фотосинтетических пигментов в молодых проростках ячменя. В 11-дневных листьях происходят значительные структурные перестройки фотосинтетических мембран, связанные с изменением состояния структурных компонентов. Нагревание, как известно, может вызывать разрушение белковых молекул или ингибировать их синтез. В литературе негативное действие высокой температуры

Хл(« гипертермия

EZZ3 Хл (а+b). обезвоживание

  • —S— Хл a/Xn b, гипертермия
  • —А— Хл и Хп Ь, обезвоживание
Влияние гипертермии и обезвоживания на содержание Хл

Рис. 4.4. Влияние гипертермии и обезвоживания на содержание Хл (« + Ь) в пересчете на единицу сухой массы листа, отношение Хл о/Хл b (а) и на извлекаемость Хл (а + Ь) 0,9%-ным раствором этанола в гексане (б) из проростков ячменя разного возраста

было показано при исследовании биосинтеза апопротеинов реакционного центра ФС2, ос и [3 субъединиц АТФ-азы, Цит bbf комплекса, апопротеинов антенного комплекса [17, 18]. В результате прогревания интактных листьев и изолированных хлоропластов наблюдалась денатурация белков КВК, ССК2 и ФС2 [155]. В наших исследованиях тепловая обработка снижала содержание белка в ХП ячменя в листьях 7- и 11-дневного возраста (рис. 4.3, б). Это может приводить к сужению размеров ближайшего заторможенного липидного окружения белков [330], т. е. уменьшать микровязкость липидного бислоя. Повышение лабильного подфонда хлорофилловых пигментов в стареющих листьях, по-видимому, обусловлено преимущественным разрушением ССК2, что, как известно из литературы [156], является распространенной реакцией растений на нагревание.

Влиянию стрессовых обработок на содержание фотосинтетических пигментов и процесс биосинтеза Хл посвящено большое количество работ [141, 336]. Согласно литературным данным нагревание [140, 336] снижает содержание Хл {а + Б). Однако причины уменьшения размера пула фотосинтетических пигментов окончательно не выявлены. Количество пигментов определяется динамическим равновесием реакций их синтеза и разрушения [307, 321]. На основании этого можно предположить, что высокотемпературная обработка уменьшает размер пула хлорофилловых пигментов, нарушая равновесие скоростей биосинтеза и гидролиза Хл. На постэтиолированых проростках пшеницы и огурца показано [141], что падение количества Хл при нагревании обусловлено ингибированием реакций биосинтеза хлорофилловых пигментов, причем мишенями действия высоких температур являлись ферменты темнового синтеза предшественников Хл. Активность светозависимого фермента - ПОР, катализирующего превращение Пд в Хд, повышалась [141]. Литературные данные о влиянии высоких температур на протекание реакций биосинтеза Хл в зеленых растениях практически отсутствует. Известно лишь, что скорость обновления Хл в прогретых листьях снижается [304, 311]. В этой связи нами изучены некоторых реакции синтеза и гидролиза Хл (а, + Ь) в зеленых проростках ячменя разного возраста при действии теплового фактора.

Согласно приведенным на рис. 4.4, а данным, действие гипертермии приводило к достоверному снижению количества Хл (а + Б) в 4-дневных проростках и практически не влияло на этот показатель в более старых листьях. Уменьшение содержания Хл (а + Б) может свидетельствовать об изменении его метаболизма.

Для выявления наиболее чувствительных к тепловому воздействию заключительных участков хлорофиллообразования было изучено содержание фитольных и бесфитольных форм Хл (а + Ь), а для оценки активности функционирования темновой стадии цепи биосинтеза хлорофилловых пигментов - скорость накопления Пд при затемнении зеленых растений. Поскольку уменьшение содержания Хл (а + Ь) может быть вызвано смещением равновесия «синтез # гидролиз Хл (а + Ь)» в сторону последней реакции, была изучена активность хлорофиллазы - фермента, осуществляющего гидролиз Хл до Хд и фитола, первого этапа в процессе деградации Хл [337].

Пул фитольных молекул Хл при нагревании изменялся так же, как и общее количество Хл (а + Ь) (рис. 4.5, а), т. е. прогревание приводило к достоверному снижению содержания фитольных пигментов в 4-дневных проростках ячменя и значительно не влияло на данный показатель в более старых листьях (рис. 4.5, а). Уровень Хд под действием гипертермии падал, причем наиболее сильно - в старых 11-дневных листьях (рис. 4.5, б).

Синтез Пд в результате высокотемпературной обработки ингибировался в листьях ячменя всех исследованных возрастов (рис. 4.6, а). Активность хлорофиллазы при воздействии теплового фактора существенно снижалась в 4-дневных листьях ячменя, несколько повышалась в 7-дневных проростках и значительно активировалась в стареющих 11-дневных листьях (рис. 4.6, б).

На основании полученных данных можно сделать вывод, что тепловая обработка вызывает существенные изменения пула фотосинтетических пигментов. В результате нагревания 4-дневных проростков уменьшается содержание Хл + Z?) (рис. 4.4, а), Хд (рис. 4.5, б) и снижается скорость темнового ресинтеза Пд (рис. 4.6, а). Полученные данные указывают, что в молодых проростках ячменя тепловое воздействие ингибирует биосинтез хлорофилловых пигментов, подавляя как темновые реакции хлорофиллообразования (падение скорости ресинтеза Пд), так и процесс накопления продукта световой реакции биосинтеза Хл - Хд. Возможно, подавление биосинтеза Пд высокой температурой обусловлено ингибирующим действием нагревания уже на стадии

Возраст проростков, дни

Возраст проростков, дни

? Гипертермия Ш Обезвоживание

Рис. 4.5. Влияние гипертермии и обезвоживания на содержание фитольных (а) и бесфитольных (6) форм хлорофилловых пигментов в пересчете на единицу сухой биомассы листа в проростках ячменя разного возраста

образования порфиринов и даже накопления АЛК, как это было показано на деэтиолированных проростках пшеницы и огурца [141]. Активность хлорофиллазы в молодых проростках при нагревании падала (рис. 4.6, б), что может быть связано с подавлением синтеза или непосредственной термоинактивацией данного фермента, температурный оптимум которого находится в области

? Гипертермия ? Обезвоживание

Рис. 4.6. Влияние гипертермии и обезвоживания на накопление Пд (о) и активность хлорофиллазы (б) в проростках ячменя разного возраста

30 °C [337]. Данный факт свидетельствует о том, что в 4-днсвных проростках ячменя термоиндуцированное снижение содержания Хл вызвано преимущественно угнетением его биосинтеза.

С возрастом ответная реакция пигментного аппарата на действие теплового фактора несколько изменялась [292, 333, 334].

В 7- и 11-дневных листьях ячменя активность хлорофиллазы при прогревании существенно повышается (рис. 4.6, б). Данный факт может быть связан с термоиндуцированными перестройками тилакоидных мембран, поскольку в старых листьях почти весь пул хлорофиллазы находится в мембраносвязанном состоянии [337].

Выше было показано, что при высокотемпературной обработке структурные изменения тилакоидных мембран в 4-суточных проростках ячменя не наблюдались, в то время как в 7- и 11-суточных листьях происходило существенное снижение микровязкости липидного бислоя, повышение доли лабильного пигмента, доступного хлорофиллазе, и, по-видимому, снижение уровня «гранальности» тилакоидных мембран, что может приводить к изменению микроокружения хлорофиллазы и повышению активности фермента.

Количество Хд в старых листьях при прогревании не только не возрастало, чего можно было бы ожидать вследствие активации гидролиза Хл до Хд, а, наоборот, снижалось (рис. 4.5, б), что может указывать на существенное подавление биосинтеза Хд. В пользу данного предположения свидетельствует также термоиндуцированное снижение скорости ресинтеза Пд (рис. 4.6, а). На основании полученных данных можно заключить, что высокотемпературная обработка 7- и 11-дневных листьев приводила как к ингибированию биосинтеза хлорофилловых пигментов, так и к активации их гидролиза.

По сравнению с 4- или 7-дневными проростками ингибирование биосинтеза предшественников Хл в старых листьях выражено более сильно, что указывает на высокую термочувствительность их пигментного аппарата. Однако 50%-ное ингибирование синтеза Пд и активация гидролиза Хл в 11-дневных листьях не оказывали влияния на общее содержание хлорофилловых пигментов. Данный факт может быть обусловлен тем, что, как известно из наших и литературных данных [307, 321], скорость биосинтеза Хл (а + Ь) и активность хлорофиллазы в стареющих листьях весьма низки, и ингибирование этих процессов при тепловом шоке в 11-дневных листьях за 3 ч действия стрессора не может проявиться в достоверном изменении суммарного содержания Хл (а + Ь). Подавление биосинтеза Хл при тепловом шоке в 4-дневных листьях ощутимо для общего пула пигментов, поскольку в молодых проростках процессы хлорофиллообразо-вания, как известно [307, 321], наиболее активны и их торможение приводит к снижению количества Хл (а + Ь) в единице сухой массы листа по сравнению с контролем.

Резюмируя вышесказанное, можно заключить, что высокотемпературная обработка проростков ячменя всех изученных возрастов сопровождалась подавлением биосинтеза Хл (а + Ь), причем подавлялись как биосинтез Пд, так и накопление Хд. В случае 7- и 11-дневных проростков нагревание приводило также к активации гидролиза Хл (а + Ь), в то время как в молодых листьях активность хлорофиллазы, наоборот, ингибировалась.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >