Влияние интенсивности света и его спектрального состава на фотосинтетическую активность огурца Cucumis sativus при фузариозном заражении

  • Людмила Федоровна Кабашникова Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Ирина Николаевна Доманская Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Любовь Валерьевна Пашкевич Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Ирина Александровна Дремук Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Анна Викторовна Мартысюк Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Ольга Викторовна Молчан Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
DOI: https://doi.org/10.33581/2957-5060-2022-3-39-52

Аннотация

Изучены ответные реакции хлоропластов у растений огурца сорта Кустовой, выращенных при освещении разной интенсивности (6000 и 11 000 лк) или при LED-освещении с преобладанием красного и дальнего красного света, на заражение грибом Fusarium oxysporum. В хлоропластах, сформированных при пониженной освещенности, через 72 ч после инфицирования возрастало количество хлорофиллов и каротиноидов, тогда как в хлоропластах, сформированных при повышенной освещенности, наблюдалось существенное усиление катаболизма пигментов. При фузариозе в условиях изученного светового диапазона не был задействован виолаксантиновый цикл, а фотохимическая активность хлоропластов мало зависела от уровня освещенности. Преобладание красного или дальнего красного света вызывало повышение содержания хлорофиллов и каротиноидов в пересчете на сухую массу листа по сравнению с таковым у растений, выращенных на белом свету. При заражении на белом и красном свету происходило увеличение, а при заражении на дальнем красном свету – уменьшение общего содержания хлорофиллов и каротиноидов относительно их уровня в здоровых растениях. Установлено, что фузариозное увядание привело к снижению фотохимической активности фотосистемы I и сопряженного с ней транспорта электронов (на 20 %) в хлоропластах, сформированных на красном и дальнем красном свету. Также отмечено снижение функциональной эффективности фотосистемы II, скорее всего, за счет необратимых изменений пигмент-белковых комплексов при обоих режимах LED-освещения. Рассмотрены различные механизмы ответной реакции хлоропластов растений огурца на инфицирование патогеном в зависимости от световых условий формирования фотосинтетических мембран.

Биографии авторов

Людмила Федоровна Кабашникова, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

член-корреспондент НАН Беларуси, доктор биологических наук, доцент; заведующий лабораторией прикладной биофизики и биохимии

Ирина Николаевна Доманская, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии

Любовь Валерьевна Пашкевич, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии

Ирина Александровна Дремук, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; научный сотрудник лаборатории биофизики и биохимии растительной клетки

Анна Викторовна Мартысюк, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

младший научный сотрудник лаборатории прикладной биофизики и биохимии

Ольга Викторовна Молчан, Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; заведующий лабораторией водного обмена и фотосинтеза растений

Литература

  1. Arsovski AA, Galstyan A, Guseman JM, Nemhauser JL. Photomorphogenesis. The Arabidopsis Book. 2012;10:e0147. DOI: 10.1199/tab.0147.
  2. Pham Vinh Ngoc, Xu Xiaosa, Huq Enamul. Molecular bases for the constitutive photomorphogenic phenotypes in Arabidopsis. Development. 2018;145(23):dev169870. DOI: 10.1242/dev.169870.
  3. Huot B, Yao J, Montgomery BL, He SY. Growth-defense tradeoffs in plants: a balancing act to optimize fitness. Molecular Plant. 2014;7(8):1267–1287. DOI: 10.1093/mp/ssu049.
  4. Casal JJ, Balasubramanian S. Thermomorphogenesis. Annual Review of Plant Biology. 2019;70:321–346. DOI: 10.1146/annurev-arplant-050718-095919.
  5. Sowden RG, Watson SJ, Jarvis P. The role of chloroplasts in plant pathology. Essays in Biochemistry. 2018;62(1):21–39. DOI: 10.1042/EBC20170020.
  6. Genoud T, Buchala AJ, Chua N-H, Métraux J-P. Phytochrome signalling modulates the SA-perceptive pathway in Arabidopsis. The Plant Journal. 2002;31(1):87–95. DOI: 10.1046/j.1365-313x.2002.01338.x.
  7. Wang Hai, Wu Guangxia, Zhao Binbin, Wang Baobao, Lang Zhihong, Zhang Chunyi, et al. Regulatory modules controlling early shade avoidance response in maize seedlings. BMC Genomics. 2016;17:269. DOI: 10.1186/s12864-016-2593-6.
  8. Griebel T, Zeier J. Light regulation and daytime dependency of inducible plant defenses in Arabidopsis: phytochrome signaling controls systemic acquired resistance rather than local defense. Plant Physiology. 2008;147(2):790–801. DOI: 10.1104/pp.108.119503.
  9. de Wit M, Spoel SH, Sanchez-Perez GF, Gommers CMM, Pieterse CMJ, Voesenek LACJ, et al. Perception of low red : farred ratio compromises both salicylic acid- and jasmonic acid-dependent pathogen defences in Arabidopsis. The Plant Journal. 2013;75(1):90–103. DOI: 10.1111/tpj.12203.
  10. Ballaré CL. Light regulation of plant defense. Annual Review of Plant Biology. 2014;65:335–363. DOI: 10.1146/annurev-arplant-050213-040145.
  11. Cerrudo I, Caliri-Ortiz ME, Keller MM, Degano ME, Demkura PV, Ballaré CL. Exploring growth-defence trade-offs in Arabidopsis: phytochrome B inactivation requires JAZ10 to suppress plant immunity but not to trigger shade-avoidance responses. Plant, Cell & Environment. 2017;40(5):635–644. DOI: 10.1111/pce.12877.
  12. Fernández-Milmanda GL, Crocco CD, Reichelt M, Mazza CA, Kӧllner TG, Zhang T, et al. A light-dependent molecular link between competition cues and defence responses in plants. Nature Plants. 2020;6(3):223–230. DOI: 10.1038/s41477-020-0604-8.
  13. Roden LC, Ingle RA. Lights, rhythms, infection: the role of light and the circadian clock in determining the outcome of plant – pathogen interactions. The Plant Cell. 2009;21(9):2546–2552. DOI: 10.1105/tpc.109.069922.
  14. Hou Xingliang, Lee Li Yen Candy, Xia Kuaifei, Yan Yuanyuan, Yu Hao. DELLAs modulate jasmonate signaling via competitive binding to JAZs. Developmental Cell. 2010;19(6):884–894. DOI: 10.1016/j.devcel.2010.10.024.
  15. Pierik R, Ballaré CL. Control of plant growth and defense by photoreceptors: from mechanisms to opportunities in agriculture. Molecular Plant. 2021;14(1):61–76. DOI: 10.1016/j.molp.2020.11.021.
  16. Courbier S, Grevink S, Sluijs E, Bonhomme P-O, Kajala K, Van Wees SCM, et al. Far-red light promotes Botrytis cinerea disease development in tomato leaves via jasmonate-dependent modulation of soluble sugars. Plant, Cell & Environment. 2020;43(11):2769–2781. DOI: 10.1111/pce.13870.
  17. Zakurin AO, Shchennikova AV, Kamionskaya AM. [Light culture of protected soil crop production: photosynthesis, photomorphogenesis and prospects for the use of LEDs]. Fiziologiya rastenii. 2020;67(3):246–258. Russian. DOI: 10.31857/S0015330320030227.
  18. Kudelina TN, Krivobok AS, Bibikova TN, Molchan OV. Features of Arabidopsis thaliana photomorphogenesis when using LED lighting with different spectral composition. Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological Series. 2021;66(1):42–52. Russian. DOI: 10.29235/1029-8940-2021-66-1-42-52.
  19. Naznin MT, Lefsrud M, Gravel V, Azad MOK. Blue light added with red LEDs еnhance growth characteristics, pigments content, and antioxidant capacity in lettuce, spinach, kale, basil, and sweet pepper in a controlled environment. Plants. 2019;8(4):93. DOI: 10.3390/plants8040093.
  20. Rodriguez-Amaya DB, Kimura M. HarvestPlus handbook for carotenoid analysis. Washington: HarvestPlus; 2004. 58 p. (HarvestPlus technical monograph; 2).
  21. Shlyk AA. [Determination of chlorophyll and carotenoids in extracts of green leaves]. In: Pavlinova OA, editor. Biokhimicheskie metody v fiziologii rastenii [Biochemical methods in plant physiology]. Moscow: Nauka; 1971. p. 154–170. Russian.
  22. Krause GH, Weis E. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1991;42:313–349. DOI: 10.1146/annurev.pp.42.060191.001525.
  23. Kramer DM, Johnson G, Kiirats O, Edwards GE. New fluorescence parameters for the determination of QA redox state and excitation energy fluxes. Photosynthesis Research. 2004;79(2):209–218. DOI: 10.1023/B:PRES.0000015391.99477.0d.
  24. Makarenko MS, Kozel NV, Usatov AV, Gorbachenko OF, Averina NG. A state of PSI and PSII photochemistry of sunflowеr yellow-green plastome mutant. Online Journal of Biological Sciences. 2016;16(4):193–198. DOI: 10.3844/ojbsci.2016.193.198.
  25. Klughammer C, Schreiber U. An improved method, using saturating light pulses, for the determination of photosystem I quantum yield via P700+-absorbance changes at 830 nm. Planta. 1994;192(2):261–268. DOI: 10.1007/BF01089043.
  26. Maslova TG, Markovskaya EF. [Modern ideas about the functioning of the violaxanthin cycle (development of D. I. Sapozhnikov’s ideas)]. Fiziologiya rastenii. 2012;59(3):472–480. Russian.
  27. Gilmore AM, Yamamoto HY. Resolution of lutein and zeaxanthin using a non-endcapped, lightly carbon-loaded C18 high-performance liquid chromatographic column. Journal of Chromatography A. 1991;543:137–145. DOI: 10.1016/S0021-9673(01)95762-0.
  28. Goltsev VN, Kalaji HM, Paunov M, Baba V, Khorachek T, Moiski Ya, et al. [The use of variable chlorophyll fluorescence to assess the physiological state of the photosynthetic apparatus of plants]. Fiziologiya rastenii. 2016;63(6):881–907. Russian. DOI: 10.7868/S0015330316050055.
  29. Petsas A, Grammatikopoulos G. Drought resistance and recovery of photosystem II activity in a Mediterranean semi-deciduous shrub at the seedling stage. Photosynthetica. 2009;47(2):284–292. DOI: 10.1007/s11099-009-0044-1.
  30. Dietzel L, Bräutigam K, Pfannschmidt T. Photosynthetic acclimation: state transitions and adjustment of photosystem stoichiometry – functional relationships between short-term and long-term light quality acclimation in plants. The FEBS Journal. 2008;275(6):1080–1088. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2008.06264.x.
  31. Huang Wei, Zhang Shi-Bao, Cao Kun-Fang. Stimulation of cyclic electron flow during recovery after chilling-induced photoinhibition of PSII. Plant and Cell Physiology. 2010;51(11):1922–1928. DOI: 10.1093/pcp/pcq144.
  32. Wang D, Dawadi B, Qu J, Ye J. Light-engineering technology for enhancing plant disease resistance. Frontiers in Plant Science. 2022;12:805614. DOI: 10.3389/fpls.2021.805614.
Опубликован
2022-11-15
Ключевые слова: хлорофилл, каротиноиды, фотосистема I, фотосистема II, свет разной интенсивности, красный свет, дальний красный свет, Cucumis sativus, Fusarium oxysporum sp.
Как цитировать
Кабашникова, Л. Ф., Доманская, И. Н., Пашкевич, Л. В., Дремук, И. А., Мартысюк, А. В., & Молчан, О. В. (2022). Влияние интенсивности света и его спектрального состава на фотосинтетическую активность огурца Cucumis sativus при фузариозном заражении. Экспериментальная биология и биотехнология, 3, 39-52. https://doi.org/10.33581/2957-5060-2022-3-39-52
Выпуск
№ 3 (2022): Экспериментальная биология и биотехнология
Раздел
Клеточная биология и физиология

Copyright (c) 2022 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).