Взаимосвязь механизмов регуляции фотосистемы 2 и выделения водорода у Chlamydomonas reinhardtii при недостатке азота или серы

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Некоторые микроводоросли способны к светозависимому выделению водорода после периода анаэробной адаптации, осуществляя таким образом биофотолиз воды. Скорость выделения водорода в начальный момент достигает максимальной скорости фотосинтеза. Однако этот процесс скоротечен: выделяющийся при фотосинтезе кислород быстро инактивирует ключевой фермент биофотолиза, гидрогеназу, и ингибирует его экспрессию. К настоящему времени разработаны подходы, реализующие длительное выделение водорода микроводорослями. Наиболее изученными являются подходы, основанные на переводе микроводорослей в условия недостатка элементов питания. Однако известно, что выделение водорода при недостатке элементов питания всегда сопровождается падением активности фотосистемы 2 (ФС2).
В литературе описано несколько механизмов подавления активности ФС, причём нет однозначного мнения о том, какой механизм является определяющим. Целью данной работы являлась проверка предположения о том, что реализация того или иного механизма подавления ФС2 зависит не только от типа стресса, но и от условий выращивания. Для этого фотоавтотрофную культуру микроводоросли Chlamydomonas reinhardtii выращивали в условиях недостатка азота или серы при различных световых режимах и анализировали реализацию следующих механизмов подавления активности ФС2: перевосстановленность пула пласто-
хинонов (сопряжённую с перевосстановленностью всей фотосинтетической электронтранспортной цепи), разобщение ФС2 (по кинетике накопления аскорбата и JIP-тесту), виолаксантиновый цикл, анаэробный стресс, сопряжённый с созданием восстановительного редокс-потенциала культуральной суспензии. Обнаружено, что ключевым механизмом, определяющим выделение водорода, является перевосстановленность пула пластохинонов. Другие механизмы также реализуются в различных условиях, но не проявляют однозначной корреляции с выделением водорода. Полученные результаты свидетельствуют, что индуцирование стресса за счёт голодания культур является удобным подходом для изучения выделения водорода микроводорослями, но вследствие низкой активности ФС2 непрактично. Для создания промышленных систем на основе микроводорослей требуются новые подходы, позволяющие полностью реализовать их фотосинтетический потенциал.

Об авторах

В. И. Гречаник

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: vi.semina@gmail.com
Пущино, Московская обл.

М. А. Большаков

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Email: vi.semina@gmail.com
Пущино, Московская обл.

А. А. Цыганков

ФИЦ ПНЦБИ РАН, Институт фундаментальных проблем биологии РАН

Email: vi.semina@gmail.com
Пущино, Московская обл.

Список литературы

  1. Sakurai, H., and Tsygankov, A. A. (2019) Photobiological biohydrogen production, in Second and Third Generation of Feedstocks, Else-vier, pp. 437-467, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815162-4.00016-1.
  2. Petrova, E., Kukarskikh, G., Krendeleva, T., and Antal, T. (2020) The mechanisms and role of photosynthetic hydrogen production by green microalgae, Microbiology, 89, 251-265, https://doi.org/10.1134/S0026261720030169.
  3. Touloupakis, E., Faraloni, C., Silva Benavides, A. M., and Torzillo, G. (2021) Recent achievements in microalgal photobiological hydrogen production, Energies, 14, 7170, https://doi.org/10.3390/en14217170.
  4. Grechanik, V., and Tsygankov, A. (2022) The relationship between photosystem II regulation and light-dependent hydrogen production by microalgae, Biophys. Rev., 14, 893-904, https://doi.org/10.1007/s12551-022-00977-z.
  5. Grechanik, V., and Tsygankov, A. (2021) Recent advances in microalgal hydrogen production, Photosynthesis: Molecular Approaches to Solar Energy Conversion, pp. 589-605, https://doi.org/10.1007/978-3-030-67407-6_22.
  6. Kosourov, S., Tsygankov, A., Seibert, M., and Ghirardi, M. L. (2002) Sustained hydrogen photoproduction by Chlamydomonas reinhard-tii: effects of culture parameters, Biotechnol. Bioeng., 78, 731-740, https://doi.org/10.1002/bit.10254.
  7. Melis, A., Zhang, L. P., Forestier, M., Ghirardi, M. L., and Seibert, M. (2000) Sustained photobiological hydrogen gas production upon reversible inactivation of oxygen evolution in the green alga Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol., 122, 127-135, https://doi.org/10.1104/pp.122.1.127.
  8. Philipps, G., Happe, T., and Hemschemeier, A. (2012) Nitrogen deprivation results in photosynthetic hydrogen production in Chlamydo-monas reinhardtii, Planta, 235, 729-745, https://doi.org/10.1007/s00425-011-1537-2.
  9. Batyrova, K. A., Tsygankov, A. A., and Kosourov, S. N. (2012) Sustained hydrogen photoproduction by phosphorus-deprived Chla-mydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrogen Energy, 37, 8834-8839, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.01.068.
  10. Grechanik, V., Naidov, I., Bolshakov, M., and Tsygankov, A. (2021) Photoautotrophic hydrogen production by nitrogen-deprived Chla-mydomonas reinhardtii cultures, Int. J. Hydrogen Energy, 46, 3565-3575, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.10.215.
  11. Grechanik, V., Romanova, A., Naydov, I., and Tsygankov, A. (2020) Photoautotrophic cultures of Chlamydomonas reinhardtii: sulfur de-ficiency, anoxia, and hydrogen production, Photosynth. Res., 143, 275-286, https://doi.org/10.1007/s11120-019-00701-1.
  12. Wykoff, D. D., Davies, J. P., Melis, A., and Grossman, A. R. (1998) The regulation of photosynthetic electron transport during nutrient deprivation in Chlamydomonas reinhardtii, Plant Physiol., 117, 129-139, https://doi.org/10.1104/pp.117.1.129.
  13. Antal, T. K., Krendeleva, T. E., Laurinavichene, T. V., Makarova, V. V., Ghirardi, M. L., Rubin, A. B., Tsygankov, A. A., and Seibert, M. (2003) The dependence of algal H2 production on Photosystem II and O2 consumption activities in sulfur-deprived Chlamydomonas rein-hardtii cells, Biochim. Biophys. Acta, 1607, 153-160, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2003.09.008.
  14. Volgusheva, A., Zagidullin, V., Antal, T., Korvatovsky, B., Krendeleva, T., Paschenko, V., and Rubin, A. (2007) Examination of chloro-phyll fluorescence decay kinetics in sulfur deprived algae Chlamydomonas reinhardtii, Biochim. Biophys. Acta, 1767, 559-564, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.04.006.
  15. Antal, T. K., Krendeleva, T. E., and Rubin, A. B. (2007) Study of photosystem 2 heterogeneity in the sulfur-deficient green alga Chla-mydomonas reinhardtii, Photosynth. Res., 94, 22, https://doi.org/10.1007/s11120-007-9202-0.
  16. Zhang, L., Happe, T., and Melis, A. (2002) Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chla-mydomonas reinhardtii (green alga), Planta, 214, 552-561, https://doi.org/10.1007/s004250100660.
  17. Nagy, V., Podmaniczki, A., Vidal-Meireles, A., Tengölics, R., Kovács, L., Rákhely, G., Scoma, A., and Tóth, S. Z. (2018) Wa-ter-splitting-based, sustainable and efficient H2 production in green algae as achieved by substrate limitation of the Cal-vin–Benson–Bassham cycle, Biotechnol. Biofuels, 11, 1-16, https://doi.org/10.1186/s13068-018-1069-0.
  18. Antal, T. K., Volgusheva, A. A., Kukarskih, G. P., Bulychev, A. A., Krendeleva, T. E., and Rubin, A. B. (2006) Effects of sulfur limitation on photosystem II functioning in Chlamydomonas reinhardtii as probed by chlorophyll a fluorescence, Physiol. Plantarum, 128, 360-367, https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2006.00734.x.
  19. Tsygankov, A. A., Kosourov, S. N., Tolstygina, I. V., Ghirardi, M. L., and Seibert, M. (2006) Hydrogen production by sulfur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under photoautotrophic conditions, Int. J. Hydrogen Energy, 31, 1574-1584, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.06.024.
  20. Kosourov, S., Patrusheva, E., Ghirardi, M. L., Seibert, M., and Tsygankov, A. (2007) A comparison of hydrogen photoproduction by sul-fur-deprived Chlamydomonas reinhardtii under different growth conditions, J. Biotechnol., 128, 776-787, https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2006.12.025.
  21. Gorman, D. S., and Levine, R. (1965) Cytochrome f and plastocyanin: their sequence in the photosynthetic electron transport chain of Chlamydomonas reinhardi, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 54, 1665-1669, https://doi.org/10.1073/pnas.54.6.1665.
  22. Sueoka, N., Chiang, K., and Kates, J. (1967) Deoxyribonucleic acid replication in meiosis of Chlamydomonas reinhardi: I. Isotopic transfer experiments with a strain producing eight zoospores, J. Mol. Biol., 25, 47-66, https://doi.org/10.1016/0022-2836(67)90278-1.
  23. Tsygankov, A. A., Laurinavichene, T. V., and Gogotov, I. N. (1994) Laboratory scale photobioreactor, Biotechnol. Techniq., 8, 575-578, https://doi.org/10.1007/BF00152149.
  24. Laurinavichene, T. V., Tolstygina, I. V., Galiulina, R. R., Ghirardi, M. L., Seibert, M., and Tsygankov, A. A. (2002) Dilution methods to deprive Chlamydomonas reinhardtii cultures of sulfur for subsequent hydrogen photoproduction, Int. J. Hydrogen Energy, 27, 1245-1249, https://doi.org/10.1016/S0360-3199(02)00101-5.
  25. Goltsev, V., Kalaji, H., Paunov, M., Bąba, W., Horaczek, T., Mojski, J., Kociel, H., and Allakhverdiev, S. (2016) Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of plant photosynthetic apparatus, Russ. J. Plant Physiol., 63, 869-893, https://doi.org/10.1134/S1021443716050058.
  26. Kalaji, H. M., Jajoo, A., Oukarroum, A., Brestic, M., Zivcak, M., Samborska, I. A., Cetner, M. D., Łukasik, I., Goltsev, V., and Ladle, R. J. (2016) Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions, Acta Physiol. Plantarum, 38, 1-11, https://doi.org/10.1007/s11738-016-2113-y.
  27. Kovács, L., Vidal-Meireles, A., Nagy, V., and Tóth, S. Z. (2016) Quantitative determination of ascorbate from the green alga Chlamydo-monas reinhardtii by HPLC, Bioprotocol, 6, e2067-e2067, https://doi.org/10.21769/BioProtoc.2067.
  28. Moskalenko, A., Toropygina, O., and Makhneva, Z. (1997) Behavior of carotenoids in Rhodospirillum rubrum cells under cultivation with diphenylamine [in Russian], Dokl. Akad. Nauk, 355, 259-261.
  29. Harris, E. H. (1989) Chlamydomonas Sourcebook, Academic Press San Diego.
  30. Gfeller, R. P., and Gibbs, M. (1984) Fermentative metabolism of Chlamydomonas reinhardtii: I. Analysis of fermentative products from starch in dark and light, Plant Physiol., 75, 212-218, https://doi.org/10.1104/pp.75.1.212.
  31. Grechanik, V. I., Bol’shakov, M. A., and Tsygankov, A. A. (2022) Hydrogen production by CO2 deprived photoautotrophic Chlamydo-monas reinhardtii cultures, Biochemistry (Moscow), 87, 1098-1108, https://doi.org/10.1134/S0006297922100030.
  32. Nagy, V., Vidal‐Meireles, A., Tengölics, R., Rákhely, G., Garab, G., Kovács, L., and Tóth, S. Z. (2016) Ascorbate accumulation during sulphur deprivation and its effects on photosystem II activity and H2 production of the green alga Chlamydomonas reinhardtii, Plant Cell Environ., 39, 1460-1472, https://doi.org/10.1111/pce.12701.
  33. Антал Т., Кренделева Т., Лауринавичене Т., Макарова В., Цыганков А., Сейберт М., и Рубин А. (2001) Связь активности фотоси-стемы 2 микроводорослей Chlamydomonas reinhardtii с выделением водорода при серном голодании, Докл. Акад. Наук, 381, 119.
  34. Zhang, L. P., Happe, T., and Melis, A. (2002) Biochemical and morphological characterization of sulfur-deprived and H2-producing Chlamydomonas reinhardtii (green alga), Planta, 214, 552-561, https://doi.org/10.1007/s004250100660.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Таблица П1. Изменение параметров JIP теста при выращивании культур при недостатке азота и различном освещении.
Скачать (368KB)
Метаданные
3. Таблица П2. Изменение параметров JIP теста при выращивании культур при недостатке серы и различном освещении.
Скачать (557KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».