Модель для прогнозирования фотоповреждений и развития защитных механизмов у растений
Свет — основной источник энергии для фотосинтеза и продуктивности растений. Однако избыточное освещение может привести к фотоповреждению фотосинтетического аппарата и других структур клетки. Чтобы избежать этого, растения выработали защитные механизмы, включая нефотохимическое тушение флуоресценции.
Этот процесс развивается под действием света высокой интенсивности и других стрессоров, снижая световой поток, поглощаемый фотосинтетическим аппаратом.
По словам Владимира Сухова, заведующего Лабораторией электрофизиологии растений Института биологии и биомедицины ННГУ, нефотохимическое тушение играет ключевую роль в защите растений от неблагоприятных световых условий.
«Разработка математических моделей нефотохимического тушения особенно важна, так как позволяет прогнозировать фотоповреждения и адаптивные изменения устойчивости растений при определённых режимах освещения без дополнительных экспериментов», — отмечает Владимир Сухов.
Прогнозы, полученные учёными ННГУ, могут использоваться как для фундаментальных исследований, так и для прикладных целей — например, при разработке новых режимов искусственного освещения в теплицах или для прогнозирования повреждений растений при определённых погодных условиях.
В статье Екатерины Суховой, аспирантки кафедры биофизики ННГУ, опубликованной в журнале Biochimica et Biophysica Acta—Bioenergetics, представлена математическая модель нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла и описаны его особенности при колебаниях интенсивности света.
Предложенная модель описывает переходы между «открытыми» (не получившими квант света) и «закрытыми» (получившими квант света) реакционными центрами фотосистемы II и последующую активацию компонента нефотохимического тушения закрытыми центрами.
«Особенность модели — описание активации фотосистемы II на свету и её инактивации в темноте. Это значительно расширяет её применимость. В частности, модель можно использовать для прогнозирования влияния быстрых изменений интенсивности света на растения», — объясняет Екатерина Сухова.
Модель была верифицирована на основе экспериментальных данных, полученных с помощью современного метода исследования фотосинтеза — PAM-флуорометрии (флуорометрии с импульсной амплитудной модуляцией).
Верификация показала, что модель точно предсказывает развитие нефотохимического тушения и фотоповреждений у растений при колеблющейся интенсивности света, включая чередование периодов темноты и освещения.
«С практической точки зрения, предложенная модель должна стать инструментом для количественного прогнозирования фотоповреждений и развития адаптивных изменений фотосинтетического аппарата растений при колебаниях интенсивности света», — заключает Екатерина Сухова.
Исследователи ННГУ выделили несколько потенциальных областей применения этого нового инструмента:
- Прогнозирование световых повреждений у растений при определённых погодных условиях в поле (при заданной интенсивности и колебаниях естественного освещения).
- Ускоренный поиск наиболее эффективных режимов дополнительного освещения в теплицах со смешанным освещением растений (естественный свет плюс искусственная досветка).
- Теоретический поиск режимов освещения, обеспечивающих дополнительную устойчивость фотосинтетического аппарата к стрессорам разной природы.