Разработанная учеными Университета Лобачевского модель может стать инструментом для количественного прогнозирования фотоповреждения и развития адаптационных изменений фотосинтетического аппарата в условиях колебаний интенсивности освещения

Свет является основным источником энергии для фотосинтеза, он лежит в основе продукционного процесса у растений. В то же время, избыточное освещение может привести к фотоповреждению фотосинтетического аппарата и, опосредовано, других структур растительной клетки. Для того чтобы избежать такие повреждения, у растений выработался ряд защитных механизмов, включая так называемое нефотохимическое тушение флуоресценции. Нефотохимическое тушение флуоресценции развивается при действии освещения высокой интенсивности и других стрессоров, что приводит к снижению светового потока, поглощаемого фотосинтетическим аппаратом.

Со слов заведующего лабораторией электрофизиологии растений Института биологии и биомедицины Университета Лобачевского Владимира Сухова, нефотохимическое тушение играет ключевую роль в защите растений от неблагоприятных режимов освещения, а его исследования играют важную роль в физиологии растений и сельскохозяйственных науках.

«Особое значение при этом имеет разработка математических моделей нефотохимического тушения, так как такие модели позволяют прогнозировать фотоповреждение и адаптационные изменения устойчивости растений при тех или иных световых режимах без дополнительного экспериментального исследования», — подчеркивает Владимир Сухов.

Полученные учеными Университета Лобачевского прогнозы могут быть использованы как для решения фундаментальных научных задач, так и для прикладных целей (например, при разработке новых режимов искусственного освещения растений в теплицах или для прогноза повреждения растений при определенных погодных условиях).

Статья аспирантки кафедры биофизики Университета Лобачевского Екатерины Суховой с соавторами, опубликованная в одном из ведущих журналов в области исследований фотосинтеза Biochimica et Biophysica Acta — Bioenergetics, посвящена разработке математической модели нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла у растений, которая описывает особенности такого тушения в условиях колебаний интенсивности освещения.

Разработанная модель описывает переходы между «открытыми» (не получившими квант света) и «открытыми» (получившими квант света) реакционными центрами фотосистемы II и последующую активацию компонента нефотохимического тушения закрытыми реакционными центрами.

«Оригинальной особенностью модели стало описание активации фотосистемы II на свету и ее инактивация в темноте, которое было реализовано в одном из вариантов модели. Такое описание существенно расширило применяемость разработанной модели. В, частности, стало возможным использование модели для прогнозирования влияния на растения быстрых изменений интенсивности освещения», — анализирует Екатерина Сухова.

Разработанная модель была верифицирована на основании экспериментальных данных, полученных с использованием современного метода исследования фотосинтеза — РАМ-флуориметрии (pulse amplitude modulated fluorometry). Верификация показала, что модель позволяет хорошо прогнозировать развитие нефотохимического тушения и фотоповреждения у растений в условиях колебаний интенсивности освещения, включая чередование периодов темноты и периодов освещения растений.

«С практической точки зрения, разработанная модель должна стать инструментом для количественного прогнозирования фотоповреждений и развития адаптационных изменений фотосинтетического аппарата в условиях колебаний интенсивности освещения», — говорит в заключении Екатерина Сухова.

Ученые Университета Лобачевского выделяют только некоторые области потенциального применения такого нового и важного инструмента:

— прогнозирование светового повреждения растений при конкретных погодных условиях в поле (т.е. при определенных интенсивностях и колебаниях естественного освещения);

— ускоренный поиск наиболее эффективных режимов дополнительного освещения в условиях теплиц со смешанным освещением растений (естественное освещение и дополнительное искусственное освещение);

— теоретический поиск режимов освещения, обеспечивающих дополнительную устойчивость фотосинтетического аппарата к действию стрессоров различной природы.

Проведенное исследование было выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект 18-34-00644 mol_a (руководитель — Сухова Е.М.) и проект 18-44-520009 (руководитель — Сухов В.С.)

DOI: 10.1016/j.bbabio.2019.148138