Фотосинтеза – активност и регулация – Научни постижения

Научни постижения

  • С използването на нов метод за протеомни изследвания, базиращ се на белязани със стабилни изотопи белтъци (isotope-coded protein-labeling technique, ICPL), и в съчетание с полиакриламид гел електрофореза и течна хроматография в тандем с мас-спектрометрия, бяха изследвани количествените и качествените промени в профила на хлоропластните белтъци, изолирани от див тип топола, отделяща изопрен и от генно-манипулирана топола с потисната експресия на ензима изопрен синтаза. Установено е, че потискането на изопреновата биосинтеза и емисия води до намаляване нивата на хлоропластните белтъци, участващи във фотосинтезта (а именно, белтъци свързани със светлинните реакции на фотосинтезата, редокс-регулацията, окислителния стрес и някои белтъци със структурна активност, отговорни за промяна в липидния метаболизъм) и увеличаване на нивата на хистоновите и рибозомалните белтъци. Получените данни показват, че липсата на изопрен, инициира пренареждане в хлоропластния белтъчен профил, което да намали отрицателните стрес-ефекти, свързани с потискането на изопреновата биосинтеза и емисия (Velikova et al., Journal of Proteome Research 13: 2005-2018, 2014).

  • За първи път са представени експериментални данни, пряко подкрепящи хипотезата за мембранно-стабилизиращата роля на изопрена. Чрез използването на различни биофизични техники (кръгов дихроизъм, електрохромно изместване при 515 nm, термолуминесценция) е показано, че изопренът подобрява интегритета и функционалността на тилакоидните мембрани при високотемпературен стрес. Установено е, че изопренът (1) способства за повишаване на температурната стабилност на светлина-събиращият комплекс на ФС2 в стикованите области на граналните тилакоиди; (2) намалява флуидността на тилакоидните мембрани при високи температури; (3) измества с около 10°С към високотемпературния диапазон основния Впик от термолуминесцентните спектри, което предполага модификационни промени в липидния бислой на тилакоидните мембрани (Velikova et al., Plant Physiology 157: 905-916,  2011).
  • Установено е, че потискането на изопреновата емисия води до съществени изменения в липидния и мастнокиселинен състав, повлиявайки структурната организация на фотосинтетичните мембрани. Показано е, че количеството на МГДГ, ДГДГ и фосфолипидите е значително по-ниско в тилакоидните мембрани на генно-манипулираната топола с потисната изопренова емисия в сравнение с дивия тип. Изопрен неотделящите хлоропласти се характеризират с по-кръгла форма, съдържат значително по-малко гранални тилакоиди и по-дълги стромални тилакоиди, повече пластоглобули, установени са и по-големи асоциативни зони между хлоропластите и митохондриите в сравнение с дивия тип топола, отделящ изопрен (Velikova et al., Plant Physiology 168: 859-870, 2015)
  • За първи път е показано, че ендогенният изопрен е важен компонент от защитната система на растенията, регулирайки нивото на активните кислородни и азотни радикали (Loreto and Velikova, Plant Physiology 127: 1781-1787, 2001; Velikova et al., Physiologia Plantarum 122: 219-225, 2004; Velikova et al., New Phytologist 166: 419-426, 2005; Velikova et al., Plant Signaling & Behavior 7: 139-141, 2012; Vanzo et al. – Plant Physiology 170: 1945-1961, 2016).
  • Изследвани са основните липидни класове и техния маснокиселинен състав в седем халофитни растения (Bassia hirsute Aschers, Euphorbia peplis L., Salicornia europeae L., Calystegia soldanella, Calistegia sepium, Suaeda maritime, Stachys maritime).  Установено е, че растенията реагират на солевия стрес с прегрупиране на главните липидни класове, промени в мастнокиселинните профили и отношението 18:2/18:3 (линолова/линоленова мастна киселина), които са свързани със солеустойчивостта на изследваните растения (Ivanova et al., Compt. rend. Acad. bulg. Sci. 53: 83-86, 2000Ivanova et al., Z. Naturforsch. 58c: 783-788, 2003Ivanova et al., Compt. rend. Acad. bulg. Sci. 58(7): 765-770, 2005; Ivanova et al., General and Applied Plant Physiology (Bulg.) SI: 125-130, 2006; Ivanova et al., Nat. Prod. Res. 23: 448-454, 2009; Косаковская и др., Plant Introduction (Укр.) 1: 72-77, 2012).
  • Сравнителен анализ на растения Tribulus terrestris, известни с важните си фармакологични свойства, растящи на почви с различна соленост показа, че солеността на почвата съществено влияние върху липидния състав, мембранната пропускливост и съдържанието на фуростанолови и спиростанолови сапунини (Ivanova et al., Compt. Rend. Acad. Bulg. Sci. 61: 55-62, 2008; Georgiev et al., Biotechnol. and Biotechnol. EQ. 24: 49-52, 2010).
  • Установено е, че запазването на хлорофилното съдържание и на пигмент-белтъчните комплекси, обратимото инхибиране на електронния транспорт през ФС2, стабилизирането на зарядите в реакционните центрове, повишената термална дисипация на енергията на възбуждане, както и повишената синтеза на полифенолни съединения и високата активност на антиоксидантните ензими в процеса на засушаване допринасят за високата сухоустойчивост на Наberlea rhodopensis и бързото й  възстановяване след рехидратиране В процеса на засушаване важна защитна роля играят високото съдържание на захароза и активирането на ксантофиловия цикъл, както и образуването на вторични вакуоли в периферните участъци на клетката и натрупването на разтворими захари в тях (Georgieva et al., Photosynthesis Research 85: 191-203, 2005; Georgieva et al., Planta 225: 955-964, 2007; Rapparini et al., Environmental and Experimental Botany 113, 67-79, 2015; Georgieva et al., Protoplasma 254: 193-201, 2017).
  • За първи път е изследвана устойчивостта на възкръсващото растение Н. rhodopensis към комбинираното действие на висока темпеартура и засушаване. Независимо, че засушаването при 38°С предизвиква по-силно увреждане на мембраните и  понижаване на фотосинтетичната активност в сравнение с засушаването при 23°С, физиологичната активност на растенията се възстановява напълно след рехидратиране при двата вида температурно третиране (Mihailova et al., Biotechnology and Biotechnological equipment, SI 23 (2): 561-564, 2009; Mihailova et al., Photosynthesis Research 108: 5-13, 2011; Velitchkova et al., Photosynthetica  51(4): 630-640, 2013).
  • Изследван е ефектът на светлината в процеса на засушаване чрез използването на два екотипа H. rhodopensis, адаптирани към висок и нисък светлинен интензитет. Показано е, че двата екотипа имат сходна ултраструктурата на хлоропластите и организацията на тилакоидните мембрани, въпреки морфологичните различия. Установено е, че засушаването предизвиква известна деградация на коровия комплекс на ФС2, като тя е по-силно изразена в слънчеви растения в сравнение с тези, адаптирани към нисък интензитет на светлината. Делът на олигомерните форми на ССК2 не се променя в засушените слънчеви растения, но при  сенчестите растения нараства количеството на мономерните форми. Двата екотипа използват различни стратегии за гасене на излишната светлинна енергия – термалната дисипация при сенчестите растения се осъществява предимно от неактивните центрове на ФС2, а при слънчевите – от ССК2 (Sarvari et al., Journal of Plant Physiology 171 (17): 1591-1600, 2014; Solti et al., Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 130: 217-225, 2014; Rapparini et al., Environmental and Experimental Botany 113: 67-79, 2015).
  • За  първи път е изследван полифенолният комплекс на H. rhodopensis и е установено, че той включва само два вида глюкозиди – фенилетаноид глюкозиди и хиспидулин 8-C- глюкозиди. Фенилетаноидните глюкозиди (myconoside и paucifloside) играят основна защитна роля в процеса на засушаване на H. rhodopensis, предпазвайки мембраните срещу окислителен стрес. Повишеното количество на флавоноиди в сухите листа корелира с повишената антиоксидантна активност. Количеството на не-ензимните антиоксиданти и активността на антиоксидантните ензими от аскорбат-глутатионовия цикъл достигат максимум в сухите листа, което е отличителна характеристика на възкръсващите растения. Тези антиоксиданти играят важна роля  в ранните етапи на рехидратация и  при възстановяването на растенията. Установена е модулирана от светлината екпресия на гени, кодиращи супероксид дисмутаза, аскорбат пероксидаза и тиоредоксин, докато тази на гена за монодехидроаскорбат редуктаза е зависима от засушаването. Някои от изследваните гени запазват повишената си експресия и след рехидратирането на растенията, показващо тяхната роля за преживяването и възстановяването им. Анотиран е нов ген (ELIP), подобен на ELIP-like белтъка от възкръсващото растение Boea hygrometrica, чиято експресия се стимулира от светлината в ранните етапи на засушаване на растенията. Намерена е хомология на гена NA1 с LEA1 белтъка на Boea hygrometrica и на PTL с този на ОЕР16 на A. thaliana (Mihailova et al. 2017, Plant Mol Biol Rep, DOI 10.1007/s11105-017-1025-3; Georgieva et al., Plant Physiology and Biochemistry 114: 51-59, 2017).
  • За първи път е показано, че В-ивицата на термолуминесцентната емисия измерена в листа на възкръсващото растение H. rhodopensis се проявява при необичайно висока температура при условия на отглеждане, сходни с естествената среда на местообитание. Засушаването на растението не води до промяна на термолуминесцентния максимум на В-ивицата, което е показател за стабилизирано състояние на центровете (S2QB), позволяващо успешно разделяне на заряда при ниско водно съдържание на листата. (Peeva and Maslenkova, Plant Biology 6: 319-324, 2004). Тези термолуминесцентни характеристики се запазват и на ниво изолирани тилакоидни мембрани от контролни и силно засушени листа, което показва, че стабилизирания заряд е присъщо вътрешно свойство на ФС2 и е свързано с толерантността към десикация на пойкилохидридното растение (Maslenkova et al., In: Handbook of Plant and Crop Stress, Third Edition, pp. 435-446, 2010).
  • Установено е, че ниската скорост на фотосинтезата при възкръсващото растение H. rhodopensis се дължи на слаба дифузия на СО2 от обкръжаващия листата въздух до хлоропластите. При растения, подложени на засушаване намалената скорост на фотосинтезата се дължи на понижение, както на устичната, така и на мезофилната проводимост, а фотохимичните реакции проявяват силна устойчивост (Peeva and Cornic, Environmental and Experimental Botany 65: 310-318, 2009).
  • Установено е, че използването на два взаимно допълващи се метода – редокс кинетика на Р700 и термолуминесценция, дава възможност за разграничаване на два активиращи се независимо един от друг циклични електронни потоци около Фотосистема I при изложени на различни стресови въздействия ечемичени растения: NADPH дехидрогеназния път, възникващ в резултат от дефицит на ATP и фередоксин пластохинон редуктазен път, активиращ се в резултат от свръхредукция на акцепторния пул на ФС2 (Peeva et al., Physiologia Plantarum 144: 83-97, 2012).
  • Доказана е защитната роля на салициловата киселина спрямо увреждащия ефект на кадмия. Предварителното третиране на житни и бобови растения със салицилова киселина преди въздействието на тежкия метал има протекторен ефект върху растежните параметри, фотосинтетичната активност (карбокслиращи реакции, термолуминисцентните характеристики, хлорофилно съдържание), липидния състав на фотосинтетичните мембрани и окислителния статус на растенията. Данните подкрепят  хипотезата за антиокислителната роля на СК и участието й като сигнален компонент в модифициране на стресовите отговори на растения (Krantev et al., J. Plant Physiol. 165: 920-931, 2008, Popova et al., Plant Physiol. and Biochem. 47: 224-231, 2009; Popova et al., In: Environmental Adaptation and Stress Tolerance of Plants in the Era of Climate Change, P. Ahmad and M.N.V. Prasad, eds., Chapter 21: 447-466, Springer, 2012).

Go BackBack

В интернет

Намерете ни на адрес:
http://www.ifrg-bg.com/

Пишете ни

Електронна поща:
ifrg@bio21.bas.bg

Елате да се запознаем

ул. 'Акад. Георги Бончев', бл. 21
гр. София 1113, България

Свържете се с нас

Тел.: +359 2 9792606
Тел.: +359 2 8728170
Факс: +359 2 8739952