Главная Обратная связь

Дисциплины:






Общие представления о фотосинтетических пигментах водорослей



 

Хлорофилл «а» - сложный эфир хлорофиллина (дикарбоновой кислоты), одна карбоксильная группа которой этерифицирована остатком метилового спирта, другая – остатком фитола (высокомолекулярного спирта). Эмпирическая формула хлорофилла «а» - С55Н72О5N4Mg, молекулярная масса 893. Хлорофилл «b» отличается от хлорофилла «а» тем, что метильная группа (-СН3) при С3 атоме углерода в пирольном кольце II заменена на альдегидную группу (-СНО). Эмпирическая формула хлорофилла «b» - С55Н70О6N4Mg, молекулярная масса 907. Хлорофилл «с» в отличие от хлорофиллов «а» и «b» не имеет остатка фитола, пирольное кольцо IV не восстановлено. Эмпирическая формула хлорофилла «с» - С34Н30О4N4Mg, молекулярная масса 579.

В растворенном состоянии все хлорофиллы показывают флуоресценцию в красной области спектра. In vivo флуоресцируют только молекулы хлорофилла «а» в составе хлорофилл-белкового комплекса фотосистемы 2 и светособирающего хлорофилл a/b белкового комплекса.

Отношения хлорофиллов «a»/«b» у различных растений были определены у многих растений еще в начале 20 века были определены Любименко, Вильштеттером и Штолем, Зейбольдом и Эгле (по Рабинович, 1951).

Содержание хлорофилла является важным показателем физиологического состояния растений. Во многих случаях хлорофилл определяет фотосинтетический потенциал и первичную продукцию отдельного растительного организма фитоценоза. Косвенно хлорофилл связан с условиями минерального питания, реагируя на дефицит азота, магния и железа. Известно также отрицательное влияние на содержание хлорофилла вредных факторов окружающей среды (Brzezinska, 2006).

Содержание хлорофилла по отношению к площади анализируемой поверхности применяют в исследованиях фитоперифитона. Перифитон малых рек Кольского полуострова, сформированный видами с нитчатой структурой таллома (Ulothrix zonata, Bulbochaete sp., Oedogonium sp., Spirogyra sp., Zygnema sp., Mougeotia sp.), характеризовался следующими значениями содержания хлорофилла: минимальное – 0,1 мкг/см2, максимальное 92 мкг/см2, средние значения изменялись от 2,8 до 8.8 мкг/см2 (Кумулайнен и др., 2009). Перифитон р. Енисей ниже г. Красноярск, в составе которого доминировали диатомовые и зеленые водоросли, содержал до 50 мкг хлорофилла «а» на 1 см2 На искусственном субстрате показатель достигал величин 150 – 200 мг/м2 (Saravia, 1999).

Учитывая различные способы выражения содержания хлорофилла на единицу площади, имеет смысл привести основные соответствия: 1 мкг/см2 = 0,1 мг/дм2; 1 мкг/см2=10 мг/м2; 1 мг/дм2 = 100 мг/м2.

Способом выражения содержания хлорофилла в тканях растений также является отношение массы пигмента к сырой или сухой массе растительного материала. В первом случае для листьев можно встретить следующие величины: 2,52 мг хлорофилла на 1 г сырой массы (Glycine max), 1,39 (Ipomoea batatas), 1,23 (Brassica oleracea), 2,88 (Hordeum vulgare), 2,57 (Phragmites communis), 5,7 (Miscanthus sacchariflorus) (Masami Monsi, 2005). Во время превращения хлоропластов в хромопласты у Lilium petals концентрация хлорофилла снижалась от 0,1 до 0,02 мг/г сырой массы (Juneau, 2002). Во втором – содержание хлорофилла на грамм сухой массы составляло: 6,2 и 7,4 мг/г в листьях морошки (Rubus Chamaemorus) (Назаров, 1978). 8,9 мг/г сухой массы в листьях рогоза узколистного (Typha angusolia) (Ратушняк и др., 2008).



От содержания хлорофилла в мг на грамм сырой массы легко перейти к процентному содержанию: 1 мг хлорофилла/г сырой массы соответствует 0,1%. Содержание хлорофилла «а» в природных водах связно с развитием прокариотических и эукариотических водорослей. Обычными единицами оценки концентрации хлорофилла в этом случае служат мкг/л и мг/м3. Варьирование показателя в широких пределах от 0,1 мкг/л до 200 мкг/л и более позволяет судить о состоянии водных экосистем, трофическом статусе водоема и качестве воды (Китаев, 1984; Оксиюк, 1993).

В гидробиологии содержание хлорофилла «а» (Схл) часто используют как показатель биомассы (В) водорослей. Для этого необходимо знать величину отношения β=Схл/В. Многочисленные исследования демонстрируют изменчивость этого показателя. В работе (Апонасенко, 2007) указан интервал изменения величины β от 0,1 до 9,7%. Средние значения β для реки Енисей составляли 1,33%, для Красноярского водохранилища – 0,54%. Отношение хлорофилл/биомасса в перифитоне составляло от 0,18 до 0,49% (Кумулайнен и др., 2009). По оценке В.В. Бульона (Бульон, 1983), сделанной на основе большого количества измерений, среднее значение β равно 0,2%, или хлорофилл «а» составляет 1/500 часть от сырой биомассы клеток водорослей. Эту величину используют в расчетах, когда собственная оценка величины β не проводилась.

По химическому составу каротиноиды относятся к полиизопреноидам, состоящих, как правило, из 40 атомов углерода (5 атомов углерода входит в состав изопрена, 8 молекул изопрена образуют основу углеродного скелета молекулы). У многих желтых пигментов полиизопреноидная структура заканчивается иононовыми кольцами различных типов. Центральная часть молекулы состоит из 18 атомов углерода, образующих коньюгированную систему двойных связей, которая и определяет основные спектральные свойства каротиноидов. Каротиноиды – жирорастворимые пигменты. Для их извлечения из клетки используют как полярные (этиловый эфир, этиловый спирт, ацетон), так и неполярные (бензин, петролейный эфир) растворители.

Каротиноиды, не содержащие в своем составе атомов кислорода, представлены каротинами, среди которых в зеленых листьях большая доля приходится на β-каротин. Каротиноиды, в молекулы которых включен кислород, получили название ксантофиллы. Среди них наиболее распространены лютеин, виолоксантин, зеаксантин и неоксантин.

В присутствии молекулярного кислорода происходят химические превращения каротиноидов, вызванные появлением гидроксильных и эпоксидных групп. Так ксантофилл антероксантин при 50°C в присутствии О2 за 24 часа частично окислялся в диэпоксид виолоксантин. Превращения происходят и в кислой среде, например, 5,6-эпоксиды (неоксантин и виолоксантин) становятся 5,8-эпоксидами. Эти изменения в структуре молекул желтых пигментов влияют на их спектральные свойства.

Фикобилины представляют группу вспомогательных пигментов, распространенных у синезеленых, криптофитовых и красных водорослей. Тетрапирольная структура хромофора в отличие от хлорофиллов не образует кольца и не содержит атома металла. У синезеленых водорослей фикобилины соединяются с белком, образуя надмолекулярные структуры фикобилисомы. Три основных представителя фикобилинов – фикоэритрин, фикоцианин (окисленный фикоэритрин) и аллофикоцианин поглощают свет в зеленой и желтой (540 – 570 нм), оранжевой и красной (615 – 650 нм) областях спектра, показывают собственную флуоресценцию и осуществляют процесс передачи хлорофиллу «а» и. Фикобилины выделяют из разрушенных клеток водную среду в составе пигмент белковых комплексов. Структурная формула фикоэритробилина и спектры поглощения фикобилинов в фосфатном буфере (рН 7,5) показаны на рисунке 3.

Растворы аллофикоцианина и фикоцианина окрашены в голубой цвет. Максимум поглощения аллофикоцианина 650 нм, максимум флуоресценции 660 нм. Соответствующие показатели у фикоцианина – 620 нм и 640 нм. Раствор фикоэритрина имеет красную окраску. Существует несколько спектральных форм фикоэритрина. Одна из распространенных «красных» форм – R-фикоэритрин имеет максимумы поглощения при 498, 545 и 565 нм, максимум флуоресценции при 575 нм. Фикобилипротеиды в водном экстракте обладают флуоресценцией в оранжевой и красной областях спектра. In vivo регистрируют флуоресценцию аллофикоцианина в красной части спектра.

Содержание фикобилинов в сухой биомассе красной водоросли Ceramium rubrum изменялось от 0,9% летом до 1,9% зимой. Доля фикоэритрина при этом составляла 0,33 и 0,25 соответственно. Отношение фикоэритрина к хлорофиллу у красных водорослей, по данным Любименко (цит. по Рабинович, 1951), увеличивалось от 0,06 до 0,66 с ростом глубины обитания. У синезеленой водоросли Anacystis nidulans фикоэритрин присутствовал в следовых количествах, а отношение фикоцианин/хлорофилл составляло 0,57, аллофикоцианин/хлорофилл – 0,097 (Kursar, 1983).

Методы, применяемые для определения содержания пигментов в растениях, делят на те, которые требуют экстракции, и те, которые не требуют экстракции пигментов. К первым относятся фотоколориметрия, спектрофотометрия, флуориметрия и хроматография, ко вторым – флуориметрия, спектроскопия проходящего и отраженного света, обработка изображения, полученного с помощью цифровой фотокамеры.

 

Флуоресцентная оценка таксономической структуры фитопланктона

 

Качественный состав пигментов в клетках фотосинтетиков закреплен генетически и связан с их филогенией (Wilhelm C., Kramer P., Wiedemann I., 1987). Из анализа этих различий можно заключить, что наиболее значимых параметры в спектре действия флуоресценции хлорофилла а связаны шестью группами фитопланктона, содержащими в составе клеток хлорофиллы а и в (Prochlorophyta, Chlorophyta, Euglenophyta), содержащими хлорофиллы а и с (Raphydophyta, Xanthophyta), содержащими хлорофиллы а, с и каротиноид фукоксантин (Bacillariophyta, Dinophyta, Chrysophyta), содержащими хлорофиллы а, с и фикобилины (Cryptophyta), содержащими хлорофиллы а, d и фикобилины (Rhodophyta), содержащими только хлорофилл а и фикобилины (Cyanophyta, Rhodophyta). Гетерогенность состава желтых пигментов в силу близости спектров поглощения вряд ли будет полезной при идентификации спектров действия флуоресценции хлорофилла а.

Из представленных пигментов только хлорофилла а и фикобилины способны флуоресцировать in vivo. Хлорофиллы в и с флуоресцируют в органических растворителях, но не флуоресцируют в составе пигмент белковых комплексов. Причина этого – практически 100% эффективность передачи поглощенной энергии от молекул хлорофилла в и с молекулам хлорофилла а. Желтые пигменты не способны к флуоресценции в силу своего химического строения. Фикобилины флуоресцируют в растворе и в составе пигмент белковых комплексов живых клеток. Эффективность передачи поглощенной ими световой энергии на хлорофилл а высока, но все же не достигает 100%, как в случае с хлорофиллами в и с. Спектры флуоресценции хлорофилла а и фикоцианина в составе цианобактерии Oscillatoria показаны на рис.2. Максимум флуоресценции хлорофилла а (686 нм) в равной степени выражен при возбуждении светом 420 и 578 нм. Флуоресценция фикоцианина отсутствует при возбуждении светом 420 нм и имеет максимум при 665 нм, когда длина волны возбуждающего света составляет 578 нм. Спектры флуоресценции фикоцианина и хлорофилла а значительно перекрываются. Поэтому при возбуждении синим светом флуоресценция цианобактерий и криптофитовых водорослей в диапазоне длин волн >680 нм обусловлена одним хлорофиллом а, тогда как при возбуждении зеленым и желтым светом – хлорофиллом а и фикоцианином.

До настоящего времени не известны попытки использовать генетически закрепленные различия фотосинтетических пигментов для флуоресцентного разделения сообщества фитопланктона на шесть перечисленных выше групп.

Yentsch C.S. и Phinney D.A. одними из первых предложили использовать различия в спектре действия флуоресценции для изучения таксономической неоднородности полей фитопланктона (Yentsch, Phinney, 1985). В качестве основного показателя было взято отношение сигналов флуоресценции, обозначенное САР от «chlorophyll accessory pigment»), у микроводорослей в области 685 нм при возбуждении двумя спектральными полосами - 530 и 450 нм

По величине САР, изменявшегося от 0.1 до 0.9, можно было отличить зеленые одноклеточные водоросли от диатомовых и динофлагелят. Однако промежуточные значения 0.3-0.4 могли возникнуть при наличии в пробах как золотистых водорослей так и смеси зеленых и диатомовых. Также в работе не предлагалось использовать величину САР для количественной оценки соотношения двух таксономических групп водорослей.

Практически одновременно появилась работа (Гольд, Гаевский, Шатров, Попельницкий, Рыбцов, 1986) в которой была показана возможность флуоресцентного определения содержания хлорофилла а в клетках водорослей, принадлежащих трем экологически значимым для внутренних водоемов отделам (Cyanophyta, Bacillariophyta, Chlorophyta). Метод удовлетворительно работал как в смесях лабораторных культур водорослей, так и в природных сообществах фитопланктона.


 





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...