CC BY
68
2011
Известия ТИНРО
Том 166
УДК 582.26-117.511:582.273(265.54)
A.O. Кравченко1, Е.С. Белоциценко2, И.М. Яковлева2, A.O. Барабанова3, И.М. Ермак3*
1 Институт химии и прикладной экологии Дальневосточного федерального университета, 690091, г. Владивосток, ул. Октябрьская, 27;
2 Институт биологии моря им. А.В. Жирмунского ДВО РАН,
690041, г. Владивосток, ул. Пальчевского, 17;
3 Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН,
690022, г. Владивосток, просп. 100-летия Владивостока, 159
СЕЗОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИХ ПИГМЕНТОВ У КРАСНОЙ ВОДОРОСЛИ AHNFELTIOPSIS FLABELLIFORMIS ЯПОНСКОГО МОРЯ
Изучена сезонная динамика содержания фотосинтетических пигментов: хлорофилла а (Хл а), каротиноидов (Кар), фикобилипротеинов (фикоэритрина (ФЭ), фикоцианина (ФЦ) и аллофикоцианина), — и их соотношений у прикрепленной формы дальневосточной красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis из Амурского залива Японского моря. В течение года повышенное содержание фотосинтетических пигментов было отмечено зимой, а также поздней весной и в первую половину лета. Снижение содержания фикобилипротеинов и каротиноидов до минимальных годовых значений наблюдали в апреле, после схода льда, и в июле-сентябре. В эти периоды также были отмечены достоверные изменения в соотношениях ФЭ/ФЦ, ФЭ/Хл а и Кар/Хл а. Сезонные перестройки в пигментном комплексе A. flabelliformis обсуждаются с точки зрения регуляции экологическими факторами среды.
Ключевые слова: Ahnfeltiopsis flabelliformis, фикобилипротеины, кароти-ноиды, перекисное окисление липидов, солнечная радиация, температура воды.
Kravchenko A.O., Belotsitsenko Е-S., Yakovleva I.M., Barabanova A.O., Yermak I.M. Seasonal changes of photosynthetic pigments content in red alga Ahnfeltiopsis flabelliformis from the Japan Sea // Izv. TINRO. — 2011. — Vol. 166. — P. 138-148.
Seasonal dynamics of photosynthetic pigments: chlorophyll a (Chl a), carotenoids (Car), and phycobiliproteins as phycoerythrin (PE), phycocyanin (PC) and allophycocianin is considered for the attached form of red alga Ahnfeltriopsis flabelliformis from the Amur Bay, the Japan Sea. Additionally, the content of
* Кравченко Анна Олеговна, студентка, e-mail: kravchenko_25.89@mail.ru; Белоциценко Елена Сергеевна, аспирант, младший научный сотрудник, e-mail: belotsitsenko_es@mail.ru; Яковлева Ирина Михайловна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, e-mail: yakovleva72@mail.ru; Барабанова Анна Олеговна, кандидат химических наук, научный сотрудник, e-mail: anuta@piboc.dvo.ru; Ермак Ирина Михайловна, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: iren@piboc.dvo.ru.
malondialdehyde (MDA) is assesed, as a measure of lipid peroxidation, to detect the signs of oxidative stress on the algae in vegetative period. This species is widely distributed in the Far-Eastern Seas and is one of potential sources of unique sulfated polysaccharides and phycobilin pigments. The samples were collected monthly, from February to December, 2009. Concentration of all pigments varied significantly in the course of year and correlated negatively with solar radiation. Besides, Car concentration depended significantly on water temperature. The highest total content of pigments was observed in the ice-cover period and in the late spring and early summer that indicated high efficiency of light-harvesting complex system that may allow this species to maintain a stable level of photosynthetic production. Phycobiliproteins and carotenoids concentrations decreased in April after the ice melting and in July-September, on the peak of irradiance. The ratios PE/PC, PE/Chl a, and Car/Chl a had changed, as well. Spring and summer decreasing of pigments concentration coincided with a drastic increase of MDA content in algal thalli that suggested photoinhibitory damage and generation of reactive oxygen forms by the photosystem II. This photoinactivation of algal pigment complex could reduce the photosynthetic production of A. flabelliformis and its growth rate. Seasonal modifications in pigment complex of A. flabelliformis are discussed in terms of their regulation by environmental factors.
Key words: Ahnfeltiopsis flabelliformis, phycobiliprotein, carotenoid, lipid peroxidation, photosynthesis.
Введение
Красные водоросли из рода Ahnfeltiopsis (прежнее название Gymnogongrus) широко распространены в морях умеренных и тропических широт и являются источником необычных по структуре и физико-химическим свойствам полисахаридов, которые содержат агар и каррагинан одновременно (Estevez et al., 2001; Kim et al., 2007). В дальневосточных морях России представитель этого рода, Ahnfeltiopsis flabelliformis, образует популяции, представленные прикрепленной и неприкрепленной формами. Прикрепленная форма A. flabelliformis вегети-рует круглый год в нижней литорали и верхне-сублиторальной зоне, часто формируя мозаичные сообщества (Перестенко, 1994). В связи с хозяйственной важностью и потенциальными возможностями использования этого вида как сырья для получения сульфатированных полисахаридов (Chapman, Chapman, 1980) и фикобилиновых пигментов-красителей (Лось, 2008) исследования продукционной физиологии прикрепленного A. flabelliformis и его устойчивости к неблагоприятным условиям среды являются актуальными.
Известно, что интенсивность и направленность ассимиляционных процессов у морских красных водорослей во многом определяются количеством и соотношением пигментов их светособирающего комплекса (Титлянов, 1983). Адаптивные перестройки последнего в ответ на сезонные изменения факторов внешней среды (освещение, температура и концентрация биогенных элементов в воде и т.д.) способствуют поддержанию у водорослей высокого уровня первичной продукции в течение года (Титлянов и др., 1993; Duarte, Ferreira, 1995; Aguilera et al., 2002). Поэтому изучение сезонных изменений содержания и соотношения пигментов является одним из путей определения факторов и механизмов, регулирующих продуктивность водорослевых сообществ в течение их вегетационного цикла. К сожалению, сведения о пигментном составе и адаптационных возможностях светособирающего комплекса анфельтиопсиса немногочисленны (Beach, Smith, 1996) и отсутствуют для представителей умеренных широт.
Цель настоящей работы — охарактеризовать сезонную динамику содержания фотосинтетических пигментов у прикрепленной формы Ahnfeltiopsis flabelliformis Японского моря как показателя функционального состояния этого вида в течение года. Дополнительно была проведена сезонная оценка уровня перекисного окисления липидов в качестве индикатора окислительного стресса в талломах водорослей.
Материалы и методы
Количественные определения пигментов и оценку уровня перекисного окисления липидов проводили ежемесячно с февраля по декабрь 2009 г. у прикрепленной формы красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis (Harv.) Masuda, обитающей в Амурском заливе у мыса Красного (Японское море). В данном районе A. flabelliformis входит в состав мозаичного сообщества макрофитов, где формирует отдельные куртинки площадью не более 0,1 м2, в которых проективное покрытие дна анфельтиопсисом составляет 70-80 %.
Для анализов из популяции A. flabelliformis отбирали представленные репродуктивной формой (карпоспорофитом) незатененные сеголетние растения, растущие на верхней части валунов, на глубине 2 м. Использовали средние по величине и не имеющие внешних повреждений талломы, у которых доля прироста верхушечной части не превышала 5 % общей биомассы растения. Водоросли очищали от эпифитов, взвешивали, фиксировали в жидком азоте и хранили при температуре минус 80 оС в течение 2-3 дней до начала анализа. В каждую пробу материала, взятого для анализа, отбирали 1-2 растения. На рисунках представлены средние значения анализов из 4 проб.
Для определения содержания хлорофилла а и каротиноидов фиксированные в жидком азоте водоросли растирали в холодном 90 %-ном ацетоне при добавлении гидрокарбоната и сульфата натрия для нейтрализации клеточного сока. Полученные экстракты центрифугировали при 8000 об/мин в течение 10 мин при 4 оС. Спектры поглощения (400-800 нм) экстрактов регистрировали на спектрофотометре UV-2101 PS (Shimadzu, Japan). Концентрации хлорофилла а и каротиноидов рассчитывали по формулам, предложенным Эвансом (Evans, 1988). Содержание пигментов выражали в миллиграммах на грамм сухой массы водоросли.
Для определения содержания фикобилипротеинов фиксированные в жидком азоте водоросли растирали со стеклянным песком в холодном фосфатном буфере (0,1М, pH 6,5) и центрифугировали при 5000 об/мин в течение 15 мин при 4 оС. Спектры поглощения экстрактов регистрировали спектрофотометри-чески. Концентрации фикобилинов рассчитывали, как описано у Розенберга (Rosenberg, 1981). Содержание пигментов выражали в миллиграммах на грамм сухой массы водоросли.
Об интенсивности перекисного окисления липидов судили по уровню малонового диальдегида (МДА) в соответствии с методикой Хиса и Паркера (Heath, Packer, 1968). Абсорбцию супернатанта измеряли при 532 нм. При расчете концентрации МДА использовали коэффициент экстинкции 155 мМ-1 см-1. Содержание МДА выражали в микромоллях на грамм сырой массы водоросли.
Температуру и соленость воды, а также интенсивность и количество фото-синтетически активной радиации (ФАР) в месте обитания A. flabelliformis (Амурский залив, мыс Красный, Японское море) регистрировали ежемесячно в период с февраля по декабрь 2009 г. Температуру воды измеряли ртутным термометром, соленость — солемер-рефрактометром «Атаго». Интервал между измерениями температуры воды и солености составлял 3-5 дней. Интенсивность ФАР, проникающей в толщу воды на месте отбора биологического материала, измеряли квантовым фотометром LI-COR 189, оснащенным 2D подводным датчиком UWQ, LI-COR 7254 (Biospherical Instruments Inc. Сан-Диего, США). В течение исследуемого периода интенсивности ФАР регистрировали каждые 3-5 дней. Измерения проводили с 8:00 до 20:00, интервал между измерениями составлял 30 мин. Полученные за сутки данные интегрировали и рассчитывали дневную дозу падающей на воду радиации. В течение каждого месяца вели учет пасмурных и солнечных дней. На основании полученных за каждый месяц данных рассчитывали среднесуточные интенсивность и дозы ФАР, полученные в течение каждого месяца, а также суммарную месячную дозу ФАР.
Для оценки статистических различий в содержании фотосинтетических пигментов и МДА в течение года полученные данные подвергали дисперсионному анализу (ANOVA) с последующим использованием многорангового LSD-теста. Представленные значения соответствуют средним и их стандартным отклонениям (SD); различия считали достоверными при P < 0,05. Для выявления взаимосвязи между содержанием пигментов, МДА и факторами среды в течение исследуемого периода использовали непараметрический тест по Спирмену (Spearman Rank тест). Взаимосвязь считали достоверной при P < 0,05.
Результаты и их обсуждение
Сезонные изменения основных факторов среды в месте обитания исследованной водоросли A. flabelliformis представлены в табл. 1. Максимальная температура воды в течение исследуемого периода была зарегистрирована в августе, а минимальная — в зимние месяцы. Максимальные среднесуточные интенсивности ФАР, достигающие поверхности талломов водоросли, были отмечены в апреле, а также в период с июля по сентябрь. Максимальные величины суммарной радиации наблюдали в летний период. Подобные тенденции, вероятно, связаны с увеличением солнечной активности и таяньем льда в весенний период, а также с повышением прозрачности атмосферного воздуха и завершением во второй половине лета периода высокой повторяемости пасмурных и дождливых дней, характерного для Дальневосточного региона с мая по первую декаду июля. Соленость в месте произрастания A. flabelliformis в течение исследуемого периода изменялась незначительно и составляла в среднем 32-33 %о.
На протяжении всего периода исследования доминирующим видом в ряду фикобилиновых пигментов у Ahnfeltiopsis был фикоэритрин, его содержание колебалось от 55 до 70 % в зависимости от сезона (рис. 1, А). Доля аллофикоциа-нина была несколько ниже и составляла 20-35 % суммы красных пигментов (рис. 1, Б). Последнее место по значимости принадлежало фикоцианину, доля которого не превышала 15 % (рис. 1, В). Размах вариаций абсолютного содержания фикобилипротеинов (рис. 1), хлорофилла а (рис. 2, А) и каротиноидов (рис. 2, Б) в талломах A. flabelliformis в разные сезоны года не отличался от такового у родственного ему тропического вида Ahnfeltiopsis concinna (Beach, Smith, 1996). Однако количество аллофикоцианина у A. concinna (Beach, Smith, 1996) было на порядок ниже, чем у дальневосточного A. flabelliformis (см. рис. 1, Б) независимо от сезона сбора последнего. В целом пределы варьирования фотосинтетических пигментов A. flabelliformis в течение года находились в диапазоне, отмеченном ранее у красных водорослей Японского моря (Ли, Титлянов, 1978; Титлянов и др., 1993).
В течение вегетационного периода A. flabelliformis максимальное содержание фикобилипротеинов было отмечено нами для образцов, собранных в мае-июне (рис. 1). Повышение содержания хлорофилла а и каротиноидов до максимальных годовых значений наблюдали в период с декабря до начала апреля и в июне (см. рис. 2, А, Б). Увеличение количества пигментов в зимний и ранневе-сенний период, а также с мая по июнь связано, по всей вероятности, с резким снижением интенсивности света подо льдом зимой или в период высокой повторяемости пасмурных дней поздней весной и в первую половину лета (табл. 1). Аналогичные данные были получены ранее для красных водорослей черноморского побережья (Муравьева, 2006; Цымбал, Заиченко, 2010). Подобная реакция пигментного аппарата морских растений относится к разряду адаптивных в ответ на понижение интенсивности света (Титлянов, 1983). Однако не исключено, что повышенное содержание каротиноидов у A. flabelliformis в холодное время года (рис. 2, Б) является приспособлением не только к низкой интенсивности света, но и к пониженной температуре воды (табл. 1, 2). Накопление каротино-идов, участвующих в защите фотосинтетического аппарата от фотоокисления,
Таблица 1
Среднемесячные значения температуры воды (Т, °С) и солености (S, %о), а также средние, максимальные и минимальные значения суточных максимумов и суточных интегралов фотосинтетически активной радиации (ФАР, 400-700 нм), проникающей в толщу воды на месте сбора A. flabelliformis в Амурском заливе (Японское море) с февраля по декабрь 2009 г.
Table 1
Mean month water temperature (T, °C), salinity (S, %o) and mean, maximal and minimal values of daily maxima and daily integrals of photosynthetically active radiation (ФАР, 400-700 nm) penetrated through water column at the site of A. flabelliformis sampling
for February-December, 2009
Месяц Т S Суточный максимум мкмоль м-2 с-1 Среднее Мах ФАР, Min Суточная доза ФАР, моль м~2 сут~' Среднее Max Min Суммарная доза ФАР моль м~2 мес~'
Февраль (01-25.02)* -1,0 ± 0,5 32,2 ± 0,3 151,6 210,9 25,6 2,02 2,86 0,23 50,42
Март (26.02-25.03)* 1,1 ± 1,2 32,4 ± 0,1 208,9 317,2 41,6 4,53 7,25 0,32 126,89
Апрель (26.03-07.04)* 2,8 ± 0,3 33,1 ± 0,1 167,5 320,9 71,5 3,33 7,54 0,69 43,28
Апрель (08-24.04) 5,5 ± 1,3 32,4 ± 0,2 880,1 1077,1 240,1 21,34 31,40 2,89 362,79
Май (25.04-26.05) 7,6 ± 1,6 32,4 ± 0,1 401,2 1048,1 246,2 10,75 37,16 4,42 333,35
Июнь (27.05-25.06) 11,6 ± 0,9 32,3 ± 0,3 386,3 1031,4 361,5 7,21 36,69 6,19 216,32
Июль (26.06-25.07) 18,1 ± 1,8 32,0 ± 0,2 585,8 957,1 214,4 14,44 38,12 4,29 433,07
Август (26.07-25.08) 22,7 ± 1,6 33,1 ± 0,1 750,4 1000,1 355,2 19,47 29,91 4,55 622,99
Сентябрь (26.08-28.09) 20,6 ± 1,7 32,4 ± 0,2 534,7 934,4 239,7 17,24 23,49 2,24 586,09
Октябрь (29.09-28.10) 13,6 ± 2,8 32,3 ± 0,3 459,5 738,5 180,4 7,25 9,60 0,77 217,42
Ноябрь (29.10-25.11) 2,8 ± 0,4 33,7 ± 0,8 285,9 528,7 43,0 3,88 5,83 0,36 108,56
Декабрь (26.11-04.12) 1,3 ± 1,4 33,0 ± 0,0 254,2 372,5 17,7 0,78 2,42 0,11 22,53
Декабрь (05-24.12)* 104,7 199,9 9,5 0,72 0,04
* Наблюдался ледовый покров.
я tr X w о
in
о
43
о о
fcl fD
я=
о
H 43 fcl »OS
N ^43 a> f-in
Я fci
o\
fcl
5 g ^
S » я ж a>
^ fD
R
^ >-i
чз s
о л
w ж
я о
fD <Т>
Sso Я
я 5
о ф
0 2
s S
1 (Ь
О СО
s ь • ь н о м g о\ S ь X
Ю Cd О ' in
* § я £
К in
in О О
н о
л v; в и " а га
О ~ 43
>> W Я
hri ° » "43 а
s V,
fD
о п
ь я w
Ж О
н о
О in Ш fD 43
О
Я я § С а
'—4 ж
» <в
OV ^
ь ж • о
К- Я"
О w
н in S Я
S w
fD fi Я s
W я
о ш
Н fD
Cd из
Я 1-1
5 »
ь
w я
сг о
о F
я= я
о о я ь я
О 43
о о
W Ш
fD ftj
£ 5
X со
Ш 43 О О in Я= о
43 О О
Ь Я
о о
in Е
О 2 43 ш я Я о
□
fD 43 Я
9 in
н я
fD
Ь X сг о
я й
Е g
Я= fD Я
я а
ш
43 Ш
я е 9 х
^ со
" Я Ю W
- Л
>я >__1 я
3 5
о S
I fD
о
О О
43
н я о
fD
Н -1
Й ° о
^ Cd 2
" £ ^
^^ к
Я 43
Л о О
fD Cd W Я
О о
^ о
s о
fD '
я
Е ю t-i °
fD | ^ о
Н
о а
3 43
fD
^^
Е Г* S
о
й
СО
ftj Сй
43
Ь О Cd Я
я
fD
D3
43 43
w я н с
43 Н
S 43
Ь fD
9 ь о а
fD " Я
, W
Cd
н О 43 О
я= □
о
д К- о
Я СО Й
s зе ?
оо я Я "—' s
я=
«Л ^ К я Г*
со Я 0
Й S
s § а
ой» н w г
ю ^ g ООм 2 о «
w ^43 fD о
s з w - о
1-13=1 О о
&> 43
43
5» »
й Я
о fD
43 ф п
w in
я ь
х а
Дата (число/месяц)
Рис. 1. Сезонная динамика содержания фикобилипротеинов в талломах красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis из Японского моря: А — фикоэритрин (ФЭ); Б — аллофикоцианин (АФЦ); В — фикоцианин (ФЦ)
Fig. 1. Seasonal dynamics of phycobilip-rotein content in thalli of Ahnfeltiopsis flabelliformis from the Japan Sea: A — phycoeryth-rin; Б — allophycocyanin; В — phycocyanin
Дата (число/месяц)
Рис. 2. Сезонная динамика содержания хлорофилла а (А, Хл а), каротиноидов (Б, Кар) и отношения каротиноидов к хлорофиллу а (В, Кар/Хл а) в талломах красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis из Японского моря
Fig. 2. Seasonal dynamics of chlorophyll a (A), carotenoids (Б) and their ratio (В) in thalli of Ahnfeltiopsis flabelliformis from the Japan Sea
Таблица 2
Значения коэффициента корреляции Спирмена, характеризующего связь между содержанием фотосинтетических пигментов и малонового диальдегида (МДА) у Ahnfeltiopsis flabelliformis и факторами среды в период с февраля по декабрь 2009 г.
Table 2
Correlation coefficients of Spearman rank test as measures of photosynthetic pigments and malondialdehyde (МДА) content dependence on environmental factors for Ahnfeltiopsis flabelliformis in February-December, 2009
Пигмент Tемпература воды, оС ФАР Соленость
ФЭ 0,305 -0,539* -0,155
ФЦ -0,112 -0,799*** -0,070
АФЦ -0,150 -0,373* -0,236
Xл а -0,308 -0,601** 0,105
Кар -0,601*** -0,657*** -0,074
Кар^л а -0,507*** -0,428* -0,226
ФЭАл а 0,258 0,071 -0,192
ФЭ/ФЦ -0,569** 0,447** -0,134
MДA 0,165 0,542* 0,067
Примечание. ФЭ — фикоэритрин; ФЦ — фикоцианин; АФЦ — аллофикоцианин; Xл а — хлорофилл а; Кар — каротиноиды. Достоверные значения влияния факторов среды на содержание пигментов при P < 0,05 (*), < 0,01 (**) и < 0,001 (***) отмечены жирным шрифтом.
maria palmata и Devaleraea ramentacea при попадании макрофитов под воздействие высоких интенсивностей ФАР и ультрафиолетовой (УФ) радиации сразу после таянья льда (Aguilera et al., 2002). Снижение концентрации пигментов под действием высоких интенсивностей света в летний период также отмечали у некоторых зеленых (Ли, 1978; Bischof et al., 2002) и красных (Talarico, Kosovel, 1983; Sampath-Wiley et al., 2008) водорослей умеренных широт. Подобная реакция пигментного аппарата растений, с одной стороны, может носить адаптивный характер и быть направленной на зашиту реакционных центров и электронно-транспортной цепи от избытка падаюшего света (Falkowski, Raven, 1997), так как уменьшение светособираюшей антенны, несомненно, снижает поток энергии к реакционным центрам фотосистем. Tакие адаптивные перестройки происходят достаточно быстро и занимают от 4 до 6 дней ^итлянов, 1983; Яковлева, 1999). С другой стороны, действие высоких интенсивностей солнечной радиации, особенно УФ-Б, может оказывать повреждаюшее действие на пигментный комплекс водорослей, изменяя соотношения фотосинтетических пигментов или вызывая их обесцвечивание и повреждение мембранных липидов (см. обзор Franklin, Forster, 1997). Действительно, в периоды высокой освешенности в Амурском заливе (апрель и июль-сентябрь) у A. flabelliformis наблюдали активацию процессов пере-кисного окисления липидов (ПОЛ). Об этом свидетельствуют достоверное (LSD-тест, P < 0,05) повышение содержания MДA в его тканях в 1,5-2,0 раза (рис. 3), а также снижение отношения Kар/Xл а (см. рис. 2, В), которое является потенциальным биоиндикатором фотоокислительных повреждений в клетках растений при действии сильного света (см. обзор Hendry, Price, 1993). Отмечена положительная корреляция между ФАР и содержанием MДA в тканях водорослей и отрицательная корреляция между ФАР и соотношением Kар/Xл а (табл. 2). Tаким образом, апрельский и летний пики снижения концентрации фикоби-липротеинов, каротиноидов и хлорофилла а у A. flabelliformis являются, скорее всего, результатом фотоповреждения или ингибирования биосинтеза пигментов, что может вести к подавлению фотосинтетической активности водорослей и, как следствие, к снижению их нетто-продукции и торможению роста в эти периоды.
С наступлением периода пасмурной погоды в мае и снижением солнечной активности в октябре интенсивность и количество света, достигаюшего поверх-
Рис. 3. Сезонная динамика содержания малонового диальдегида (МДА) в талломах красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis из Японского моря
Fig. 3. Seasonal dynamics of malond-ialdehyde content in thalli of Ahnfeltiopsis flabelliformis from the Japan Sea
Дата (число/месяц)
ности талломов, резко уменьшались (см. табл. 1). Как следствие этого, уровень МДА в тканях A. flabelliformis падал (рис. 3), отражая минимизацию процессов ПОЛ. В это время водоросли также восстанавливали уровень пигментов до показателей, отмеченных в первую половину года, повышая (LSD-тест, Р < 0,05) сначала содержание фикобилипротеинов (см. рис. 1), а затем накапливая (LSD-тест, Р < 0,05) хлорофилл а и каротиноиды (см. рис. 2, А, Б).
Баланс между сбором фотонов и рассеиванием энергии в условиях меняющегося светового режима в течение года во многом зависит от соотношения пигментов в светособирающем комплексе красных водорослей. Наблюдаемое у A. flabelliformis повышение отношения ФЭ/Хл а (рис. 4, А) в периоды снижения солнечной активности (май-июнь и октябрь-ноябрь) рассматривается в литературе (Титлянов, 1983; Falkowski, Raven, 1997) как адаптивная реакция к условиям низкой освещенности, которая способствует рациональному использованию падающего света и повышению потенциальных фотосинтетических возможностей растений. Достоверное (LSD-тест, Р < 0,05) увеличение отношения ФЭ/ФЦ (рис. 4, Б, табл. 2) в периоды действия высоких интенсивностей света весной и летом, а также при понижении температуры воды до околонулевых значений зимой может свидетельствовать об аккумулировании на периферии фикобилисом анфельтиопсиса свободного фикоэритрина (Talarico, 1996). Близкие результаты были получены для Palmaria decipiens из Антарктики (Lüder et al., 2002) и для морских цианобактерий (Wyman et al., 1985). Известно, что свободный фикоэритрин не только обладает аккумулирующими азот свойствами (Algarra, Rüdiger, 1993), но и диссипирует значительную часть избыточной энергии в виде флюоресценции (Wyman et al., 1985), что способствует сохранению активности фотосистемы II в неблагоприятных условиях среды (Araoz, Häder, 1999).
Полученные нами результаты показывают, что изменения в светособираю-щем комплексе прикрепленной формы A. flabelliformis в течение года во многом регулируются сезонной динамикой светового и температурного режимов в месте обитания водоросли. Однако мы не исключаем существование и других факторов (например, наличие внутренних ритмов или влияние скорости ростовых процессов), определяющих характер изменений в содержании пигментов анфельтиоп-сиса в течение его вегетационного цикла. Ранее было показано, что в периоды
активного весеннего роста у макрофи-тов северных и умеренных широт происходит торможение биосинтеза пигментов, особенно в молодых частях талломов (Gomez et al., 1996; Евстигнеева, Нехорошев, 2008). По нашему мнению, ростовые процессы играют незначительную роль в наблюдаемой нами сезонной динамике фотосинтетических пигментов A. flabelliformis, так как у всех использованных нами для анализов водорослей доля активно растущей ткани от общей биомассы растения была примерно одинакова. Однако это утверждение требует дополнительных экспериментальных подтверждений.
Рис. 4. Сезонная динамика отношений фикоэритрина к хлорофиллу а (А, ФЭ/Хл а) и фикоэритрина к фикоциани-ну (Б, ФЭ/ФЦ) в талломах красной водоросли Ahnfeltiopsis flabelliformis из Японского моря
Fig. 4. Seasonal dynamics of the ratios phycoerythrin/chlorophyll a (A) and phycoerythrin/phycocyanin (Б) in thalli of Ahnfeltiopsis flabelliformis from the Japan Sea
Дата (число/месяц)
Заключение
В целом проведенные исследования показывают, что в течение вегетационного цикла прикрепленной формы A. flabelliformis концентрации и соотношения основных фотосинтетических пигментов этой водоросли изменяются в широком диапазоне, отражая адаптивные перестройки ее светособирающего комплекса в ответ на сезонные изменения светового и температурного режимов в месте обитания. Значительные концентрации пигментов зимой, в поздневесенний период и первую половину лета свидетельствуют о высокой эффективности работы свето-собирающей антенны A. flabelliformis, что, по-видимому, позволяет данному виду поддерживать стабильный уровень фотосинтетической продукции в эти периоды. Низкие концентрации в апреле и июле-сентябре являются результатом фотоповреждения, что может вести к подавлению фотосинтетической активности водорослей и, как следствие, к снижению их нетто-продукции и торможению роста.
Полученные нами данные интересны не только с точки зрения оценки функционального состояния прикрепленного анфельтиопсиса в течение года, но и в связи с широким использованием фикобилиновых пигментов в медицине, пищевой и фармацевтической промышленности. Обладая информацией о сезонной динамике содержания пигментов того или иного вида водорослей, можно выявить наиболее подходящее время для заготовки сырья. A. flabelliformis, обитающий в Амурском заливе Японского моря, целесообразнее заготавливать весной до начала схода льда, а также в период с мая по июнь.
146
Работа выполнена при поддержке программ: Президиума РАН "Молекулярная и клеточная биология", Президиума ДВО РАН (гранты № 09-1-ОБН-11, 09-Ш-А-06-217) и Государственного Контракта 02-740.11.0777.
Список литературы
Евстигнеева И.К., Нехорошее М.В. Морфо-функциональные особенности видов рода Phyllophora Grev. в условиях поля Зернова (Черное море) // Тр. ЮгНИРО. — 2008. — Т. 46. — С. 55-63.
Ли Б.Д. Сезонная динамика пигментов фотосинтеза у морских зеленых водорослей // Экологические аспекты фотосинтеза морских макроводорослей. — Владивосток : ДВНЦ АН СССР, 1978. — С. 158-166.
Лось С.И. Биохимические основы получения фикоэритрина из морских водорослей // Альгология. — 2008. — Т. 18. — С. 375-385.
Муравьева И.П. Сравнение химического состава красных водорослей Callithamnion corymbosum (J.E. Smith) Lyngb. и Ceramium rubrum (Huds.) Ag. из севастопольских бухт (Черное море) // Экология моря. — 2006. — Вып. 71. — С. 93-99.
Перестенко Л.П. Красные водоросли дальневосточных морей России : монография. — СПб. : Ольга, 1994. — 331 с.
Титлянов Э.А. Адаптация водорослей и кораллов к свету : автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — Владивосток, 1983. — 54 с.
Титлянов Э.А., Ли Б.Д. Адаптация бентических растений к свету. III. Содержание фотосинтетических пигментов в морских макрофитах из различных по освещенности мест обитания // Биол. моря. — 1978. — № 2. — С. 47-55.
Титлянов Э.А., Новожилов А.В., Чербаджи И.И. Анфельция тобучинская: биология, экология, продуктивность : монография. — М. : Наука, 1993. — 224 с.
Цымбал И.М., Заиченко Н.Ю. Изменение содержания фотосинтетических пигментов у церамиума как ответная реакция на загрязнение среды // Еколопчна безпе-ка. — 2010. — Вып. 1. — С. 111-117.
Яковлева И.М. Устойчивость и адаптация морских красных макроводорослей к высоким интенсивностям видимой и ультрафиолетовой радиации : автореф. дис. . канд. биол. наук. — Владивосток, 1999. — 23 с.
Aguilera J., Bischof K., Karsten U. et al. Seasonal variation in ecophysiolog-ical patterns in macroalgae from an Arctic fjord. II. Pigment accumulation and biochemical defense systems against high light stress // Mar. Biol. — 2002. — Vol. 140. — P. 1087-1095.
Algarra P., Rüdiger W. Acclimation processes in the light harvesting complex of the red alga Porphyridium purpureum (Bory) Drew et Ross, according to irradiance and nutrient availability // Plant Cell Environ. — 1993. — Vol. 16. — P. 149-159.
Araoz R., Häder Donat-P. Phycoerythrin synthesis is induced by solar UV-B in the cyanobacterium Nostoc // Plant Physiol. Biochem. — 1999. — Vol. 37. — P. 223-229.
Beach K.S., Smith C.M. Ecophysiology of tropical rhodophytes. I. Microscale acclimation in pigmentation // J. Phycol. — 1996. — Vol. 32. — P. 701-710.
Bischof K.D., Peralta G., Kräbs G. et al. Effects of solar UV-B radiation on canopy structure of Ulva communities from southern Spain // J. Exp. Bot. — 2002. — Vol. 53. — P. 2411-2421.
Chapman V.J., Chapman D.J. Seaweeds and their uses. — 3rd ed. — L. : Chapman and Hall, 1980. — 334 p.
Collen J., Davison I.R. Seasonality and thermal acclimation of reactive oxygen metabolism in Fucus vesiculosus (Phaeophyceae) // J. Phycol. — 2001. — Vol. 37. — P. 474-481.
Duarte P., Ferreira J.G. Seasonal adaptation and short-term metabolic responses of Gelidium sesquipedale to varying light and temperature // Mar. Ecol. Prog. Ser. — 1995. — Vol. 121. — P. 289-300.
Estevez J.M., Ciancia M., Cerezo A.S. DL-Galactan hybrids and agarans from ga-metophytes of the red seaweed Gymnogongrus torulosus // Carbohydr. Res. — 2001. — Vol. 331. — P. 27-41.
Evans L.V. The effects of spectral composition and irradiance level on pigment levels in seaweeds // Experimental Phycology / Lobban C.S., Chapman D.J. and Kremer B.P. (eds). — N.Y., 1988. — P. 123-134.
Falkowski P.G., Raven J.A. Aquatic photosynthesis. — Black-well, Oxford, 1997. — 375 p.
Franklin L.A., Forster R.M. The changing irradiance environment: consequences for marine macrophyte physiology, productivity and ecology // Eur. J. Phycol. — 1997. — Vol. 32. — P. 207-232.
Gomez I., Wiencke C., Thomas D.N. Variations in photosynthetic characteristics of the Antarctic marine brown alga Ascoseira mirabilis in relation to thallus age and size // Eur. J. Phycol. — 1996. — Vol. 31. — P. 167-172.
Heath R.L., Packer L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts. I. Kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation // Arch. Biochem. Biophys. — 1968. — Vol. 125. — P. 189-198.
Hendry G.A.F., Price A.H. Stress indicators: Chlorophylls and carotenoids // Methods in comparative plant ecology / G.A.F. Hendry, J.P. Grime (eds). — L. : Chapman and Hall, 1993. — P. 148-152.
Kim J.S., Kim Y.H., Seo Y.W., Park S.H. Quorum sensing inhibitors from the red alga, Ahnfeltiopsis flabelliformis // Biotechnology and Bioprocess Engineering. — 2007. — Vol. 12(3). — P. 308-311.
Logan B.A., Grace S.C., Adams III W.W., Demmig-Adams B. Seasonal differences in xanthophylls cycle characteristics and antioxidants in Mahonia repens growing in different light environments // Oecologia. — 1998. — Vol. 116. — P. 9-17.
Luder U.H., Wiencke C., Knoetzel J. Acclimation of photosynthesis and pigments during and after six months of darkness in Palmaria decipiens (Rhodophyta): a study to simulate Antarctic winter sea ice cover // J. Phycol. — 2002. — Vol. 38. — P. 904-913.
Rosenberg G. Ecological growth strategies in the seaweeds Gracilaria foliifera (Rhodopyceae) and Ulva sp. (Chlorophyceae) : PhD Thesis. — Yale University, 1981.
Sampath-Wiley P., Neefus C.D., Jahnke L.S. Seasonal effects of sun exposure and emersion on intertidal seaweed physiology: fluctuations in antioxidant contents, photosyn-thetic pigments and photosynthetic efficiency in the red alga Porphyra umbilicalis Kutzing (Rhodophyta, Bangiales) // J. Exp. Mar. Biol. Ecol. — 2008. — Vol. 361. — P. 83-91.
Talarico L. Phycobiliproteins and phycobilisomes in red algae: adaptive responses to light // Sci. Mar. — 1996. — Vol. 60. — P. 205-222.
Talarico L., Kosovel V. Phycobilisomes and phycobiliproteins variations during the annual cycle of in Halopithys incurvus (Huds.) Batt. (Rhodornelaceae-Rhodophyta) // Boll. Soc. Adr. Sci. — 1983. — Vol. 67. — P. 69-79.
Wyman M., Gregory R.P.F., Carr N.G. Novel role for phycoerythrin in a marine cyanobacterium Synechoccus DC2 // Science. — 1985. — Vol. 230. — P. 818-820.
Поступила в редакцию 24.05.11 г.
