ИСТИНА

Получение и исследование кривой индукции флуоресценции (КИФ) является одним из самых распространенных методов оценки физиологического состояния растения. Он применяется как в полевых, так и в лабораторных условиях. Популярность метода связана с его простотой, компактностью оборудования (возможность использовать портативные флуориметры очень актуальна в полевых условиях) и неинвазивностью. КИФ имеет сложную ступенчатую форму и ее вид значительно варьирует в зависимости от состояния отдельных компонентов фотосинтетического аппарата и всего растения в целом. Для того, чтобы оценить не только фотосинтетическую активность растения, но и состояние отдельных компонентов фотосинтетического аппарата, нужно иметь возможность связать их работоспособность с различными качественными изменениями определенных участков КИФ. Экспериментальные методы не всегда позволяют точно определить причину тех или иных изменений в КИФ, а позволяют лишь сделать ряд предположений о возможных изменениях в фотосинтетическом аппарате. Задачей данного проекта является построение детальной модели, описывающей происходящие в фотосинтетическом реакционном центре дискретные процессы, что позволит проверить существующие гипотезы и детально исследовать взаимосвязь различных видов стрессового воздействия и характерных изменений формы КИФ. Подвергая растение различным видам стрессовых воздействий в лабораторных условиях, мы получаем возможность определить, к каким именно изменениям в фотосинтетическом аппарате растения они приводят и как эти изменения отражаются на КИФ. Имея такие данные, можно по изменениям КИФ определить, какому виду стрессового воздействия подверглось растение.

One of the most common methods for plant physiological state evaluation is measuring the fluorescence rise curve. It is widely used both in laboratory and field conditions. This method is so popular because of its simplicity (it only requires compact and lightweight pieces of equipment that can be easily used in field conditions) and non invasiveness. The fluorescence rise curve has a quite complex shape that exhibits different variations depending on the state of certain components of the photosynthetic electron transport chain and on the physiological state of the whole plant. If one can link those variations with changes in activity of certain photosynthetic chain components, he can predict those changes from a fluorescence rise curve. Experimental methods sometimes fail to tell the exact reason of certain variations in a fluorescence rise, but they give a hint on which component's activity or malfunction might be responsible. The goal of this project is to create a detailed model describing all discrete processes that are happening in a photosynthetic reaction center. This will allow one to test hypothetic mechanisms underlying certain qualitative changes in a fluorescence rise and deeper investigate the interconnections between the electron transport chain components. By stressing a plant in vitro and trying to reproduce the observed results in silico, one can connect changes in function of photosynthetic chain components with certain changes in a fluorescence rise or other experimental data. This will allow one to predict what kind of stress conditions a plant is in by only having experimental data obtained with non invasive methods.

Будет создана подробная модель фотосинтетической электронтранспортной цепи, учитывающая такие процессы как Q-цикл, циклический транспорт электронов вокруг фотосистемы 1, реакция Меллера. Полученная модель будет верифицирована на основании экспериментальных данных, полученных с помощью флуориметра MPEA (Hansatech). В том числе КИФ, кривой индукции поглощения в полосе 820нм, кривой затухания флуоресценции после вспышки. После верификации модель будет оптимизирована с учётом полученных данных. По результатам моделирования будет подготовлена и опубликована статья в рецензируемом научном журнале из перечня ведущих периодических изданий (перечень ВАК) или в журнал, включенный в одну из систем цитирования (библиографических баз) Web of Science, Scopus, РИНЦ20.

Ранее была получена модель, не включающая КВК в явном виде и не имеющая акцепторной части, дающая возможность исследовать начальный участок КИФ и работать с экспериментальными данными, полученными с использованием разобщителей электронтранспортной цепи, препятствующих восстановлению пластохинона фотосистемой. В этой модели была учтена гетерогенность фотосинтетической мембраны – учитывалось наличие альфа и бета реакционных центров. Кроме того, учитывалась возможность различной начальной восстановленности отдельных переносчиков. Флуоресценция в модели была учтена явным образом. При помощи этой модели было исследовано влияние энергетического взаимодействия между реакционными центрами, объединенными в димерный суперкомплекс фотосистем 2, на форму КИФ. Также было исследовано влияние начальных восстановительных условий (степени восстановленности пула подвижных переносчиков (пластохинон) и компонентов реакционного центра (первичный хинон Qa)). Полученные данные были использованы при анализе КИФ, полученных экспериментально в условиях теплового стресса, и в условиях серного голодания (T.K.Antal et al. 2013). Затем была представлена более полная модель, подробно описывающая начальную часть электронтранспортной цепи, включая фотосистему 2 и пул пластохинона, а также цитохромный b6/f комплекс, пластоцианин и фотосистему 1 в редуцированном виде. Эта модель позволяет получить полную кривую OJIP и изучить влияние на неё гетерогенности и начальных восстановительных условий (Маслаков А.С. и др. 2016).

Планируется развить новый подход к построению моделей, имитирующих электронтранспортные процессы, происходящие в растительных клетках, применить современные методы параллельных вычислений с использованием высокопроизводительных GPU (NVidia Tesla). Будет детально изучен характер изменений КИФ при различных видах воздействия на каждый из участков модели. Используя эти данные, можно будет определить наиболее вероятную причину изменений КИФ, наблюдаемых в эксперименте при различных видах стрессового воздействия на растение. Будет исследована зависимость формы КИФ от начальных восстановительных условий. Т.е. от начальной степени восстановленности (после темновой адаптации) пулов подвижных внутримембранных переносчиков (пластохинон) и компонентов фотосинтетического реакционного центра (первичного хинона Qa и сайта связывания пластохинона - Qb). Будут исследованы механизмы появления «К step» на КИФ, одной из причин которого может являться тепловой стресс (B.Guisse 1995). Также будут изучены причины появления локального минимума на участке нарастания КИФ – «D-dip», который связывают с недостатком марганца и, следовательно, нарушением работы КВК (Husted 2009). Для изучения влияния восстановительных условий и влияния различной степени работоспособности КВК будут использованы экспериментальные данные, полученные с использованием флуориметра MPEA2 (Hansatech).