В целях повышения устойчивости и урожайности в сельском хозяйстве
Данные исследования ведутся при финансовой поддержке Российского научного фонда (Проект №17-76-20032, руководитель Сухов Владимир Сергеевич) и Министерства образования и науки РФ (Проект №6.3199.2017/ПЧ, руководитель Воденеев Владимир Анатольевич) и являются частью активно развивающегося научного направления, реализуемого коллективом кафедры биофизики ННГУ.
Растения постоянно подвергаются действию различных стрессоров, включая засуху, колебания температуры и интенсивности освещения, нападение насекомых и т.д. Поскольку растения ведут прикрепленный образ жизни, то единственный способ пережить воздействие стрессирующего фактора – это быстро адаптировать свой метаболизм к изменившимся условиям. В том случае, когда стрессоры действуют лишь на определенные части растительного организма (например, сильные свет или механическое повреждение) у растения происходит распространение специальных стрессовых сигналов. Так при локальном воздействии стрессоров одним из первичных ответов растения является генерация и распространение электрических стрессовых сигналов, в частности вариабельного потенциала.
Вариабельный потенциал – это уникальный электрический сигнал растений, возникающий в ответ на повреждающие воздействия, которые несут потенциальную угрозу жизни растений. При этом известно, что вариабельный потенциал может существенно снижать фотосинтез у растений, тем самым, повышая их устойчивость к действию стрессоров и, по-видимому, снижая их продуктивность. Важной особенностью вариабельного потенциала является длительная инактивация Н+-АТФазы в окружающей клетку биологической мембране. Н+-АТФазы представляет собой особый мембранный фермент, который использует энергию АТФ для того, чтобы выкачивать протоны водорода из внутренней среды во внешнюю. Как следствие, снижение активности Н+-АТФазы при распространении вариабельного потенциала должно приводить к быстрому изменению внутри- и внеклеточного рН. Ранее коллективом кафедры биофизики ННГУ было предположено, что именно такие изменения рН лежат в основе снижения фотосинтеза, вызванного вариабельным потенциалом; в настоящее время, проводится активная экспериментальная и теоретическая проверка этой гипотезы.
Работа магистранта кафедры биофизики Университета Лобачевского Суховой Екатерины Михайловны с соавторами, опубликованная в последнем выпуске высокорейтингового научного журнала Photosynthesis Research посвящена дальнейшему экспериментальному анализу регуляции фотосинтеза электрическими сигналами и возможной роли рН в этом процессе.
По словам Екатерины Суховой, в работе было показано, что при распространении по растению вариабельный потенциал вызывал усиления поглощения световой энергии фотосистемой II, являющейся одним из ключевых фотосинтетических ферментов в хлоропластах.
«По-видимому, обнаруженный эффект был связан с закислением содержимого хлоропластов, вследствие инактивации Н+-АТФазы. Важно отметить, что при этом происходило не только возрастание поглощения, но и рост диссипации световой энергии – т.е. росли потери энергии при работе фотосинтетического аппарата», – подчеркнула Екатерина Сухова.
Другим следствием распространения ВП и изменения рН в цитоплазме и хлороспластах растительных клеток стало быстрое и обратимое возрастание потока электронов через электрон-транспортную цепь хлоропластов. При этом начальное увеличение потока электронов было, по-видимому, связано с возрастанием поглощения световой энергии фотосисистемой II. В свою очередь, медленное снижение потока электронов связано с усилением тепловой диссипации фотосинтетической энергии и снижением активности переноса электронов между фотосистемой II и фотосистемой I – вторым ключевым фотосинтетическим ферментом. Последний процесс, по-видимому, также является следствием снижения рН внутри хлоропластов.
Полученные результаты имеют важное фундаментальное значение, поскольку впервые было показано, что вариабельный потенциал может влиять на поглощение света и распределение световой энергии в фотосинтетическом аппарате, а также на перенос электронов между фотосистемами. Одновременно, полученные результаты имеют и значительные прикладные перспективы. Так электрические сигналы играют важную роль в адаптации растений к действию неблагоприятных факторов, поэтому выявление путей влияния вариабельного потенциала на фотосинтез может стать дополнительным инструментом для управления устойчивостью и урожайностью сельскохозяйственных растений.
