Фізіологія рослин і генетика 2020, том 52, № 4, 295-305, doi: https://doi.org/10.15407/frg2020.04.295

Транспорт електронiв i протонiв у хлоропластах рослин гороху, якi вирощували за умов нiчного зниження температури

Поліщук А.В., Подорванов В.В., Золотарьова О.К.

  • Iнститут ботаніки ім. М.Г. Холодного Національної академії наук України 01004 Київ, вул. Терещенківська, 2

За температури нижчої від критичного рівня (10—12 °С) ріст і розвиток рослин гальмується. Одним з основних механізмів адаптації рослин до зниження температури є збільшення за цих умов плинності ліпідної фази мембран, що дає змогу підтримувати необхідну для виживання швидкість мембранних процесів, зокрема активність фотосинтетичного транспорту електронів. У зоні помірного клімату на рослини часто  впливає нічне зниження температури аж до приморозків. Горох (Pisum sativum L.) належить до холодостійких видів, здатних витримувати тривале зниження температури. Ми вирощували рослини гороху за постійної температури 20—22 °С протягом 11 днів, після чого протягом 6 днів частину рослин у нічний час вміщували в камери з температурою 6 °С. Вивчали температурну залежність фотохімічної активності хлоропластів, ізольованих із листків контрольних і охолоджених рослин. Показано, що максимальне значення швидкості роз’єднаного транспорту електронів від води до гексаціаноферату(III) калію у контрольних хлоропластах спостерігалося за температури 22 °С, тобто за температури вирощування рослин, тоді як після нічного охолодження рослин крива температурної залежності зміщувалася в бік низьких температур, а максимальна швидкість реакції реєструвалася за температури близько 12 °С. У нероз’єднаних хлоропластах величина світлоіндукованого поглинання протонів (DН+) і швидкість поглинання кисню в реакції перенесення електронів від Н2О до метилвіологену різко знижувалися при зміні температури реакційного середовища від 14 до 10 °С в контролі і більш плавно за температур від 10 до 6 °С в експериментальних рослин. Різке падіння швидкості фотохімічних реакцій при зниженні температури може бути зумовлене фазовим переходом мембранних ліпідів і уповільненням дифузійних процесів. Ці результати дають змогу розглядати показник DН+ як індикатор плинності ліпідної фази мембран хлоропластів у порівняльних дослідженнях. При зниженні температури величина трансмембранного градієнта протонів (DрН), яку оцінювали за світлозалежним гасінням флуоресцентної мітки 9-аміноакридину, перевищувала контроль у хлоропластах охолоджених рослин, що може бути пов’язано з поліпшенням ізолюючої функції мембран. Отримані дані свідчать, що за адаптації рослин гороху до зниження нічних температур стан фотосинтетичних мембран хлоропластів змінюється, що забезпечує збереження їхньої функціональної активності.

Ключові слова: Pisum sativum L., фотосинтез, хлоропласти, охолодження, транспорт електронів, низькотемпературна адаптація, пластохінон, протонний обмін, трансмембранний протонний градієнт

Фізіологія рослин і генетика
2020, том 52, № 4, 295-305

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. Bhandari, K. (2018). Chilling stress: how it affects the plants and its alleviation strategies. Int. J. Pharm. Sci. Res., 9 (6), pp. 2197-2200. https://doi.org/10.13040/IJPSR.0975-8232.9(6).2197-00

2. Chen, L.J., Xiang, H.Z., Miao, Y., Zhang, L., Guo, Z. F., Zhao, X.H., X.-H., Lin, J.-W. & Li, T.L. (2014). An overview of cold resistance in plants. J. Agron. Crop Sci., 200 (4), pp. 237-245. https://doi.org/10.1111/jac.12082

3. Yamori, W., Hikosaka, K. & Way, D.A. (2014). Temperature response of photosynthesis in C-3, C-4, and CAM plants: Temperature acclimation and temperature adaptation. Photosynthesis Research, 119, pp. 101-117. https://doi.org/10.1007/s11120-013-9874-6

4. Bilyavska, N.O., Fediuk, O.M. & Zolotareva, E.K. (2019). Chloroplasts of cold-tolerant plants. Plant Sci. Today. 6 (4). pp. 407-411. https://doi.org/10.14719/pst.2019.6.4.584

5. Liu, X., Zhou, Y., Xiao, J. & Bao, F. (2018). Effects of chilling on the structure, function and development of chloroplasts. Front. plant sci., 9, p. 1715. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01715

6. Heidarvand, L. & Amiri, R.M. (2010). What happens in plant molecular responses to cold stress? Acta Physiol. Plant., 32 (3), pp. 419-431. https://doi.org/10.1007/s11738-009-0451-8

7. Yamori, W., Noguchi, K., Hikosaka, K. & Terashima, I. (2010). Phenotypic plasticity in photosynthetic temperature acclimation among crop species with different cold tolerances. Plant Physiol., 152, pp. 388-399. https://doi.org/10.1104/pp.109.145862

8. Yamasaki, T., Yamakawa, T., Yamane, Y., Koike, H., Satoh, K. & Katoh, S. (2002). Temperature acclimation of photosynthesis and related changes in photosystem II electron transport in winter wheat. Plant Physiol., 128, No. 3, pp. 1087-1097. https://doi.org/10.1104/pp.109.145862

9. Way, D.A. & Yamori, W. (2014). Thermal acclimation of photosynthesis: on the importance of adjusting our definitions and accounting for thermal acclimation of respiration. Photosynth. Res., 119, pp. 89-100. https://doi.org/10.1007/s11120-013-9873-7

10. Ikkonen, E.N., Shibaeva, T.G. & Titov, A.F. (2015). Response of the photosynthetic apparatus in cucumber leaves to daily short-term temperature drops. Russ. J. Plant Physiol., 62 (4), pp. 494-498. https://doi.org/10.1134/S1021443715040093

11. Graham, D. & Patterson, B.D. (1982). Responses of plants to low, nonfreezing temperatures: proteins, metabolism, and acclimation. Annual Review of Plant Physiology, 33(1), pp. 347-372. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.33.060182.002023

12. Lyons, J. (Ed.). (2012). Low temperature stress in crop plants: the role of the membrane. Elsevier.

13. Barber, J., Ford, R.C., Mitchell, R.A.C. & Millner, P.A. (1984). Chloroplast thylakoid membrane fluidity and its sensitivity to temperature. Planta, 161, No. 4, pp. 375-380. https://doi.org/10.1007/BF00398729

14. Millner, P.A. & Barber, J. (1984). Plastoquinone as a mobile redox carrier in the photosynthetic membrane. FEBS lett., 169, pp. 1-6. https://doi.org/10.1016/0014-5793(84)80277-X

15. Shibaeva, T.G., Sherudilo, E.G. & Titov, A.F. (2018). Response of Cucumber (Cucumis sativus L.) Plants to Prolonged Permanent and Short-Term Daily Exposures to Chilling Temperature. Russ. J. Plant Physiol., 65(2), pp. 286-294. https://doi.org/10.1134/S1021443718020061

16. Kukresh, L.V., Kulaeva, R.A., Lukashevich, N.P. & Khodortsov, I.R. (1989). Cereals and pulses in intensive agriculture. Minsk: Urajay, 1989 [in Russian].

17. Hall, D. O. (1972). Nomenclature for isolated chloroplasts. Nature New Biol., 235(56), pp. 125-126. https://doi.org/10.1038/newbio235125a0

18. Zolotareva, E.K., Tereshchenko, A.F., Dovbysh, E.F. & Onoiko, E.B. (1997). Effect of Alcohols on Inhibition of Photophosphorylation and Electron Transport by N, N'-Dicyclohexylcarbodiimide in Pea Chloroplasts. Biochemistry, 62, pp. 631-635. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(97)00783-7

19. Arnon, D.I. (1949). Copper enzymes in isolated chloroplasts. Polyphenoloxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol. 24, pp. 1-154. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1

20. Ewy, R.G. & Dilley, R.A. (2000). Distinguishing between luminal and localized proton buffering pools in thylakoid membranes. Plant Physiol., 122, pp. 583-596. https://doi.org/10.1104/pp.122.2.583

21. Polishchuk, A.V., Podorvanov, V.V. & Zolotareva, E.K. (2006). pH-dependent regulation of photosynthetic oxygen evolution in isolated spinach chloroplasts Rep. Nat. Acad. Sci. Ukr., 3, pp. 167-172.

22. Dean, R.L. (2014). Measuring light-dependent proton translocation in isolated thylakoids. J. Lab. Chem. Educ., 2 (3), pp. 33-43. https://doi.org/10.5923/ j.jlce.20140203.01

23. Theg, S.M. & Tom, C. (2011). Measurement of the DpH and electric field developed across Arabidopsis thylakoids in the light. In Chloroplast Research in Arabidopsis (pp. 327-341). Humana Press, Totowa, NJ. https://doi.org/10.1007/978-1-61779-237-3_18

24. Mills, J.D. (1986). Photosynthesis Energy Transduction: a Practical Approach (Hipkins, M.F., Baker, N.R., eds) pp. 143-187, IRL Press, Oxford.

25. Hohner, R., Aboukila, A., Kunz, H.H. & Venema, K. (2016). Proton gradients and proton-dependent transport processes in the chloroplast. Front. Plant Sci., 7, p. 218. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00218

26. Pick, U. & Weiss, M. (1988). The mechanism of stimulation of photophosphorylation by amines and by nigericin. Biochim. Biophys. Acta (BBA)-Bioenergetics, 934(1), pp. 22-31. https://doi.org/10.1016/0005-2728(88)90115-6

27. Walz, D., Goldstein, L. & Avron, M. (1974). Determination and analysis of the buffer capacity of isolated chloroplasts in the light and in the dark. Eur. J. Biochem., 47, pp. 403-407. https://doi.org/10.1111/j.1432-1033.1974.tb03706.x

28. Podorvanov, V.V., Polishchuk, A.V. & Zolotareva, E.K. (2007). Effect of copper ions on the light-induced proton transfer in spinach chloroplasts. Biofizika, 52, pp. 1049-1053.

29. Los, D.A., Mironov, K.S. & Allakhverdiev, S.I. (2013). Regulatory role of membrane fluidity in gene expression and physiological functions. Photosynth. Res., 116 (2-3), pp. 489-509. https://doi.org/10.1007/s11120-013-9823-4