Том 70, № 6 (2023)

В обзоре изложены современные представления о строении, механизмах регуляции и функциональной роли поры неспецифической проницаемости (mPTP) во внутренней мембране митохондрий животных и растений. Приведены некоторые особенности, характеризующие функционирование mPTP в митохондриях растений и ее регуляцию под влиянием Са²⁺ и АФК. Суммированы имеющиеся в литературе доказательства, свидетельствующие об участии митохондрий в программируемой гибели клеток растений, в том числе благодаря индукции mPTP. Намечены направления дальнейших исследований mPTP в митохондриях растений.

Формирование и функционирование фотосинтетического аппарата (ФСА) находится под общим контролем растительного организма и постоянно меняющихся условий среды. Исследовали возрастные и адаптивные изменения пигментного комплекса, спектральных свойств и состояния фотосистемы II (ФС II) листьев парциальных побегов летне-зимне-зеленого травянистого многолетника Ajuga reptans L. (живучка ползучая) в связи с перезимовкой. Появляющиеся в мае–июне розеточные листья новой генерации быстро накапливали фотосинтетические пигменты и формировали ФСА с высокой потенциальной (F_v/F_m) и реальной квантовой эффективностью ФС II (Ф_PSII). Осенью (сентябрь–октябрь) содержание хлорофиллов составляло 10 мг/г сухой массы, величина F_v/F_m равнялась 0.8 отн. ед., а уровень Ф_PSII при ФАР 130 мкмоль квантов/(м² с) составлял около 0.7 отн. ед. Перезимовавшие листья содержали вдвое меньше фотосинтетических пигментов, накапливали значительное количество антоцианов, характеризовались низкой фотохимической активностью и высоким уровнем деэпоксидации пигментов виолаксантинового цикла. С возобновлением активной вегетации растений (май) отмечали частичное восстановление пигментного фонда и репарацию ФСА перезимовавших листьев, о чем свидетельствует увеличение показателей квантового выхода ФС II. Завершение жизненного цикла листьев сопровождалось снижением Ф_PSII до 0.5 отн. ед. и резким увеличением тепловой диссипации энергии возбуждения (NPQ) до 0.9 отн. ед. Сезонные изменения спектральных свойств листьев и индексов фотохимического отражения в целом соответствовали динамике содержания пигментов и эффективности использования света при фотосинтезе. Полученные результаты указывают на существенную трансформацию структурно-функциональной организации ФСА в онтогенезе зимующих листьев. Генетически закрепленное свойство зимне-зеленых растений сохранять листья основано на способности их ФСА к восстановлению функциональной активности после шокового воздействия перезимовки, чему способствует комплекс адаптивных и защитных механизмов.

Каротиноиды крайне важны как незаменимые участники фотосинтеза и фотозащиты, а также роста, развития и стрессовой реакции растений. Фермент фитоиндесатураза (PDS; EC 1.3.5.5) катализирует первую фазу десатурации 15-цис-фитоина (предшественника всех каротиноидов). В работе впервые исследовано влияние нокаута PDS в геноме Nicotiana tabacum L. с использованием системы CRISPR-Cas9 на активность нижестоящих генов пути биосинтеза каротиноидов. Получены девять трансгенных линий табака с мозаичным редактированием гена NtPDS – три варианта инделей (350^351→ins^g#, 350^351→ins^t# и t351→del(1nt)#) в области экзона II, приводящих к синтезу укороченной, нефункциональной версии белка. Линии характеризовались пятнистой, зелено-белой пигментацией листьев, изменениями времени инициации цветения и морфологических характеристик, а также снижением содержания каротиноидов и хлорофиллов в ткани листа. Продемонстрировано увеличение уровня транскриптов гена фитоинсинтазы NtPSY2 у позднецветущих линий в сравнении с контролем. Редактированная линия L29 с самым поздним цветением характеризовалась существенным подъемом уровня транскриптов нижестоящих структурных генов каротиногенеза. Снижение содержания каротиноидов в листьях мозаично редактированных растений сопровождалось падением уровня экспрессии MADS-box гена NtSEP1, продукт которого предположительно участвует в регуляции транскрипции генов биосинтеза каротиноидов. Полученные данные могут быть использованы для дальнейших исследований регуляции биосинтеза каротиноидов и апокаротиноидов у Пасленовых культур.

Микрозелень четырех видов семейства Brassicaceae (брокколи, мизуна, редис и рукола) выращивали в условиях 16- и/или 24-часового фотопериода. В первой серии опытов интеграл дневного освещения был разным (15.6 и 23.3 моль/(м² сут) при ФАР 270 мкмоль/(м² с)), во второй – одинаковым (15.6 моль/(м² сут) при ФАР 270 мкмоль/(м² с) и 180 мкмоль/(м² с)). В третьей серии опытов круглосуточное освещение применяли только в последние трое суток перед сбором урожая. Полученные результаты показали, что растения брокколи, мизуны, редиса и руколы на ранних фазах роста устойчивы к действию круглосуточного освещения и не проявляют типичных признаков фотоповреждения листьев. Микрозелень всех четырех видов, выращенная в условиях круглосуточного освещения, во всех трех сериях опытов имела более высокую урожайность и пищевую ценность (более высокое содержание веществ с антиоксидантными свойствами − антоцианов, флавоноидов, каротиноидов, пролина, а также повышенную активность ферментов антиоксидантной системы), и более низкое содержание нитратов по сравнению с растениями, выращенными при 16-часовом фотопериоде. Сделан вывод, что за счет использования круглосуточного освещения без увеличения энергетических затрат (при сохранении ИДО) возможно увеличение урожайности и пищевой ценности изученных видов микрозелени и снижение в ней содержания нитратов по сравнению со стандартным 16-часовым фотопериодом. Кроме того, повышение пищевой ценности и снижение содержания нитратов также возможно и при применении круглосуточного освещения (как агротехнического приема) в течение нескольких дней непосредственно перед сбором урожая.

На проростках морозостойкого сорта озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) изучали изменения ультраструктурной организации клеток мезофилла, происходящие в процессе низкотемпературной адаптации (4°С, 7 сут). Установлено, что под влиянием низкой закаливающей температуры клетки листьев пшеницы увеличивались в размерах, при этом возрастала площадь цитоплазмы, в то время как размеры вакуоли уменьшались. Электронная плотность цитоплазмы визуально увеличивалась, в ней появлялись многочисленные везикулы. Кроме того, увеличивались размеры хлоропластов, а также количество хлоропластов, митохондрий и пероксисом на единицу площади среза клетки. Скопления митохондрий и пероксисом в виде цепочек были отмечены около хлоропластов в клетках закаленных проростков, а сами митохондрии изменяли свою форму с округлой на вытянутую или гантелевидную. Низкая температура также влияла на форму хлоропластов, которые из линзовидных становились более округлыми, в них обнаруживались выросты (стромулы). Значительные изменения под влиянием низкой температуры происходили в ультраструктуре хлоропластов: увеличивалось количество и размеры пластогбул, полностью исчезали крахмальные включения, снижались количество гран, среднее число тилакоидов в гране, высота и площадь граны, плотность фотосинтетических мембран в хлоропласте коэффициент его гранальности (отношение длины мембран тилакоидов в гранах к длине мембран стромальных тилакоидов). При этом в процессе низкотемпературного закаливания формировалась повышенная морозоустойчивость пшеницы, которую анализировали по выживаемости проростков и выходу электролитов из тканей листа после тестирующего промораживания. Показана взаимосвязь обнаруженных структурных трансформаций в клетках листьев пшеницы с функциональными и физиолого-биохимическими изменениями, происходящими у холодостойких растений в процессе низкотемпературной адаптации. Предполагается, что наблюдаемая ультраструктурная реорганизация клеток является одним из важных компонентов в сложной программе адаптации, а также звеном, необходимым для формирования повышенной устойчивости озимых злаков к низкой температуре.

Оценено действие тяжелых металлов − кадмия, свинца и никеля на рост и физиологическое состояние рафидофитовой водоросли Heterosigma akashiwo MBRU_HAK-SR11 (Y.Hada) Y.Hada ex Y.Hara, M.Chihara в течение 7 суток опыта. Выявлено, что кадмий и никель в концентрациях 10 и 20 мкг/л стимулировали рост H. akashiwo, а свинец при данных концентрациях − ингибировал. Содержание хлорофилла а и каротиноидов при добавлении 10 мкг/л кадмия и 20 мкг/л никеля увеличивалось, при добавлении 20 мкг/л кадмия содержание каротиноидов было выше такового в контроле. При внесении свинца наблюдалось повышение уровня хлорофилла а и уменьшение содержания каротиноидов. Содержание АФК увеличивалось при внесении кадмия и свинца, а при внесении никеля снижалось. Кадмий оказал действие на продукцию нейтральных липидов: их содержание повышалось, а к концу опыта снижалось. Никель стимулировал накопление нейтральных липидов H. akashiwo, а свинец никак не влиял на их содержание. Наименьшее влияние металлы оказали на прямое и боковое светорассеяние и флуоресценцию хлорофилла а. Отсутствие выраженных изменений прямого и бокового светорассеяния косвенно свидетельствуют о том, что морфологически клетки водоросли не изменялись при токсическом воздействии. Таким образом, кадмий, свинец и никель в концентрациях 10-20 мкг/л изменяли физиологические процессы у водоросли.

Исследованы фотосинтетические характеристики листьев липы (Tilia cordata L.) и березы (Betula verrukosa L.), растущих вблизи городских магистралей г. Москвы (МКАД, Московская кольцевая автодорога) с помощью одновременной регистрации индукционных кривых флуоресценции хлорофилла и редокс-состояния пигмента ФС I – Р700. У деревьев близ магистралей выявлено ухудшение электронного транспорта на уровне пластохинонов (δ_Ro) и снижение скорости восстановления Р700⁺, несмотря на достаточно высокие показатели фотосинтетической эффективности (F_V/F_M). У листьев березы, растущих вдоль МКАД, выявлено снижение оттока электронов от ФС I и уменьшение интенсивности замедленной флуоресценции при 30 мс и 1 с, связанной со снижением электрической и химической составляющих электрохимического градиента протонов на фотосинтетических мембранах. У растений около автомобильных магистралей отмечено повышение степени фотоингибирования и замедление реакций восстановления фотосинтетической активности в темноте после прекращения фотоокислительного стресса, что подтверждает вероятное влияние неблагоприятных городских условий на биосинтез белков реакционных центров ФС II. В качестве индикаторов состояния деревьев в городской среде предложены следующие параметры флуоресценции: общий индекс производительности (PI_total) и квантовый выход восстановления акцепторов электрона на акцепторной стороне ФС I (φ_Ro).