Том 70, № 1 (2023)

Фотосистема II (ФС II) фотосинтетического аппарата оксигенных организмов содержит каталитический центр, осуществляющий одну из важнейших биоэнергетических реакций – светозависимое окисление воды до молекулярного кислорода. Каталитический центр представляет собой кластер Mn₄CaO₅, состоящий из 4 катионов марганца и 1 катиона кальция, соединенных кислородными мостиками. Ранее нами было установлено, что в области рН 5.7 в кластере имеет место структурный переход, сопровождающийся изменением редокс-потенциала катиона(ов) марганца и повышением устойчивости Mn-кластера к действию восстановителей. Обнаруженный эффект был изучен нами в ряде исследований, обзор которых представлен в данной работе. Установлено, что при рН 5.7 катионы Fe(II) замещают не два катиона марганца как при рН 6.5, а только один катион, формируя химерный кластер Mn₃Fe₁. Мембранные препараты ФС II с таким химерным кластером способны в присутствии экзогенных ионов кальция выделять кислород при освещении (около 25% скорости в нативной ФС II). Обнаружено, что фотоингибирование, в котором значительную роль играют процессы окисления/восстановления, при рН 5.7 замедляется по сравнению с рН 6.5. Препараты ФС II также были более устойчивы к термоинактивации при рН 5.7, чем при рН 6.5. Однако в препаратах ФС II без катионов марганца в кислород-выделяющем комплексе разницы в скоростях фотоингибирования при рН 6.5 и 5.7 не наблюдалось. В тилакоидных мембранах протонофоры, сбрасывающие протонный градиент и увеличивающие рН люмена, где локализован марганцевый кластер, c 5.7 до 7.0, значительно увеличивали скорость фотоингибирования ФС II. Предполагается, что структурный переход в Mn-кластере в области рН 5.7 вовлечен в механизм защиты ФС II от фотоингибирования.

Разработанный нами ранее подход для описания цепей сопряженных ферментативных реакций процесса фотосинтеза впервые позволил предложить строгую математическую модель непрямоугольной гиперболы, которая описывает зависимость скорости фотосинтеза от интенсивности света (I), концентрации CO₂ и взаимодействие этих двух факторов. Фундаментальными параметрами этой модели являются световая (I_K) и углекислотная (C_K) субстратные константы, а также кривизна гиперболы (γ), параметры сопряжения (r_IP и r_CP) и максимальная скорость фотосинтеза (P^m). Предложены специальные спрямляющие координаты, в которых все семейство гипербол имеет вид прямой линии. Главные параметры могут быть найдены только при построении экспериментальных данных в спрямляющих координатах. Предлагаемая модель непрямоугольной гиперболы применима как для описания процесса фотосинтеза у морских водорослей и высших растений, так и для поглощения витамина B₁₂ водорослями, и зависимости скорости выедания пищи зоопланктоном и рыбой.

В плодах сортов перца видов Capsicum annuum (Сиреневый куб), C. frutescens (Самоцвет) и C. chinense (Pimenta da Neyde), различающихся профилем пигментации в процессе созревания, определено содержание антоцианов и профили экспрессии структурных и регуляторных генов биосинтеза антоцианов. Антоцианы выявлены в кожице плода сорта Сиреневый куб, а также в кожице и мякоти сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde. В кожице плодов всех трех анализируемых сортов перца уровни экспрессии структурных генов биосинтеза антоцианов в 2 и более раз выше, чем в мякоти. У сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde в мякоти экспрессия CHS, F3 '5 'H, DFR, ANS и UFGT выше, чем у сорта Сиреневый куб. Для сорта Pimenta da Neyde характерна высокая экспрессия структурных генов в мякоти и кожице спелого плода. Экспрессия генов факторов транскрипции anthocyanin2 (R2R3-MYB) и MYC (bHLH) выявлена в кожице плодов сорта Сиреневый куб, а также в кожице и мякоти плодов сортов Самоцвет и Pimenta da Neyde на всех анализируемых стадиях созревания. Для всех структурных генов пути биосинтеза антоцианов выявлена высокая корреляция (r = 0.54‒0.93) уровней экспрессии с содержанием антоцианов в плодах. Высокая корреляция (r = 0.88) показана также для гена MYC. Для гена anthocyanin2 корреляция (r = 0.85) присутствует только для сортов Сиреневый куб и Pimenta da Neyde, но не для сорта Самоцвет.

Действие на растения биотических и абиотических стрессовых факторов приводит к изменениям в составе и содержании метаболитов различной химической природы, в том числе липофильных соединений. Одним из способов моделирования стрессовой ситуации является экзогенная обработка растений фитогормонами. Настоящая работа посвящена изучению органоспецифичности состава липофильных соединений, а также изменения их содержания в проростках пшеницы Triticum aestivum L. при экзогенном действии “стрессовых фитогормонов”: абсцизовой кислоты (АБК), салициловой кислоты (СК) и метилжасмоната (МеЖ). Установлено, что корни и листья проростков пшеницы имеют одинаковый состав липофильных соединений, но значительно отличаются по их содержанию. В листьях количество углеводородов, включая сквален, а также тритерпенов, стеринов и фосфатидилхолина значительно больше, чем в корнях. В листьях преобладают гликоцерамиды 1 типа, содержащие в своем составе ЖК остаток с α-гидроксильной группой, а в корнях, наоборот, превалируют гликоцерамиды 2 типа, в ЖК остатках которых отсутствует α-гидроксильная группа. Кроме того, в липидных экстрактах листьев содержатся липофильные пигменты (хлорофилл a и b, каротиноиды) и гидрофобные фенольные соединения, представленные оксикоричными кислотами. Действие “стрессовых фитогормонов” приводит к существенным изменениям ростовых показателей, интенсивности фотосинтеза, профиля липофильных соединений проростков пшеницы в зависимости от органа растения и химической природы фитогормона. При воздействии АБК и МеЖ наблюдалось угнетение роста корней и листьев, повышался уровень нефотохимического тушения, изменялось содержание фотосинтетических пигментов. Необычный эффект наблюдался при действии МеЖ, который повышал уровень холестерина и фосфатидилсерина. Отличительной особенностью действия СК был органоспецифический характер изменений в содержании продуктов мевалонатного пути, тритерпенов и стеринов. Таким образом, моделирование стрессовых условий путем экзогенного воздействия фитогормонов на проростки пшеницы оказало существенное влияние на состав липофильных соединений. Специфические изменения в липидном составе, индуцированные гормонами, могут вносить вклад в адаптационные структурные перестройки клеточных мембран, а изменения в содержании гидрофобных фенольных метаболитов и фотосинтетических пигментов усиливать антиоксидантную защиту растений при стрессе.

В литературе представлены противоречивые данные относительно роли PTF1/ ТСР13 из семейства транскрипционных факторов TCP в регуляции экспрессии пластидного гена psbD, кодирующего D2 белок ФС II. Для анализа биологических функций PTF1/ ТСР13 нами был использован трансформант, у которого ген PTF1/TCP13 экспрессировался под действием β-эстрадиол-индуцибельного промотора. Оверэкспрессия PTF1/TCP13 не способствовала ожидаемому увеличению накопления транскриптов гена psbD, транскрибируемых с промотора BLRP (Blue Light Responsive Promoter), хотя их уровень существенно повышался под действием света или АБК. PTF1/TCP13 активировался АБК, причем в регуляции экспрессии PTF1/TCP13 принимали участие гены канонического пути передачи сигнала АБК. Кроме того, PTF1/TCP13 индуцировался в ответ на солевой стресс. Однако у оверэкспрессирующей линии были снижены солеустойчивость и экспрессия маркеров солевого стресса, а также ряда генов синтеза и сигналинга АБК по сравнению с аналогами с нормальным уровнем экспрессии этого транс-фактора, то есть, PTF1/TCP13 действовал как отрицательный регулятор солевого стресса. Таким образом, PTF1 не является транскрипционным фактором пластид. Тем не менее, он представляет один из компонентов АБК-зависимой регуляторной цепи, способной модифицировать экспрессию ядерных и хлоропластных генов в ответ на изменение гомеостаза.

Проведена комплексная оценка изменений, происходящих при потемнении каллуса, полученного из вегетативных почек 40-летних деревьев сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. На основании биометрической оценки каллуса (интенсивность каллусообразования, доля светлого каллуса, масса каллуса) из 32 проанализированных деревьев (16 генотипов, представленных двумя клонами) выделили два генотипа с высокой каллусообразующей способностью. Анализ митоза показал, что хотя доля аберрантных клеток в каллусе не превышает нормы спонтанного мутирования для P. sylvestris, спектр нарушений на стадии мета-, ана- и телофазы в каллусной культуре был шире по сравнению с таковым у семенного потомства тех же деревьев сосны. Потемнение каллуса сопровождалось снижением метаболизации сахарозы в клетке (снижение цитоплазматической, вакуолярной инвертазы и сахарозосинтазы) и существенным снижением активности пероксидазы. При этом активность апопластной инвертазы поддерживалась на постоянном уровне. Активность супероксиддисмутазы, каталазы, полифенолоксидазы и фенилаланинаммиаклиазы, наоборот, была выше в темном каллусе. Обсуждается возможное использование изученных ферментов как биохимических маркеров перехода к потемнению каллусных культур сосны.