Войти
Фотоингибирование Фотосистемы II (ФСII) приводит к потере активности переноса электронов ФСII. PSII непрерывно восстанавливается за счет деградации и синтеза белка D1. Линкомицин может быть использован для блокирования синтеза белка Фотоингибирование - это вызванное светом снижение фотосинтетической способности растения, водоросли или cyanobacterium. Фотосистема II (ФСII) более чувствительна к свету, чем остальные механизмы фотосинтеза, и большинство исследователей определяют этот термин как вызванное светом повреждение ФСII. В живых организмах фотоингибированные центры ФСII непрерывно восстанавливаются за счет деградации и синтеза белка D1 фотосинтетического реакционного центра ФСII. Фотоингибирование также используется в более широком смысле, как динамическое фотоингибирование, для описания всех реакций, снижающих эффективность фотосинтеза, когда растения подвергаются воздействию света.
Первые измерения фотоингибирования были опубликованы в 1956 году Бесселем Коком. Даже в самых первых исследованиях было очевидно, что у растений есть механизм восстановления, который непрерывно восстанавливает фотоингибирующие повреждения. В 1966 году Джонс и Кок измерили спектр действия фотоингибирования и обнаружили, что ультрафиолетовый свет оказывает сильное фотоингибирование. Было обнаружено, что часть спектра действия видимого света имеет пик в области красного света, что свидетельствует о том, что хлорофиллы действуют как фоторецепторы фотоингибирования. В 1980-х годах фотоингибирование стало популярной темой в исследованиях фотосинтеза, и была заново изобретена концепция повреждающей реакции, которой противодействует процесс восстановления. Исследования были стимулированы статьей Кайла, Охада и Арнтцена в 1984 году, показавшей, что фотоингибирование сопровождается селективной потерей 32-кДа белка, позже идентифицированного как белок D1 реакционного центра PSII. Фоточувствительность ФСII, из которой выделяющийся кислород комплекс был инактивирован химической обработкой, изучалась в 1980-х и начале 1990-х годов. В статье Имре Васс с соавторами в 1992 г. описан акцепторный механизм фотоингибирования. Измерения продукции синглетного кислорода фотоингибированными PSII предоставили дополнительные доказательства механизма акцепторного типа. Концепция ремонтного цикла, который непрерывно восстанавливает фотоингибирующие повреждения, эволюционировала и была рассмотрена Aro et al. в 1993. С тех пор были обнаружены многие детали цикла репарации, включая открытие того, что протеаза FtsH играет важную роль в деградации белка D1. В 1996 году статья Tyystjärvi и Aro показала, что константа скорости фотоингибирования прямо пропорциональна интенсивности света, что противоречит предыдущему предположению о том, что фотоингибирование вызывается той долей световой энергии, которая превышает максимальную способность фотосинтеза. В следующем году эксперименты по фотоингибированию с помощью лазерного импульса, проведенные группой Ицхака Охада, привели к предположению, что реакции рекомбинации зарядов могут быть разрушительными, потому что они могут привести к образованию синглетного кислорода. Молекулярный механизм (ы) фотоингибирования постоянно обсуждается. Новейшим кандидатом является марганцевый механизм, предложенный в 2005 году группой Эсы Тюстярви. Аналогичный механизм был предложен группой Норио Мурата также в 2005 году.
Фотосистема II цианобактерий, димер, PDB 2AXT Фотоингибирование происходит у всех организмов, способных к оксигенальному фотосинтезу, начиная с От сосудистых растений до цианобактерий. Как у растений, так и у цианобактерий синий свет вызывает фотоингибирование более эффективно, чем другие длины волн видимого света, а все длины волн ультрафиолетового света более эффективны, чем длины волн видимого света. Фотоингибирование - это серия реакций, которые подавляют различные активности PSII, но нет единого мнения о том, что это за шаги. Активность выделяющего кислород комплекса ФСII часто оказывается утраченной до того, как остальная часть реакционного центра теряет активность. Однако ингибирование мембран ФСII в анаэробных условиях приводит в первую очередь к ингибированию переноса электронов на акцепторной стороне ФСII. Ультрафиолетовый свет вызывает ингибирование комплекса, выделяющего кислород, прежде чем остальная часть ФСII становится ингибированной. Фотосистема I (PSI) менее восприимчива к индуцированному светом повреждению, чем PSII, но наблюдалось медленное ингибирование этой фотосистемы. Фотоингибирование PSI происходит у чувствительных к холоду растений, и реакция зависит от потока электронов от PSII к PSI.
Фотосистема II повреждается светом независимо от его интенсивности. квантовый выход повреждающей реакции в типичных листьях высших растений, подвергшихся воздействию видимого света, а также в препаратах изолированных тилакоидных мембран, находится в диапазоне от 10 до 10 и не зависит от интенсивность света. Это означает, что один комплекс ФСII повреждается на каждые 10–100 миллионов фотонов, которые перехватываются. Следовательно, фотоингибирование происходит при любой интенсивности света, а константа скорости фотоингибирования прямо пропорциональна интенсивности света. Некоторые измерения показывают, что тусклый свет вызывает повреждение более эффективно, чем сильный свет.
Механизм (ы) фотоингибирования обсуждается, несколько механизмов было предложено. Активные формы кислорода, особенно синглетный кислород, играют роль в механизмах акцепторной стороны, синглетного кислорода и слабого освещения. В марганцевом механизме и донорном механизме активные формы кислорода не играют прямой роли. Фотоингибированный ФСII производит синглетный кислород, а активные формы кислорода ингибируют цикл восстановления ФСII, подавляя синтез белка в хлоропласте.
Сильный свет вызывает восстановление пула пластохинона, что приводит к протонированию и двойному восстановлению (и двойному протонированию) акцептора электронов Q A Фотосистемы II. Протонированные и дважды восстановленные формы Q A не участвуют в переносе электронов. Более того, ожидается, что реакции рекомбинации зарядов в ингибированной Фотосистеме II приведут к триплетному состоянию первичного донора (P 680), более вероятно, чем такие же реакции в активной PSII. Триплет P 680 может реагировать с кислородом с образованием вредного синглетного кислорода.
Если выделяющий кислород комплекс химически инактивирован, то оставшийся перенос электронов активность ФСII становится очень чувствительной к свету. Было высказано предположение, что даже в здоровом листе выделяющий кислород комплекс не всегда функционирует во всех центрах ФСII, и эти центры склонны к быстрому необратимому фотоингибированию.
A Фотон, поглощаемый ионами марганца комплекса, выделяющего кислород, запускает инактивацию комплекса, выделяющего кислород. Дальнейшее ингибирование остальных реакций переноса электронов происходит так же, как и в донорном механизме. Этот механизм подтверждается спектром действия фотоингибирования.
Ингибирование ФСII вызывается синглетным кислородом, продуцируемым либо слабосвязанными молекулами хлорофилла, либо цитохромами или центры железа и серы.
Реакции рекомбинации заряда ФСII вызывают образование триплета P 680 и, как следствие, синглетный кислород. Рекомбинация заряда более вероятна при слабом освещении, чем при более высокой интенсивности света.
Фотоингибирование следует простой кинетике первого порядка при измерении от Обработанные линкомицином клетки листьев, цианобактерий или водорослей или изолированные тилакоидные мембраны, в которых одновременное восстановление не нарушает кинетику. Данные группы W. S. Chow показывают, что в листьях перца (Capsicum annuum ) паттерн первого порядка заменяется псевдоравновесием, даже если реакция репарации заблокирована. Отклонение было объяснено предположением, что фотоингибированные центры ФСII защищают оставшиеся активные. И видимый, и ультрафиолетовый свет вызывают фотоингибирование, а ультрафиолетовые волны гораздо более разрушительны. Некоторые исследователи рассматривают индуцированное ультрафиолетом и видимым светом фотоингибирование как две разные реакции, в то время как другие подчеркивают сходство между реакциями ингибирования, происходящими в разных диапазонах длин волн.
Фотоингибирование происходит постоянно, когда растения или цианобактерии подвергаются воздействию света, и поэтому фотосинтезирующий организм должен постоянно восстанавливать повреждения. Цикл репарации ФСII, происходящий в хлоропластах и цианобактериях, состоит из деградации и синтеза белка D1 реакционного центра ФСII с последующей активацией реакционного центра. Благодаря быстрому восстановлению большинство реакционных центров ФСII не подавляются фотоингом, даже если растение растет при ярком освещении. Однако стрессы окружающей среды, например экстремальные температуры, соленость и засуха, ограничивают поступление двуокиси углерода для использования в фиксации углерода, что снижает скорость восстановления ФСII.
В исследованиях фотоингибирования восстановление часто останавливают путем нанесения антибиотика (линкомицина или хлорамфеникол ) на растения или цианобактерии, которые блокируют синтез белка в хлоропласт. Синтез белка происходит только в неповрежденном образце, поэтому линкомицин не нужен, когда фотоингибирование измеряется с изолированной мембраны. Цикл репарации PSII рециркулирует другие субъединицы PSII (за исключением белка D1) из ингибированной единицы в репарированную.
цикл ксантофилла важен для защиты растений от фотоингибирования Растения имеют механизмы, которые защищают от неблагоприятного воздействия сильного света. Наиболее изученным механизмом биохимической защиты является нефотохимическое тушение энергии возбуждения. Индуцированное видимым светом фотоингибирование происходит примерно на 25% быстрее у мутанта Arabidopsis thaliana без нефотохимического тушения, чем у дикого типа. Также очевидно, что поворот или складывание листьев, как это происходит, например, у видов Oxalis в ответ на воздействие сильного света, защищает от фотоингибирования.
Поскольку в цепи переноса электронов существует ограниченное количество фотосистем, фотосинтезирующие организмы должны найти способ бороться с избытком света и предотвращать фото -окислительный стресс, а также фотоингибирование любой ценой. Чтобы избежать повреждения субъединицы D1 PSII и последующего образования ROS, растительная клетка использует вспомогательные белки для переноса избыточной энергии возбуждения от поступающего солнечного света; а именно белок PsBs. Вызванные относительно низким pH в просвете, растения развили быструю реакцию на избыточную энергию, благодаря которой она выделяется в виде тепла и уменьшения повреждений.
Исследования Тибилетти и др. (2016) обнаружили, что PsB является основным белком, участвующим в восприятии изменений pH, и поэтому может быстро накапливаться в присутствии яркого света. Это определяли путем выполнения SDS-PAGE и анализов иммуноблоттинга, обнаруживая сам PsB в зеленой водоросле Chlamydomonas reinhardtii. Согласно их данным, белок PsBs принадлежит к мультигенному семейству, называемому белками LhcSR, включая белки, которые катализируют превращение виолаксантина в зеаксантин, как упоминалось ранее. PsBs участвует в изменении ориентации фотосистем во время яркого освещения, чтобы стимулировать расположение места гашения в светособирающем комплексе .
Кроме того, исследования, проведенные Glowacka et al.. (2018) показывают, что более высокая концентрация PsB напрямую коррелирует с ингибированием устьичной апертуры. Но это не влияет на потребление CO 2 и увеличивает эффективность использования воды на предприятии. Это определяли путем контроля экспрессии PsBs в Nicotinana tabacum путем наложения ряда генетических модификаций на растение для тестирования уровней и активности PsBs, включая трансформацию ДНК и транскрипцию с последующей экспрессией белка. Исследования показывают, что устьичная проводимость сильно зависит от присутствия белка PsBs. Таким образом, когда в растении чрезмерно экспрессировались PsB, эффективность водопоглощения значительно улучшалась, что приводило к новым методам повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Эти недавние открытия связывают воедино два крупнейших механизма в фитобиологии; это влияние, которое световые реакции оказывают на устьичную апертуру с помощью цикла Кальвина-Бенсона. В частности, цикл Кальвина-Бенсона, протекающий в строме хлоропласта, получает свой CO 2 из атмосферы, которая поступает при открытии устьиц. Энергия цикла Кальвина-Бенсона является продуктом световых реакций. Таким образом, связь была обнаружена как таковая: когда PsBs заглушены, как и ожидалось, давление возбуждения на PSII увеличивается. Это, в свою очередь, приводит к активации окислительно-восстановительного состояния хинона A, и не происходит изменения концентрации диоксида углерода во внутриклеточном воздушном пространстве листа; в конечном итоге увеличение устьичной проводимости. Верна и обратная зависимость: когда PsBs сверхэкспрессирован, давление возбуждения на PSII снижается. Таким образом, окислительно-восстановительное состояние хинона А больше не активно, и, опять же, нет изменений в концентрации углекислого газа во внутриклеточном воздушном пространстве листа. Все эти факторы способствуют чистому снижению устьичной проводимости.
Влияние освещения на отношение переменной флуоресценции к максимальной (F V/FM) листьев плюща земляного (Glechoma hederacea). Плотность потока фотонов составляла 1000 мкмоль мс, что соответствует половине полного солнечного света. Фотоингибирование повреждает ФСII с одинаковой скоростью, независимо от того, находится ли стебель листа в воде или линкомицине, но в образце «стебель листа в воде» восстановление происходит так быстро, что не происходит чистого уменьшения (F V/FM) быть измеренным на изолированных тилакоидных мембранах или их субфракциях, или в интактных цианобактериальных клетках путем измерения насыщенной светом скорости выделения кислорода в присутствии искусственного акцептора электронов (хинонов и использовался дихлорфенол-индофенол ).
Степень фотоингибирования в интактных листьях может быть измерена с использованием флуориметра для измерения отношения переменной к максимальной величине флуоресценции хлорофилла а (F V/FM). Это соотношение можно использовать как показатель фотоингибирования, поскольку больше энергии излучается в виде флуоресценции от хлорофилла а, когда многие возбужденные электроны из ФС II не захватываются акцептором и распадаются обратно в свое основное состояние.
При измерении F V/FMлист перед измерением необходимо инкубировать в темноте не менее 10 минут, предпочтительно дольше, чтобы ослабить нефотохимическое тушение.
Фотоингибирование также может быть вызвано короткими вспышками света с помощью импульсного лазера или ксеноновой лампы-вспышки. Когда используются очень короткие вспышки, их фотоингибирующая эффективность зависит от разницы во времени между вспышками. Эта зависимость была интерпретирована как указание на то, что вспышки вызывают фотоингибирование, вызывая реакции рекомбинации в ФС II с последующим образованием синглетного кислорода. Интерпретация подверглась критике, поскольку было отмечено, что фотоингибирующая эффективность ксеноновых вспышек зависит от энергии вспышек, даже если используются такие сильные вспышки, что они насыщают образование субстрата реакций рекомбинации.
Некоторые исследователи предпочитают определять термин «фотоингибирование» так, чтобы он содержал все реакции, снижающие квантовый выход фотосинтеза, когда растение подвергается воздействию света. В этом случае термин «динамическое фотоингибирование» включает явления, которые обратимо подавляют фотосинтез на свету, а термин «фотоповреждение» или «необратимое фотоингибирование» охватывает концепцию фотоингибирования, используемую другими исследователями. Основным механизмом динамического фотоингибирования является нефотохимическое тушение энергии возбуждения, поглощаемой ФСII. Динамическое фотоингибирование - это акклиматизация к сильному свету, а не вызванное светом повреждение, и поэтому «динамическое фотоингибирование» может фактически защитить растение от «фотоингибирования».
Фотоингибирование может вызывать обесцвечивание кораллов.
