Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Индукционные эффекты в фотосинтезе при разном физиологическом состоянии листьев растений

ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Индукционные эффекты в фотосинтезе при разном физиологическом состоянии листьев растений"

На правах рукописи УДК 577.3

ГОРДИЕНКО

ТАТЬЯНА ВАЛЕРЬЕВНА

ИНДУКЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ФОТОСИНТЕЗЕ ПРИ РАЗНОМ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ ЛИСТЬЕВ РАСТЕНИЙ

03.00.02 - биофизика 03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на кафедре общей физики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор В.А. КАРАВАЕВ

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Э.К. РУУГЕ

доктор физико-математических наук, профессор И.И. ПРОСКУРЯКОВ

Ведущая организация: Институт химической физики им.

Н.Н. Семенова РАН

Защита состоится «20» нам_2004 г. в ^ часов в

ауц. на заседании диссертационного совета К 501.001.08

при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, ГСП-2 Москва, Ленинские горы, физический факультет С диссертацией можно ознакомится в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « ¡9 » 2004г.

Ученый секретарь

диссертационного совета К 501.001.08

Г.Б. ХОМУТОВ

ОБШДЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Фотосинтез связан с использованием и преобразованием солнечной энергии и является важнейшим процессом биоэнергетики. В настоящее время в основном установлены состав и организация фотосинтетического аппарата растений, исследованы механизмы отдельных стадий фотосинтеза. Однако, вопрос о регуляции процессов фотосинтеза, обеспечивающей не только оптимальное функционирование фотосинтетического аппарата в целом, но и определяющей устойчивость системы, её способность адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды, еще не получил должного количественного описания. Изучение механизмов регуляции позволяет выделить ключевые реакции системы и определить пути повышения продуктивности фотосинтеза в целом.

В наибольшей мере регуляторные механизмы фотосинтеза проявляются в различных индукционных явлениях, в частности, в изменении интенсивности флуоресценции и концентрации реакционных центров Р700. Изучение флуоресценции хлорофилла является по существу единственным методом, позволяющим получать информацию о тех фотохимических реакциях, которые связаны с работой фотосистемы II — системы, наиболее чувствительной к факторам окружающей среды. В то же время, регистрация сигнала ЭПР I позволяет контролировать in situ состояние реакционных центров Р700 фотосистемы I.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, связанный с регистрации в отдельности индукции флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I. Предполагается, что в обоих явлениях проявляются одни и те же регуляторные процессы, связанные, в частности, с перераспределением энергии возбуждения между фотосистемами. Актуальным является выяснение физических механизмов наблюдаемых индукционных эффектов и установление количественных связей между соответствующими показателями и фотосинтетической активностью.

В этой связи, актуальными являются комплексные исследования индукции флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I, с использованием одних и тех же объектов, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях, а также

математическое моделирование процессов фотосинтеза.

С помощью моделирования можно изучать отдельно вклад каждой реакции в общий процесс, проследить за поведением всех характеристик одновременно, изучить влияние структурных изменений на поведение системы. Это, в свою очередь, позволяет дать интерпретацию ранее наблюдавшихся экспериментальных зависимостей, а также выявить новые кинетические закономерности.

В настоящее время имеется большое число работ, посвященных теоретическому исследованию индукционных явлений в фотосинтезе. Однако, насколько известно из литературы, не существует моделей, учитывающих регуляторные процессы, связанные с перераспределением энергии света между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. Предполагается, что этот механизм, во-первых, проявляется при регистрации индукционных изменений флуоресценции, и величины сигнала ЭПР I, а во-вторых, - может привести к возникновению режима затухающих колебаний. Актуальным здесь является теоретическое изучение индукционных эффектов с учетом данного регуляторного механизма, а также выяснение возможности возникновения режима затухающих колебаний.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы являлось изучение регуляторных механизмов фотосинтеза на основе:

- экспериментального комплексного исследования индукции флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I, с использованием одних и тех же объектов, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях, в том числе при их обработке биологически активными веществами с широким спектром действия, как игибирующими, так и активирующими фотосинтез;

- теоретического изучения с помощью разработанной математической модели механизма регуляции первичных процессов фотосинтеза, связанного с перераспределением энергии света между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов.

В задачу работы входило установление количественных взаимосвязей между характеристиками, получаемыми с помощью методов неразрушающего контроля фотосинтетического аппарата (МИФ

и ЭПР I), с одной стороны, и фотосинтетической активностью, - с другой, для растений, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях. Исследования проводились при обработке растений солями тяжелых металлов, активатором фотосинтеза, регуляторами роста и неорганическим фосфатом.

Другая не менее важная задача связана с изучением ответной реакции растений на загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. В настоящее время в этом направлении накоплено много экспериментальных данных, однако их сопоставление и обобщение представляется затруднительным, т.к. используются различные виды растений, условия обработки и выращивания и т.д. Поэтому и здесь весьма важным является стандартизация условий выращивания и обработки объектов.

Кроме того, в рамках разработанной математической модели решалась задача выяснения возможности возникновения режима затухающих колебаний, связанного с периодическим изменением окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов и перераспределением квантов света между фотосистемами.

Научная новизна работы

Впервые проведено количественное сопоставление индукционных изменений флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I листьев растений, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях.

Разработана математическая модель первичных процессов фотосинтеза, учитывающая перераспределение энергии света между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. Модель позволила не только описать ряд индукционных эффектов, наблюдаемых при регистрации флуоресценции и сигнала ЭПР I интактных листьев, но и установить некоторые корреляционные соотношения между характеристиками индукционных явлений и стационарной фотосинтетической активностью.

Впервые теоретически изучен режим затухающих колебаний в модели взаимодействия двух фотосистем (с учетом перераспределения энергии между ФС).

Практическая ценность работы

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию регуляторных механизмов, обеспечивающих эффективное

преобразование энергии в первичных и последующих стадиях фотосинтеза.

Установленные корреляционные соотношения между характеристиками, получаемыми с помощью методов неразрушающего контроля фотосинтетической активности (МИФ и ЭПР I), с одной стороны, и фотосинтетической активностью, - с другой, свидетельствует о возможности применения этих показателей для оценки функциональной активности фотосинтетического аппарата растений в условиях in situ.

Результаты опытов с солями тяжелых металлов могут быть использованы для оценки степени их отрицательного воздействия на растительные объекты при проведении экологического мониторинга окружающей природной среды.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на II Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (физическая экология)» (Москва, 1999); IV Съезде общества физиологов растений России (Москва, 1999); III Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2001); Международной конференции «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001); XI Международной конференции «Магнитный резонанс в химии и биологии» (Звенигород, 2001); Научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, МГУ 2002); Международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем» (Москва, 2002); X Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2003).

Основные результаты диссертации изложены в 11 публикациях.

Объём работы

Диссергация состоит из введения, 5 главу выводов и списка литературы.

Общий объем диссертации - 122 страницы, включая 29 рисунков, 3 таблицы и список литературы, состоящий из 155 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результа-

тов. Сформулированы цели и задачи исследований.

В главе I«Некоторые аспекты влияния внешних факторов на функциональную активность фотосинтетического аппарата растений» представлен обзор литературы по теме диссертационной работы.

В разделе 1.1. кратко изложены современные представления о структурно-функциональной организации фотосинтетического аппарата растений.

В разделе 1.2 описаны основные регуляторные процессы в фотосинтезе высших растений. Описан механизм регуляции, связанный с перераспределением энергии возбуждения между фотосистемами.

В разделе 1.3. обсуждены индукционные явления в фотосинтезе. Описаны индукция флуоресценции и фотоиндуцированные изменения величины сигнала ЭПР I. Рассмотрены известные математические модели, в которых исследованы индукционные переходные процессы, в том числе и модели, описывающие режим затухающих колебаний.

Раздел 1.4. посвящен изучению влияния ионов тяжелых металлов на основные физиологические процессы в растительной клетке.

В главе II «Методика экспериментов» описываются объекты исследований (раздел 11.1) и методики проведения экспериментов.

Во всех экспериментах использовались листья бобов Vicia /aba L. (сорт «Русские черные»). Флуоресценцию листьев при регистрации МИФ возбуждали широкополосным синим светом (50 Вт/м2), а регистрировали на длине волны 686 нм. В качестве параметра МИФ использовали отношение Fm/Ít [или (Fu — Fj)/Fj], где FM — значение флуоресценции, соответствующие второму максимуму индукционной кривой, a FT — стационарное значение флуоресценции, достигаемое через 5-6 мин освещения (рис. 1). Фотоин-дуцированные изменения величины сигнала ЭПР Т регистрировали на спектрометре Е-4 («Varían», США) при освещении высечек из листьев дальним красным (707 нм) и белым светом. В качестве параметра, характеризующего взаимодействие двух фотосистем, использовали отношение В/Л, где В и А — величины сигнала ЭПР I соответственно на белом и на дальнем красном свету (рис. 2).

В разделах И.2-И.5 описаны методики измерения медленной индукции флуоресценции (МИФ) листьев растений, кинетики фо-тоиндуцированных изменений сигнала ЭПР I, содержания хлоро-

филла в листьях и скорости фотосинтетического выделения О2

Глава III«Индукционные изменения флуоресценции и сигнала ЭПР I листьев растений при разной фотосинтетической' активности» посвящена анализу корреляционных соотношений между характеристиками, получаемыми с помощью методов нераз-рушающего контроля фотосинтетического аппарата (МИФ и ЭПР), с одной стороны, и фотосинтетической активностью, — с другой. Исследования проводились при обработке растений тяжелыми металлами (раздел Ш. 1), активатором фотосинтеза (раздел Ш.2), регуляторами роста (раздел III.3) и неорганическим фосфатом (раздел Ш.4). Также решалась отдельная задача - изучение ответной реакции фотосинтетического аппарата листьев бобов на содержание тяжелых металлов (ТМ) в среде выращивания.

Проростки бобов выращивали в условиях гидропоники на водных растворах хлоридов ТМ: Сё, Бп и Си концентраций 10'7—10"3 М (для контроля - на растворах М£СЬ и дистиллированной воле). При малых концентрациях хлоридов Cd, Sn и Си отмечено снижение содержания хлорофилла в расчете на единицу сырой массы листа (Рис. 3). Характерно, что по своему влиянию на содержание хлорофилла ТМ расположены в последовательности Си —» Бп —» С& Именно в такой очередности эти металлы обычно следуют в ряду общей фитотоксичности. При этом выявлено, что уменьшение содержания хлорофилла компенсируется увеличением удельной фотосинтетической активности в расчете на хлорофилл. Можно предположить, что

этот компенсаторный эффект имеет общий характер и является одним из проявлений защитной реакции растений на неблагоприятные условия окружающей среды. Высокие концентрации ТМ существенно тормозили развитие растений и ингибировали фотосинтетическое выделение 02. Обработка хлоридом М§, напротив, приводила к увеличению содержания хлорофилла и возрастанию фотосинтетической активности листьев при концентрациях 1 О*5—10'3 М.

0,0

ю-'

104 ю-5 10"« 10-э 10-'

Концентрация, М

Рис. 3. Изменение содержания хлорофилла в листьях бобов (слева вверху), скорости фотосинтетического выделения 02 (слева внизу) и зависимость параметров Рм/Рг МИФ (А) и В!А фотоиндуцированых изменений величины сигнала ЭПРI (Б) листьев бобов, выращенных на растворах хлоридов металлов различных концентраций: 1 - С«ЗС12,2 - БпСЬ- 3 - СиС12,4 - М§С12.

Увеличение отношения Fм/Fr при обработке хлорцдами ТМ было интерпретировано как создание меньшего градиента ДрН на мембране тилакоидов за счет более активного синтеза АТФ в пер-

10* 10** Кониапрашм.М

вые секунды освещения, т.е. как частичное снятие нефотохимического тушения флуоресценции. В условиях активного синтеза АТФ скорость электронного транспорта в хлоропластах выше, чем в состоянии фотосинтетического контроля. Это, очевидно, и приводило к увеличению фотосинтетической активности.

Низкие, по сравнению с контролем, значения В/А при малых концентрациях ТМ можно связать с активацией фотосистемы II (ФС II); высокие значения В/А при больших концентрациях ТМ — с замедлением электронного транспорта между ФС. Установлена положительная корреляция между значениями параметра /гм//гт МИФи ДОг/(Д1 хлорофилл) (г= 0,89 ± 0,02, здесь и далее коэффициент доверия р = 0,95) и отрицательная корреляция между значениями параметра В/Л сигнала Э П РI и Д02/(Д1 хфрофилл) = - 0,89 ± 0,02).

Полученные данные свидетельствуют о неспецифических и неоднозначных изменениях в фотосинтетическом аппарате при данном способе обработки проростков тяжелыми металлами: его активацию, сопровождающуюся уменьшением содержания хлорофилла, при относительно низких концентрациях тяжелых металлов (10'7-10 ЛД и заметное подавление фотосинтетической активности при высоких концентрациях (10"4—10~3 М) (Рис. 3).

В/А ДСУД/, мл/(мгч) (Рм- РтУРт

Н20 10 ' 10"® ю-3 м

Рис.4. Изменения биофизических показателей и фотосинтетической активности проростков бобов при их выращивании на растворах Ма2НР04 различных концентраций

Опьпы с активатором фотосинтеза бактериальной природы (АФ) и регуляторами роста - Р-ицдолил-Змаслянойкислотой(ИМК) и янтарной кислотой (ЯК) - подтверждают универсальный характер

корреляции показателей С помощью методов МИФ и

ЭПР I также показано, что АФ и регуляторы роста ИМК и ЯК, в данных условиях обработки, оказывают стимулирующее влияние на первичные процессы фотосинтеза.

При обработке растений гидрофосфатом натрия скорость выделения 02 в расчете на хлорофилл и параметр (Гм~Рт)/Гг МИФ имели четко выраженный максимум, а параметр В/А фотоиндуци-рованных изменений величины сигнала ЭПР I - четко выраженный минимум в области концентраций Ю-6—10~5 М. Вид этих зависимостей свидетельствует о наличии некоторого оптимального для функционирования фотосинтетического аппарата содержания неорганического фосфата Фн в питательной среде, а также о возможности лимитирования фотосинтетической активности интактных листьев при недостатке Фн в среде выращивания растений (рис. 4). Полученные результаты также показывают, что биофизические показатели ^м—^тУ^т и В!А, с одной стороны, и величина 02 в расчете на хлорофилл, - с другой, коррелируют между собой. Коэффициент корреляция между значениями параметра (/•'м-^тУ/т и АОг/(А/ хлорофилл) г = 0,98 ± 0,02, а для параметра В/А и ДОг/(Д/ хлорофилл) г = - 0,89 ± 0,02.

В главе IV «Модель световых стадий фотосинтеза с учетом перераспределения энергии возбуждения между фотосистемами» описана разработанная математическая модель световых стадий фотосинтеза. Модель учитывает один из факторов регуляции фотосинтеза — перераспределение энергии возбуждения между фотосистемами. Этот эффект достигается за счет латерального перемещения части светособирающих комплексов (мобильных ССК II) вдоль тилакоидной мембраны в результате фосфорилирования или дефосфорилирования белков ССК. Фосфорилирование происходит под действием специальной протеинкиназы (ПК), активируемой при восстановлении основного переносчика электронов между ФС - пластохинона (и). Фосфорилирование вызывает миграцию свето-собирающих комплексов из гранальной области тилакоидов в стро-мальную, тем самым обеспечивается перераспределение квантов света и энергии возбуждения в пользу ФС I. Дефосфорилирование белков ССК вызывает обратную миграцию комплексов. Эти переходы сопровождаются изменениями уровня флуоресценции хлорофилла в фотосинтезирующих объектах.

За основу была взята модель световых процессов фотосинтеза,

развитая в работах А.К. Кукушкина с соавт. в предположении нели-митированного оттока электронов в акцепторную часть ФС I

кззнтсз сзета между фотосистемами.

Дифференциальные уравнения записаны для переменных г\ -7б, соответствующих концентрациям различных компонентов модели в определенных состояниях (рис. 5):

Кроме того, рассматривались переменные Ей Е2, Ег, Ее

Здесь N1, N2 - общие числа РЦ ФСI и ФСII соответственно; М\ и Л/г - число светособирающих пигментов ФС I и ФС II в рассматриваемой структурной единице {Ы\!М\ — ЛУЛ^ = 0,01); С/о -число переносчиков С/, приходящихся на один РЦ ФС II; Е0 - число акцепторов, на которые может происходить перенос электрона от одного РЦ ФС II, Е\ соответствует интенсивности флуоресценции пигментов ФС II; г3 - величине сигнала ЭПР I. В рамках описанных в разделе ^.2 диссертации предположений, систему уравнений можно представить в виде:

При этом учтено, что параметры А и Г, характеризующие числа квантов, поглощаемых в единицу времени пигментами ФС II и ФС I соответственно, зависят от количества фосфорилированного белка (Б-Ф, переменная г), причем общее количество поглощенных квантов в любой момент времени остается неизменным:

Переменная Е\ вычислялась по формуле:

Дифференцирование проводилось по переменой т = Г/хм, где тм = Ю с, / - время в секундах.

Варьировались главным образом параметры А0, Го (интенсивность света), к (скорость наработки фосфорилированного белка), Р (скорость электронного транспорта между ФС) и Р\ (скорость оттока в цикл Кальвина).

При моделировании использовались следующие значения параметров Ло и /о: Ао = 4/-о - «синий» свет, возбуждающий флуоресценцию пигментов ФСИ; А0 = 0, /о = 0,01 — слабый «красный» свет, поглощаемый пигментами ФС1; Ло = 2, /-о = 1 — интенсивный «белый» свет, эффективно используемый в обеих ФС. Численные значения остальных параметров выбирались так, чтобы они обеспечивали примерное соответствие с характерными временами элементарных процессов и концентрациями основных интер-медиантов.

В разделе 1У.3 описан метод решения записанной выше системы уравнений. Исходя из проведенного нами анализа возможных алгоритмов, был использован модернизированный метод численного интегрирования Рунге-Кутта 4-го порядка с последующим использованием метода прогноза и коррекции. Проанализированы ошибки ограничения и округления. Показано, что использованный алгоритм отличается достаточной устойчивостью и при задаваемых в расчетах исходных параметрах модели абсолютная погрешность вычислений не превышает 10"7 и при необходимости может быть уменьшена.

В разделе 1У.4 приводится сопоставление некоторых результатов расчетов с известными экспериментальными данными, которое показывает их хорошее соответствие между собой.

В рамках модели с учетом механизма перераспределения энергии возбуждения между фотосистемами удалось описать индукционные изменения интенсивности флуоресценции, наблюдаемые при регистрации МИФ и изменения величины сигнала ЭПР I (при переключении с дальнего красного на белый свет).

Исследованы также изменения времени достижения максимального значения и степени тушения флуоресценции в зависимости от интенсивности света, эти зависимости качественно согласу-

ются с данными по МИФ, полученными в различных экспериментальных условиях.

Стационарные значения интенсивности флуоресценции оказались прямо пропорциональными интенсивности света (рис. 6, кривая 3). Зависимость Остад от Ао, /о имеет тенденцию к насыщению, характерному для световых кривых фотосинтеза (рис. 6, кривая 1). Установлены корреляционные соотношения между стационарным уровнем фотосинтетической активности (г Остац и относительной величиной тушения флуоресценции в индукционном периоде (Е^ахс/^Мспщ); коэффициент корреляции между (г [)стац и Е\ижс1Е\„т составил 0,87.

В главе V«Исследование режима затухающих колебаний в модели взаимодействия двух фотосистем» исследуется возможность установления режима затухающих колебаний.

Установлено, что при некоторых значениях параметров «включение» действующего света приводит к возникновению режима затухающих колебаний в изменении всех переменных системы. Одним из необходимых условий возникновения такого режима является уменьшение скорости оттока восстановленных фотопродуктов (Ф -) в цикл Кальвина. Как следствие, происходит увеличение вос-тановленности переносчиков электронов между фотосистемами (V), которое и приводит к возникновению затухающих колебаний за счет перераспределения квантов света между ФС. В рамках модели удалось описать режим затухающих колебаний в изменении интенсивности флуоресценции (переменная Е), неоднократно наблюдавшиеся в эксперименте (Рис. 7)

Показано, что в отсутствие механизма перераспределения энергии возбуждения между фотосистемами колебательный режим не возникает.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Е1

Время, мс

Рис.7. Колебательная кинетика интенсивности флуоресценции (Е\) Р= Р3 - и0 = 5, Я = 7. Р, = 0,1

ВЫВОДЫ

1. Установлены закономерности в изменении кривых медленной индукции флуоресценции и кинетики фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I листьев бобов при обработке растений веществами, влияющими на их фотоситетическую активность: солями тяжелых металлов, активатором фотосинтеза, гидрофосфатом натрия и регуляторами роста.

В условиях повышенной фотосинтетической активности наблюдалось уменьшение величины сигнала ЭПР при освещении листьев белым светом и увеличение максимального значения флуоресценции Ву. Предполагается, что этот эффект связан с ускорением электронного транспорта между фотосистемами в условиях повышенного синтеза АТФ и уменьшения градиента протонов на мембране тилакоидов.

2. Установлено, что в данных экспериментальных условиях регистрации флуоресценции и сигнала ЭПР листьев растений показатели

(МИФ) и В/А фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР коррелируют как между собой, так и со скоростью выделения О2 в расчете на хлорофилл. В опытах с проростками бобов, выращенными на растворах тяжелых металлов, коэффициенты корреляции составили: для Р^т и Д02/(Д1 хлорофилл) г = 0,89 ± 0,02; для В/А (ЭПР) и Д02/(Д1 хлорофилл) г = - 0,89 ± 0,02 ,р - 0,95.

3. Проведено сравнительное исследование действия солей тяжелых металлов (С(Ю12, ЗпСЬ, СиСЬ) и макроэлемента магния на работу фотосинтетического аппарата листьев бобов. Анализ полученных результатов указывает на неспецифическую и неоднозначную ответную реакцию фотосинтетического аппарата на обработку проростков ТМ: его активацию, сопровождающуюся уменьшением содержания хлорофилла, при относительно низких концентрациях ТМ (Ю-7—Ю-6 М), и заметное подавление фотосинтетической активности при высоких концентрациях (10^-10"3 М).

4. С использованием методов МИФ и ЭПР установлена возможность лимитирования фотосинтетической активности интактных листьев при недостатке неорганического фосфата Фн в среде выращивания растений.

5. Теоретически исследован процесс, играющий регуляторную роль в фотосинтезе высших растений - перераспределение энергии возбуждения между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. В рамках построенной математической модели в работе:

- описаны немонотонные изменения интенсивности флуоресценции пигментов при включении возбуждающего света (медленная индукция флуоресценции);

- смоделирована кинетика фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I при переключении с дальнего красного на белый свет;

- установлена корреляция между относительной величиной тушения флуоресценции в индукционном периоде и стационарным значением интенсивности фотосинтеза;

- показано, что в условиях замедленного использования восстановленных фотопродуктов в цикле Кальвина возникает режим затухающих колебаний, связанный с периодическим изменением окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов и перераспределением квантов света между фотосистемами.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Караваев В. А., БаулинА.М., Гордиенко Т.В., Довыдьков С.А., Тихонов А.Н. Изменения фотосинтетического аппарата листьев бобов в зависимости от содержания тяжелых металлов в среде выращивания //Физиология растений, 2001. Т. 48. №1. С. 47-54.

2. Караваев В.А., Гордиенко Т.В. Теоретическое изучение индукционных эффектов в фотосинтезе высших растений // Известия РАН, серия биологическая, 2003. №1. С. 41-47.

3. Довыдьков С. А., БаулинA.M., Гордиенко Т.В., Караваев В. А., Тихонов А.Н. Влияние солей тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат листьев бобов // Тезисы докладов II Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (физическая экология)». Москва, 1999. С. 101-102.

4. Гордиенко ТВ., Баулин A.M., ДовыдьковС.А., КараваевВ.А., Тихонов А.Н. Влияние хлоридов кадмия, меди и олова на работу фотосинтетического аппарата листьев бобов // Тезисы докладов IV Съезда общества физиологов растений России. Москва, 1999. T.I. С.344-345.

5. Karavaev V.A., Gordienko T. V., TTikhonovA.N. Effects ofheavy metals

on the light-induced processes of electron transport in chloroplasts in situ //Abstracts of the 13th Intern, conf. on photochemical conversion and storage of solar energy (IPS - 2000). Snowmass, Colorado, 2000. V.4. P.6.

6. КараваевВ.А., БаулинA.M., Гордиенко Т.В., ТихоновА.Н. Влияние

солей тяжелых металлов в среде выращивания на процессы электронного транспорта в листьях бобов // Тезисы докладов XI Международной конференции «Магнитный резонанс в химии и биологии». Звенигород, 2001. С. 82-83.

7. КараваевВ.А., БаулинA.M., Гордиенко Т.В., Кызыл-оол А.В., Полякова ИБ., Солниев М.К. ТихоновА.Н. Влияние ионов тяжелых металлов (Со, С^ Zn, Cd, Sn) на формирование и функционирование фотосинтетического аппарата листьев бобов // Тезисы докладов III Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)». Москва, 2001. С. 162.

8. Караваев В. А., Баулин A.M., Гордиенко Т. В., ПоляковаИ.Б., Тихонов А.Н. Влияние тяжелых металлов в среде выращивания на фотосинтетический аппарат листьев бобов // Тезисы докладов международной конференции «Актуальные вопросы экологической

физиологии растений в XXI веке». Сыктывкар, 2001. С. 241-242.

9. Кузнецова ЕЛ., Гордиенко Т.В., Караваев В.А., Полякова И.Б., Солнцев М.К Влияние обработки семян регуляторами роста на фотосинтетический аппарат листьев бобов // Тезисы докладов международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем». Москва, 2002. С. 183-184.

10. Полякова И. Б., Гордиенко Т.В.,Баулин A.M., Караваев В. А., Тихонов А.Н. Индукционные изменения флуоресценции и сигнала ЭПР I листьев растений при разной фотосинтетической активности // Тезисы докладов научной конференции «Ломоносовские чтения». Москва, 2002. С. 62-65.

11. Гордиенко Т.В. О режиме затухающих колебаний в модели взаимодействия двух фотосистем // Тезисы докладов X международной конференции «Математика. Компьютер. Образование». Пу-щино, 2003. С. 194.

ЛР№ 121293 от 18.06.1998

Подписано в печать 14.04.2004. Формат 60x84/16. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 163

Издательство Физического факультета МГУ 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им.МВ.Ломоносова

1 4 7

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Гордиенко, Татьяна Валерьевна

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ НА ФУНКЦИОНАЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА РАСТЕНИЙ (по литературным данным)

1.1. Фотосинтез как основной процесс образования органических соединений с участием света

1.2. Регуляторные процессы в фотосинтезе листьев растений

1.3. Индукционные явления в фотосинтезе

1.4. Влияние ионов тяжелых металлов на основные физиологические процессы в растительной клетке

Введение Диссертация по биологии, на тему "Индукционные эффекты в фотосинтезе при разном физиологическом состоянии листьев растений"

Постановка проблемы, ее актуальность

Основным источником энергии для всех живых существ, населяющих нашу планету, служит энергия солнечного света. Эта энергия улавливается растениями и превращается в химическую энергию, которая сохраняется в образующихся запасаемых веществах. Всё живое на Земле зависит от фотосинтеза, поэтому познание механизмов утилизации света в фотосинтезе играет первостепенную роль и имеет большое общебиологическое значение для понимания основных принципов биоэнергетики.

В настоящее время в основном установлены состав и организация фотосинтетического аппарата растений, исследованы механизмы отдельных стадий фотосинтеза. Однако, вопрос о регуляции процессов фотосинтеза, обеспечивающей не только оптимальное функционирование фотосинтетического аппарата в целом, но и определяющей устойчивость системы, её способность адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды, к настоящему времени еще не получил должного количественного описания. Изучение механизмов регуляции позволяет выделить ключевые реакции системы и определить пути повышения продуктивности фотосинтеза в целом.

Регуляторные механизмы фотосинтеза в наибольшей мере проявляются в индукционных эффектах. Поэтому сегодня не вызывает сомнений актуальность работ по экспериментальному и теоретическому исследованию индукционных явлений в фотосинтезе, а так же моделированию различных стадий фотосинтеза.

Для успешного изучения механизмов регуляции фотосинтетических процессов in vivo необходимы адекватные методы неразрушающего контроля фотосинтетической активности. К таким методам следует отнести методы, основанные на регистрации медленной индукции флуоресценции фотосинтезирующих объектов и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПРI зеленого листа.

Известно, что для эффективного функционирования фотосинтетического аппарата необходима согласованная работа двух фотосистем. Изучение флуоресценции хлорофилла является по существу единственным методом, позволяющим получать информацию о тех фотохимических реакциях, которые связаны с работой фотосистемы II— системы, наиболее чувствительной к факторам окружающей среды. В то же время, регистрация сигнала ЭПР I позволяет контролировать in situ состояние реакционных центров Р700 фотосистемы I.

В настоящее время накоплен большой экспериментальный материал, связанный с регистрации в отдельности индукций флуоресценции и фотоиндуцированных изменений сигнала ЭПР I. Предполагается, что в обоих явлениях проявляются одни и те же регуляторные процессы, связанные, в частности, с перераспределением энергии возбуждения между фотосистемами. В ряде работ были получены предварительные данные о корреляции соответствующих спектроскопических показателей с фотосинтетической активностью, оцениваемой по скорости выделения Ог и поглощения СОг- Остается, однако, неясным, насколько эти корреляции универсальны, или же они наблюдаются лишь в данных конкретных условиях эксперимента. В этой связи, необходимо комплексное систематическое исследование индукции флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I, с использованием одних и. тех же объектов, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях, в том числе при их обработке биологически активными веществами с широким спектром действия, как игибирующими, так и активирующими фотосинтез. Актуальным здесь является выяснение физических механизмов наблюдаемых индукционных эффектов и установление количественных связей между соответствующими показателями и фотосинтетической активностью.

Важную роль в изучении регуляторных механизмов фотосинтеза играют математические модели. С помощью моделирования можно изул чить отдельно вклад каждой реакции в общий процесс, проследить за поведением всех характеристик одновременно, изучить влияние структурных изменений на поведение системы. Это, в свою очередь, позволяет дать интерпретацию ранее наблюдавшихся экспериментальных зависимостей, а также сделать предположения о ранее не изучавшихся закономерностях.

В настоящее время имеется большое число работ, посвященных теоретическому исследованию индукционных явлений в фотосинтезе. В некоторых из них учтены только световые процессы, в некоторых — тем-новые; имеются модели, учитывающие взаимодеиствие световых и тем-новых процессов. Вместе с тем, насколько известно из литературы, не существует моделей, учитывающих регуляторные процессы, связанные с перераспределением энергии света между фотосистемами, в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. Предполагается, что этот механизм, во-первых, проявляется при регистрации медленной индукции флуоресценции, а во-вторых, — может привести к возникновению режима затухающих колебаний. Актуальным здесь является теоретическое изучение индукционных эффектов с учетом данного регуляторного механизма, а также выяснение возможности возникновения режима затухающих колебаний.

В данной работе была построена математическая модель световых стадий фотосинтеза, учитывающая механизм перераспределения энергии света между фотосистемами, играющий важную роль в регуляции фотосинтеза.

Цель и задачи исследований

Целью настоящей работы являлось изучение регуляторных механизмов фотосинтеза на основе:

- экспериментального комплексного исследования индукции флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I, с использованием одних и тех же объектов, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях, в том числе при их обработке биологически активными веществами с широким спектром действия, как игибирующими, так и активирующими фотосинтез; теоретического изучения с помощью разработанной математической модели механизма регуляции первичных процессов фотосинтеза, связанного с перераспределением энергии света между фотосистемами, в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов.

В задачу работы входило установление количественных взаимосвязей между характеристиками, получаемыми с помощью методов нераз-рушающего контроля фотосинтетического аппарата (МИФ и ЭПР I), с одной стороны, и фотосинтетической активностью, - с другой, для растений, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях.

Другая не менее важная задача связана с изучением ответной реакции растений на загрязнение окружающей среды, в том числе химическими веществами. В настоящее время в этом направлении накоплено много экспериментальных данных, однако их сопоставление и обобщение представляется затруднительным, т.к. используются различные виды растений, условия обработки и т.д. Дело осложняется еще и тем, что реакция растений зависит от большого числа сопутствующих факторов: температуры и влажности воздуха и почвы, интенсивности освещения, фона минерального питания и др. Поэтому и здесь весьма важным является стандартизация условий выращивания и обработки объектов.

В данной работе исследовано влияние солей тяжелых металлов на фотосинтетический аппарат листьев растений. Исследования также проводились при обработке растений активатором фотосинтеза, регуляторами роста и неорганическим фосфатом.

Кроме того, в рамках разработанной математической модели решалась задача выяснения возможности возникновения режима затухающих колебаний, связанного с периодическим изменением окислительновосстановительного состояния переносчиков электронов и перераспределением квантов света между фотосистемами.

Научная новизна работы

Впервые проведено количественное сопоставление индукционных изменений флуоресценции и фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I листьев растений, выращенных в одних и тех же экспериментальных условиях.

Разработана математическая модель первичных процессов фотосинтеза, учитывающая перераспределение энергии света между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. Модель позволила не только описать ряд индукционных эффектов, наблюдаемых при регистрации флуоресценции и сигнала ЭПР I интактных листьев, но и установить некоторые корреляционные соотношения между характеристиками индукционных явлений и стационарной фотосинтетической активностью. I

Впервые теоретически изучен режим затухающих колебаний в мог дели взаимодействия двух фотосистем (с учетом перераспределения энергии между ФС).

Практическая ценность работы

Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию регулятррных механизмов, обеспечивающих эффективное преобразование энергии в первичных и последующих стадиях фотосинтеза.

Установленные количественные корреляции между характеристиками, получаемыми с помощью методов неразрушающего контроля фотосинтетической активности (МИФ и ЭПР I), с одной стороны, и фотосинтетической активностью, - с другой, свидетельствует о возможности применения этих показателей для оценки функциональной активности фотосинтетического аппарата растений в условиях in situ. g

Результаты опытов с солями тяжелых металлов могут быть использованы для оценки степени их отрицательного воздействия на,растительные объекты при проведении экологического мониторинга окружающей природной среды.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на:

- II Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (физическая экология)» (Москва, 1999);

- IV Съезде общества физиологов растений России (Москва, 1999);

- III Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии (экологическая физика)» (Москва, 2001);

- Международной конференции «Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке» (Сыктывкар, 2001);

- XI Международной конференции «Магнитный резонанс в химии и биологии» (Звенигород, 2001);

- Научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, МГУ, 2002);

- Международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем» (Москва, 2002);

- X Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2003).

Основные результаты диссертации изложены в 11 публикациях. Объём работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав с изложением литературных данных, собственного экспериментального материала, обсуждения модели и результатов математического моделирования, а также выводов. Список литературы включает 155 ссылок на работы отечественных и зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Биофизика", Гордиенко, Татьяна Валерьевна

выводы

1. Установлены закономерности в изменении МИФ и кинетики фо-тоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР листьев бобов при обработке растений веществами, влияющими на их фотоситетическую активность: солями ТМ, активатором фотосинтеза, гидрофосфатом натрия и регуляторами роста.

В условиях повышенной фотосинтетической активности наблюдалось уменьшение величины сигнала ЭПР при освещении листьев белым светом и увеличение максимального значения флуоресценции Fm- Предполагается, что этот эффект связан с ускорением электронного транспорта между фотосистемами в условиях повышенного синтеза АТФ и уменьшения градиента протонов на мембране тилакоидов.

2. Установлено, что в данных экспериментальных условиях регистрации флуоресценции и сигнала ЭПР листьев растений показатели FM/FT (МИФ) и В/А фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР коррелируют как между собой, так и со скоростью выделения 02 в расчете на хлорофилл. В опытах с проростками бобов, выращенных на растворах тяжелых металлов коэффициенты корреляции составили: для FJFT и A02/(At хлорофилл) г = 0,89 ±0,02; для В/А (ЭПР) A02/(At хлорофилл) г = - 0,89 ± 0,02 при коэффициенте доверия р = 0,95.

3. Проведено сравнительное исследование действия солей ТМ и макроэлемента магния на ростовые работу фотосинтетического аппарата листьев бобов. Анализ полученных результатов указывает на неспецифическую и неоднозначную ответную реакцию фотосинтетического аппарата обработку проростков ТМ: его активацию, сопровождающуюся уменьшением содержания хлорофилла, при относительно низких конценя /г трациях ТМ (КГ-Ю^М), и заметное подавление фотосинтетической активности при высоких концентрациях (Ю^-Ю-3 М).

4. С использованием методов МИФ и ЭПР установлена возможность лимитирования фотосинтетической активности интактных листьев при недостатке неорганического фосфата Фн в среде выращивания растений.

5. Теоретически исследован процесс, играющий регуляторную роль в фотосинтезе высших растений - перераспределение энергии возбуждения между фотосистемами в зависимости от окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов. В рамках построенной математической модели в работе:

- описаны немонотонные изменения интенсивности флуоресценции пигментов при включении возбуждающего света (медленная индукция флуоресценции);

- смоделирована кинетика фотоиндуцированных изменений величины сигнала ЭПР I при переключении с дальнего красного на белый свет;

- установлена корреляция между стационарным значением интенсивности фотосинтеза и относительной величиной тушения флуоресценции в индукционном периоде;

- показано, что в условиях замедленного использования восстановленных фотопродуктов в цикле Кальвина возникает режим затухающих колебаний, связанный с периодическим изменением окислительно-восстановительного состояния переносчиков электронов и перераспределением квантов света между ФС.

V.7. Заключение

В данной главе получены следующие основные результаты:

1. Установлено, что при некоторых значениях параметров в модели, учитывающей процесс перераспределения энергии возбуждения между фотосистемами, «включение» действующего света приводит к возникновению режима затухающих колебаний в изменении всех переменных системы.

2. Одним из необходимых условий установления режима затухающих колебаний является уменьшение скорости оттока в цикл Кальвина. Как следствие, происходит увеличение востановленности переносчиков электронов, которое и приводит к возникновению затухающих колебаний, за счет перераспределения квантов света между ФС.

3. Показано, что в отсутствие механизма перераспределения энергии возбуждения между фотосистемами колебательный режим не возникает.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата физико-математических наук, Гордиенко, Татьяна Валерьевна, Москва

1.Якушкина Н.И. Физиология растений. М.: Просвещение, 1993. 335 с.

2. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология / Под ред. Сопера Р. М.: Мир,1993. Т. 1.367 с.

3. Рубин А.Б. Биофизика. Т. 2. М.: Кн. дом. Университет, 2000. 468 с.

4. Клейтон Р. Фотосинтез. Физические механизмы и химические модели.1. М.: Мир, 1984.352 с.

5. Шувалов В.А. Первичное преобразование световой энергии при фотосинтезе. М.: Наука, 1990.209 с.

6. Рубин А.Б., Шинкарёв В.П. Транспорт электронов в биологических системах. М.: Наука, 1984. 320 с.

7. Твердислов В.А., Тихонов А.Н., Яковенко JI.B. Физические механизмыфункционирования биологических мембран. М.: Изд-во Моск. университета, 1987. 200 с.

8. ОртД.Р., Меландри Б.А. Механизм синтеза АТР // Фотосинтез / Под ред.

9. Говинджи. М.: Мир, 1987. Т. 2. С. 5-64.

10. Peter G.F., Thornber G.P. Biochemical composition and organization of higher plant photosystem 2 light-harvesting pigment proteins // J. Biol. Chem. 1991. V. 266. P. 16745-16754.

11. Vermaas W. Molecular-biological approaches to analyze photosystem 2 structure and function // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1993. V. 44. P. 457-481.

12. Тимофеев K.H., Гольдфелъд М.Г. Путь электрона в фотосинтезе: реакции в фотомембранах // Журнал ВХО им. Д.И. Менделеева. 1986. Т. 31. С. 495-502.

13. Zouni A., Witt Н.-Т, Kern J., Fromme P., Kraub N., Saenger W., Orth P.

14. Crystal structure of photosystem II from Synechococcus elongatus at 3. 8 Aresolution //Nature. 2001. V. 409. P. 739-743.

15. Jordan P. Three-dimenstonal structure of cyanobacterial photosistem I at 2,5

16. A resolution // Nature. 2001. V.411 P.909-917.

17. Barber J., Andersson B. Revealing the blueprint of photosynthesis // Nature. 1994. V. 370. P. 31-34.

18. Brettel K. Electron transfer and arrangement of the redox cofactors in photosystem I // Biochim. Biophys. Acta. 1997. V. 1318. P. 322-373.

19. Barber J. Photosynthetic reaction centers: a common link // Trends Biochem. Sci. 1987. V. 12. P. 321-326. ,

20. Deisenhofer J., Epp J., Miki K, Huber R., Michel H. Structure of the proteinsubunits in the photosynthetic reaction centers of Rhodopseudomonas viri-dis at ЗА resolution I I Nature. 1985. V. 318. P. 618-624.

21. Кок В., Forbush В., McGloin M. Cooperation of charges in photosynthetic

22. O2 evolution I. A linear four step mechanism // Photochem. Photobiol. 1970. V. 11. P. 457-475.

23. Berry S., Rumberg B. Proton to electron stoichiometry in electron transport . of spinach thylakoids // Biochim Biophys. Acta. 1999. V. 1410. P. 248-261.

24. Kramer D.M., Sacksteder С A., Cruz J A. How acidic is the lumen? // Photosynth. Res. 1999. V. 60. P. 151-163.

25. Kobayashi Y., Inoue Y., Shibata К., Heber U. Control of electron flow in intact chloroplasts by the intrathylokoid pH, not by the phosphorylation potential // Planta. 1995. V. 146. P. 481-486.

26. Fowler С JКок В. Determination of n+/e" ratios in chloroplasts with flash' ing light // Biochim. Biophys. Acta. 1976. V. 423. P. 510-523.

27. Graan Г., Ort D.R. Initial events in the regulation of electron transfer in chloroplasts // J.Biol. Chem. 1983. V. 258. P. 2831-2836.

28. Sacksteder C. A., Kanazawa A., Jacoby M. E., Kramer D. M. The proton toelectron stoichiometry of steady-state photosynthesis in living plants: A proton-pumping Q cycle is continuosly engaged // PNAS. 2000. V. 97. №. -26. P. 14283-14288.

29. Кукушкин A.K. Влияние циклического электронного транспорта вокругфотосистемы II на затухающие колебания при фотосинтезе // Биофизика. 1997. Т. 42. С. 1224-1234.

30. Capaldi R.A., Aggeler R., Wilkens S., Gruber G. Structural changes in the у and e subunit of the Escherichia coli FOFl-type ATPase during energy coupling // J. Bioenerg. Biomembr. 1996. V. 28. P. 397-401.

31. Boekema E.J., Xiao J., McCarty R.E. Structure of the ATP synthase from chloroplasts studied by electron microscopy. Localization of the small sub-units // Biochim. Biophys. Acta. 1990. V. 1020. P. 49-56.

32. Hasler K., Engelbrecht S., Junge W. Three-stepped rotation of subunits у and e in single molecules of F-ATPase as revealed by polarized, confocal fluorometry // FEBS Lett. 1998. V. 426. P. 301-304.

33. Эдварде Дж., Уокер Д. Фотосинтез СЗ-С4-растений: механизмы и регуляция. М.: Мир, 1986. 598 с.

34. Кукушкин А.К., Тихонов А.Н. Лекции по биофизике фотосинтеза растений. М.: Изд-во Моск. университета, 1988.320 с.

35. Тихонов А.Н. Защитные механизмы фотосинтеза // Соровский образовательный журнал. 1999. № 11. С. 16-21.

36. Трубщин Б. В. Исследование протонного транспорта в хлоропластах с помощью ph-чувствительных спиновых меток. Дисс. канд. физ.-мат. наук. 2001. 134 с.

37. Тихонов А.Н. Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза // Соросовский образовательный журнал. 1999. № 11. С. 8-15.

38. Караваев В.А., Кукушкин AJC. Теоретическая модель световых и темновых процессов фотосинтеза: проблема регуляции // Биофозика. 1993. Т. 38. №6. С. 958-975.

39. Kyle DJ., Staehelin LA., Arntzen CJ. Lateral mobility of the light-harvesting complex in chloroplast membranes controls excitation energy distribution in higher plants // Arch. Biochim. Biophys. 1983. V. 222. P. 527-541.

40. Allen J.F. Protein phosphorylation in regulation of photosynthesis // Biochim. Biophys. Acta. 1992. V. 1098. P. 275-336.

41. Кукушкин AJC., Степин Д.В. Электронная структура пластохинонов иперенос электронов между фотосистемами в высших растениях //

42. Биофизика. 1999. Т. 44. С. 102-111.

43. Foyer С., Furbank R., Harbinson J., Horton P. The mechanisms contributing to photosynthetic control of electron transport by carbon assimilation in leaves // Photosynh. Res. 1990. V. 25. P. 83-100.

44. Заворуев В.В., Заворуева ЕЛ., Шелегов A3. Флуоресценция, возбуждаемая светом в диапазоне длин волн 380-450 нм, в листьях огурца в зависимости от времени вегетации и светового режима // Биофизика. 2000. Т. 45. С. 704-711.

45. Babani F., Balota М, Lichtenthaler HJC. Photosynthetic activity during autumnal breakdown of chlorophyll in tree species // Photosynthesis: Mechanisms and Effects / Ed. by Garab G. Dordrecht, Boston, London: Kluwer Acad. Publ. 1998. V. 5. P. 4019-4022.

46. Lazar D. Chlorophyll a fluorescence induction I I Biochim. Biophys. Acta.1999. V. 1412. P. 1-28.

47. Duysens L.M.N., Sweers H.E. Mechanism of two photochemical reactions inalgae as studied by means of fluorescence. Studies on microalgae and photosynthetic bacteria. Japan Soc. Plant. Phisiol., Univ. Tokio Press. 1963. P. 353-372.

48. Aro E. — M. Regulation of psbA gene expression under light and low-temperature stress in cyanobacteria // Potosynthesis. Budapest. SY 10-L1. P. 107

49. Krause G.H., Weis E. Chlorophyll and photosynthesis: the basics // Annu.

50. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1991. V. 42. P. 313-349.

51. Bradbury M, Baker N.R. A quantitative determination of photochemical andnon-photochemical quenching during the slow phase of the chlorophyll fluorescence induction curve of been leaves // Biochim. et Biophys. Acta. 1984. V. 765. № 3. P. 275-281.

52. Genty В., Briantais J.-M., Baker N.R. The relationship between the quantumyield of photosynthetic electron transport and quenching of chlorophyll fluorescence // Biocim. Biophys. Acta. 1989. V. 990. P. 87-92.

53. Schreiber £/., Schliwa U., Bilger W. Continuous recording of photochemicaland nonphotochemical fluorescence quenching with a new type of modulation fluorometer // Photosynth. Res. 1986. V. 10. P. 51-62.

54. Свинец в окружающей среде / Под ред. Добровольского А.В. М.: Наука, 1987.180 с.

55. Cannon L., Anderson В.М. The geochemist's involvement with the H pollution problem // Geol. Soc. Am. 1971.Mem. 123. P. 155-177

56. Horton P., Rubun A. V. Regulation of Photosystem II // Photosynth. Res.1992. V. 34. P. 375-385.

57. Rees D., Horton P., Schreiber U. The relationship between Photosystem IIintrinsic quantum yield and millisecond luminescence in thylakoids // Photosynth. Res. 1993. V. 37. P. 131-138.

58. Heber U., Kirk M.R., Boardman N.K. Photoreaction of cytochrome b-559and cyclic electron flow in photosystem II of intact chloroplasts // Biocim. Biophys. Acta. 1979. V. 564. P. 292-306.

59. Prasil O., Kolber Z., Berry J. A., Falkowsky P.G. Cyclic electron flow around

60. Photosystem II in vivo // Photosynth. Res. 1996. V. 48. P. 395-410.

61. Allakhverdiev S.I., Klimov V. V., Carpentier R. Evidence for the involvementof cycle electron transport in the protection of photosystem II against photoinhibition: influence of a new phenolic compound // Biochemistry. 1997. V. 36. №14. P. 4149-4154.

62. Hormann H., Neubauer C., Schreiber U. On the relationship between chlorophyll fluorescence quenching and the quantum yield of electron transport in isolated thylakoids // Photosynth. Res. 1994. V. 40. P. 93-106.

63. Общая биология / Под ред. Рувинского А.О. М.: Просвещение, 1993.543 с.

64. Ильин Б.Б., Гармаш Г.А., Гармаш Н.Ю. Влияние тяжелых металлов нарост, развитие и урожайность сельскохозяйственных культур // Агрохимия. 1985. № 6. С.90-100.

65. Krause G.H., Vernotte С., Briantais J.-M. Photoinduced quenching of chlorophyll fluorescence in intact chloroplasts and algae. Resolution into two components // Biocim. Biophys. Acta. 1982. V.679. P. 116-124.

66. Demming-Adams B. Carotenoids and photoprotection in plants: a role for thexanthophylls zeaxanthin // Biochim. Biophys. Acta. 1990. V. 1020. P. 1-24.

67. Кукушкин A.K„ Блюменфелъд JI. А. Об одном аспекте взаимодействия двух фотосистем // Биофизика. 1971. Т.16 . №5. С.932-933.

68. Vass /., Mate Z, Zass L., Nagy F. W-B induced damage of PS II and its repair via de novo synthesis of the D1 and D2 reaction center subunits // Abstracts of XI th Int. Congress on Photosyntethisis. Budapest. SY10 - L6. P. 107.

69. Кузнецова С.А., Кукушкин A.K. Медленная индукция флуоресценции ипентозофосфатный цикл: теоретическое исследование // Биофизика. 1996. Т. 41. С. 1247-1253.

70. Fur bank R. Т., Walker D. A. Photosynthetic induction in C4-leaves. An investigation using infra-red gas analysis and chlorophyll a fluorescence // Planta. 1985. V. 163. P. 75-83.

71. Walker D.A. Secondary fluorescence kinetics of spinach leaves in relation to the onset of photosynthetic carbon assimilation // Planta. 1981. V. 153. P. 273-278.

72. Walker D.A., Horton P., Sivak M.N., Quick W.P. Antiparallel relationship between 02 evolution and slow fluorescence induction kinetics // Photobio-chem. Photobiophys. 1983. V. 5. P. 35-39.

73. Бухое Н.Г., Макарова В.В., Кренделёва Т.Е. Координация изменений редокс-состояния двух фотосистем в листьях подсолнечника при вариациях освещённости // Физиология растений. 1998. Т. 45. С. 645652.

74. Караваев В.А., Кукушкин А.К., Шагурина T.J1., Солнцев М.К. Медленнаяиндукция флуоресценции листьев высших растений в различных условиях освещения в процессе роста // Физиология растений. 1985. Т. 32. С. 274-281.

75. Карапетян Н.В., Бухое Н.Г. Переменная флуоресценция хлорофилла как показатель физиологического состояния растений // Физиология растений. 1986. Т. 33. С. 1013-1026.

76. Бухое Н.Г. Старение листа. Выявление участков, лимитирующих фотосинтез, с помощью коэффициентов тушения флуоресценции хлорофилла и редокс-изменений Р700 в листьях // Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 352-360.

77. Нестеренко Т.В., Сидько Ф.Я. Возрастные изменения медленной индукции флуоресценции хлорофилла листьев пшеницы // Физиология растений. 1985. Т. 32. С. 440-447.

78. Нестеренко Т.В., Сидько Ф.Я. Медленная индукция флуоресценции хлорофилла в онтогенезе листьев огурца // Физиология растений. 1986. Т. 33. С. 672-682.

79. Андреева А. С. Веселинова Ю.М. Влияние условий адаптации на медленную индукцию флуоресценции в листьях высших растений // Биофизика. 1979. Т. 24. №1. С. 175-177.

80. Караваев В.А., Шагурина T.JI., Кукушкин А.К. Медленная индукция флуоресценции и перераспределение энергии возбуждения между фотосистемами // Физиология растений 1987. Т. 34. Вып. 2. С. 221-227.

81. Караваев В.А., Белогрудое И.О., Кукушкин А.К. Медленная индукция флуоресценции и С02-газообмен листьев бобов в присутствии диурона // Биофизика. 1989. Т. 34. С. 710.

82. Караваев В.А., Кукушкина М.А. Корреляция параметра Fm/Ft медленнойиндукции флуоресценции и фотосинтеза листьев растений: теоретическое изучение // Биофизика. 1998. Т. 43. С. 1130-1131.

83. Genty В., Harbinson J., Baker N.R. Relative quantum efficiencies of the twophotosystems of leaves in photorespiratory and non-photorespiratory conditions // Plant Physiol. Biochem. 1990. V. 28. P. 1 -10.

84. Harbinson J., Genty В., Foyer C.H. Relationship between photosynthetic electron transport and stromal enzyme activity in pea leaves // Plant Physiol. 1990. V. 94. P. 545-553.

85. Халилов P.M., Тихонов А.Н. Ингибирование фотохимической активности ФС II хлоропластов высших растений под действием УФ облучения // Биофизика. 1992. Т. 37. Вып. 5. С. 935-938.

86. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на Фортране. 1977. 584 с.

87. Andreeva A., Tikhonov A. Comparative study on the kinetics of electron transport and the slow chlorophyll fluorescence changes in bean leaves // Photobiochem. Photobiophys., 1983. V.6. P. 261-266.

88. Свенсон К, Уэбстер П. Клетка. М.: Мир, 1980.303 с.

89. Рыжиков С.Б., Тихонов А.Н. Регуляция скорости переноса электрона вфотосинтетических мембранах высших растений // Биофизика. 1988. Т. 33. Вып. 4. С. 642-646.

90. Сазанов JI.A. Математическое моделирование взаимодействия световыхи темновых процессов фотосинтеза. Автореферат. Дисс. канд. физ.-мат. наук. 1989.20 с.

91. Караваев В.А., Кукушкин А.К., Шагурина Т.Л., Солнцев М.К. Корреляция изменений быстрой и медленной индукции флуоресценции листьев бобов в присутствии гербицидов и аксидантов // Фйзиология растений. 1987. Т. 34. Вып. 1. С. 60-66.

92. Holzapfel С., Bauer R. Computer simulation of primary photosynthetic reactions compared with experimental results on O2 - exchange and chlorophyll fluorescence of green plants // Z. Naturforch. 1975. B. 30c. №7-8. P. 489-498.

93. Bernhardt AT., Trissl H.-W. Theories for kinetics and yields of fluorescenceand photochemistry: how, if at all, can different models of antenna organization be distinguished experimentally? // Biocim. Biophys. Acta. 1999. V. 1409. P. 125-142.

94. Malik M., Riznichenko Yu. G., Rubin A.B. Biological electron transport andtheir mathematical modeling and computer simulation. L: Horwood, 1990. 174 p.

95. Vavilin D. V., Tyystjarvi A., Aro E.-M. Model for the fluorescence induction curve of photoinhibited thylakoids // Biophys. J. 1998. V. 75. №1. P. 502512.

96. Shinkarev V.P. The general kinetic model of electron transfer in photosynthetic reaction centers activated by multiple flashes // Photochem. Photo-biol. 1998. V. 67. №6. P. 683-699.

97. Лебедева Г.В., Демин O.B., Беляева Н.Е., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б.

98. Кинетическая модель каталитического цикла фотосистемы II высших растений // Второй съезд биофизиков России / Тезисы докладов. Москва. 1999. Т. 3. С. 1049-1050.

99. Lazar £)., Pospsil P. Mathematical simulation of chlorophyll fluorescencerise measured with 3-(3', 4' dichlorophenyl) - 1,1-dimethylurea-treated barley leaves at room and high temperatures // Eur. Bioph. J. 1999. V. 28. №6. P. 468-477.

100. Stirbet A., Govindjee, Strasser B.J., Strasser RJ. Chlorophill a fluorescenceinduction in higher plants: modeling and numerical simulation // J. Theor. Biol. 1998. V. 193. P. 131-151.

101. Вийль JO.Л., Иванова X.H., Пярник Т.P. Изучение внутренних параметров системы реакции фотосинтетической ассимиляции СОг по СЗ —типу, функционирующей в стационарном режиме // Физиология растений. 1983. Т. 30. Вып. 3. С. 570-579.

102. Pettersson G., Ryde-Pettersson U. A mathematical model of the Calvin photosynthesis cycle //Eur. J. Biochem. 1988. V. 175. P. 661-672.

103. Portis A. Analysis of the role of the phosphate translocator and external metabolites in stready-state chloroplast photosynthesis // Plant Physiol. 1983. V. 71. P. 936-943.

104. Вопилова JI.B., Сидъко Ф.Я. Модель роста микроводорослей в прерывистом световом потоке. Красноярск: Препринт №47Б, 1985.

105. Кукушкин А.К., Рябов В.А., Солдатова Е.А. Вероятностное описание замедленной флуоресценции высших растений для модели комплекса реакционного центра фотосистемы 2 // Вестник МГУ. 1986. Т. 33. №4. С. 60-65.

106. Закиръянов Ф.К., Кукушкин А.К., Солдатова Е.А. Теоретическое изучение замедленной флуоресценции хлорофилла в листьях высших растений // Биофизика. 1994. Т. 39. №4. С. 702-708.

107. Goltsev V., Dolchinkova V., Mutafova М. Mathematical model of millisecond delayed fluorescence // 22 FEBS meeting. 1993.

108. Дубинский А.Ю., Тихонов A.H. Регуляция электронного и протонного транспорта в хлоропластах. Кинетическая модель и ее сравнение с экспериментом // Биофизика. 1994. Т. 39. Вып. 4. С. 652-665.

109. Walker D.A. Concerning oscillations I I Photosynt. Res. 1992. V. 34. P. 387395.

110. Чернавский Д.С., Чернавская H.M. Колебательные процессы в биологических и химических системах. М.: Наука, 1967. 51 с.

111. Белюстина JI.H., Кокина Г.А. Качественное исследование уравнений фотосинтеза / Колебательные процессы в биологических и химических системах // Под ред. Шноля С.Э. М.: Наука, 1967

112. La is k A., Walker D.A. Control of phosphate turnover as a rate-limiting factor and possible cause of oscillations I I Proc. R. Soc. London. 1986. V. 3227. №1248. P. 281-302.

113. Hahn В J). A mathematical model of carbon metabolism //Ann. Botany.1984. V. 54. №3. P. 325-339.

114. Ryde-Pettersson U. Identification of possible two-reactant sources of oscillations in the Calvin photosynthetic cycle and ancillary pathways // Eur. J. Biochem. 1991. V. 198. P. 613-619.

115. Walker D.A., Sivak M.N. Can phosphate limit photosynthetic carbon assimilation in vivo? // Physiol. Veg. 1985. V. 23. P. 829-841.

116. Laisk A., Siebke K., Gerst U., Eichelmann //., Oia V., Heber U. Oscillations in photosynthesis are initiated and supported by imbalances in the supply of ATP and NADPH to the Calvin cycle // Planta. 1991. V. 185. P. 554-562.

117. Veljovic-Jovanovic S., Cerovic Z.G. Induction of oscillations in chlorophyll fluorescence by re-illumination of intact isolated pea chloroplasts // Planta. 1991. V. 185. №3. P. 397.

118. Растения в экстремальных условиях минерального питания / Под ред. Школьника М. Я. и Алексеевой-Поповой Н. В. Л.: Наука, 1983. 177 с.

119. Сорокин В. А., Валеев В. А., Гладченко Г.О. Изучение взаимодействия ионов двухвалентного кадмия с нуклеотидами и природной ДНК // Биофизика. 1997. Т.42. С. 105-116.

120. Берзиня А.Я. Загрязнение металлами растений как метод оценки техногенного влияния на окружающую среду // Загрязнение природной среды выбросами автотранспорта. Рига, 1980. С. 28-45.

121. Таланова В. В., Титов А. Ф., Боева Н. П. Влияние ионов кадмия и свинца на рост и содержание пролина и АБК в проростках огурца // Физиология растений. 1999. Т. 46. Вып. 1. С. 164-167.

122. Свенсон К, Уэбстер П. Клетка. М.: Мир, 1980. 303 с.

123. Кнорре Д.Г., Мызина С. Т. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 1998.479 с.

124. Берри Дж.А., Даунтон У.Дж.С. Зависимость фотосинтеза от факторовокружающей среды // Фотосинез / Под ред. Говинджи. Т.2. М.: Мир, 1987. С. 273-364.

125. Кабата-Пендиас АПендиасХ. Микроэлементы в почвах и растениях М.: Мир, 1989.440 с.

126. Школьник М.Я. Микроэлементы в жизни растений. JL: Наука,1974. 324 с.

127. Zhang L., Pakrasi Н.В., Whitmarst J. Photoautotrophic growth of cyano-bacterium synechocystis sp. PCC6803 in the absence of cytochrome C553 and plastocyanin // The Journal of Biol. Chem. 1994. V. 269. P. 5063-5042.

128. Horvath G., Droppa M., Oravecz A., Raskin V.I., Marder J.B. Formation of the photosynthetic apparatus during greening of cadmium-poisoned barley leaves // Planta. 1996. V. 199. P. 238-243.

129. Шабала C.H., Воинов O.A. Динамика физиологических характеристик растений как элемент системы экологического мониторинга // Успехи совр. биол. 1994. Т. 114. С. 144-159.

130. Рубин Б.А., Гавриленко В.Ф. Биохимия и физиология фотосинтеза. М.: МГУ, 1977. 328 с.

131. Караваев В.А., Шагурина T.J1,, Кукушкин А.К, Солнцев М.К Индукционные изменения флуоресценции листьев бобов в присутствии анти-оксидантов // Физиология растений. 1985. Т. 32. Вып. 5. С. 884-893.

132. Караваев В.А., Шагурина T.JI., Кукушкин А.К, Солнцев М.К. Действие феназона и диурона на индукцию флуоресценции листьев пшеницы // Известия АН СССР. Сер. биол. 1985. №3. с. 458-461.

133. Малый практикум по физиологии растений / Под ред. Гусева М.В. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1982.192 с.

134. Семихатова О.А., Чулановская М.В. Манометрические>методы изучения дыхания и фотосинтеза растений. М. Л., 1965.168 с.

135. Lindahl M., Yang D.-H., Anderson B. Regulatory proteolysis of the major light-harvesting chlorophyll a/b protein complex of photosystem II by a light-induced membrane associated enzymic system // Eur. J. Biochem. 1995. V. 231. P. 503-509.

136. Poskuta J.W., Parys E., Romanowska E. The effect of lead on the gaseous exchange and photosynthetic carbon melabolism of pea seedlings I I Acta. Soc. Bot. Pol. 1987. V. 55. P. 127-137.

137. Гармаш H. Ю. Влияние возрастающих доз тяжелых металлов на накопление их пшеницей и бобами в онтогенезе // Физиология и биохимия культ, растений. 1989. Т. 21. С. 141-146.

138. Титов А. Ф., Таланова В.В., Боева Н.П., Минаева С.В., Солдатов С.Е. Влияние ионов свинца на рост проростков пшеницы, ячменя и огурца //Физиология растений. 1995. Т. 42. С. 457-462.

139. Рабинович Е. Фотосинтез. М.: ИЛ, 1959. Т. 3. 936 с.

140. Karavaev V.A., Polyakova LB., Solntsev M.K., Yurina T.P. Effect of various chemical agents on photosynthesis studied by the method of fluorescence induction//J. of luminescence. 1998. V. 76& 77. P. 335-338.

141. Караваев В.А., Полякова И.Б., Солнцев М.К., Юрина Т.П., Кузнецова Е.А., Кузнецов A.M. Влияние ингибитора и активатора фотосинтеза на люминесцентные показатели листьев бобов // Вестник МГУ. Сер. 3. Физ. Астр. 1998. С. 29-32.

142. Довыдъков С.А., Баулин A.M., Трубицин Б.В., Караваев В.А., Тихонов А.Н. Влияние неорганического фосфата на работу фотосинтетического аппарата листьев бобов // Биофизика. 2000. Т. 45. С. 360-361.

143. Кукушкин А.К, Тихонов А.Н., Блюменфельд JI.A., Рууге Э.К Теоретическое исследование первичных процессов фотосинтеза высших растений и водорослей // Докл. АН СССР. 1973. Т. 211. № 3. С. 718-721.

144. Куприн С.П., Кукушкин А.К., Тихонов А.Н. Теоретическое исследование процессов миграции энергии и электронного транспорта в фотосинтезе высших растений. 1. Основные уравнения и их решение // Биофизика. 1977. Т. 22. Вып. 1. С. 58-63.

145. Bennett J. Protein phosphorylation in green plant chloroplasts // Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. 1991. V. 42. P. 281-311-.

146. Ризниченко Г.Ю. Лекции по математическим моделям в биологии. Часть 1. — Ижевск: НИЦ «Регуляторная и хаотическая динамика», 2002.232 с.

147. Григорьев Ю.С., Гладышева Е.Е., Моргун В.Н., Гольд В.М. Световая зависимость индукционных переходов быстрой флуоресценции хлорофилла нативных систем // Физиология растений. 1983. Т. 30. Вып. 2. С.261-268.

148. Звалинский В.И., Литвин Ф.Ф. Анализ световой кривой фотосинтеза при непрерывном освещении // Биофизика. 1982. Т. 27. Вып. 2. С. 202— 207.

149. Лайск А.Х. Кинетика фотосинтеза и фотодыхания Сз растений. // М.: Наука, 1977. 196 с.

150. Караваев В.А., Баулин A.M., Гордиенко Т.В., Довыдьков С. А., Тихонов А.Н. Изменения фотосинтетического аппарата листьев бобов в зависимости от содержания тяжелых металлов в среде выращивания // Физиология растений. 2001. Т. 48. №1. С. 47-54.

151. Бауэр Э.С. Теоретическая биология. М.: Наука. 2001. 279 с.

152. Борисов А.Ю., Ильина М.Д. Вариации флуоресценции в листьях гороха и его органеллах // Биофизика. 1971. Т. 16. №1. С. 157.

153. В заключение выражаю глубокую благодарность моему научному руководителю, профессору кафедры общей физики физического факультета МГУ Владимиру Александровичу Караваеву за постоянное внимание и помощь в работе.

154. Благодарю доктора физ.-мат. наук Александра Николаевича Тихонова за предоставление возможности получения экспериментальных данных по ЭПР и ценные советы и замечания при обсуждении результатов.

155. Благодарю профессора Александра Константиновича Кукушкина за проявленный интерес, внимание, обсуждение работы и полезные советы при обсуждении.

156. Благодарю всех, кто на разных этапах оказывал помощь в выполнении работы.