vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1029-8940-2019-64-2-180-189vestib-426Research ArticleСтатьиНакопление белка и экспрессия гена нитратредуктазы в клетках Spirulina platensis в зависимости от спектрального состава светодиодного излученияProtein accumulation and expression of the nitrate reductase gene in Spirulina platensiscells depending on the spectral composition of led radiationКозелН. В.KozelN. V.

Козел Николай Владимирович– канд. биол. наук, вед. науч. сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск.

Nikolai  V.  Kozel –  Ph.  D.  (Biol.),  Leading  researcher. 

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

kozel.mikalai@gmail.comРадюкМ. С.RadyukM. S.

Радюк Мечислав Степанович – канд. биол. наук, ст. науч. сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск.

Mechislav S. Radyuk – Ph. D. (Biol.), Senior researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

radmes@mail.ruСамовичТ. В.SamovichT. V.

Самович Татьяна Викторовна – канд. биол. наук, науч. сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск.

Tatsiana  V.  Samovich –  Ph.  D.  (Biol.),  Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

samovich77@gmail.comДремукИ. А.DremukI. A.

Дремук Ирина Александровна – канд. биол. наук, науч. сотрудник.

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск.

Irina A. Dremuk – Ph. D. (Biol.), Researcher.

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk.

irinadremuk@yandex.byГабриелянЛ. С.GabrielyanL. S.

Габриелян Лилит Сергеевна– канд. биол. наук, доцент.

ул. Алека Манукяна, 1, 0025, г. Ереван.

Lilit S. Gabrielyan – Ph. D. (Biol.), Assistant Professor.

1 Alex Manukyan St, Yerevan 0025.

lgabrielyan@ysu.amИнститут биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси.Institute of Biophysics and Cell Engineering of the National Academy of Sciences of Belarus.Ереванский государственный университет.Yerevan State Universit.201917052019642180189Copyright © Козел Н.В., Радюк М.С., Самович Т.В., Дремук И.А., Габриелян Л.С., 20192019Козел Н.В., Радюк М.С., Самович Т.В., Дремук И.А., Габриелян Л.С.Kozel N.V., Radyuk M.S., Samovich T.V., Dremuk I.A., Gabrielyan L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/426

Исследовано влияние светодиодного освещения разного спектрального состава на продуктивность Spirulina platensis, накопление в ее клетках белка и экспрессию гена нитратредуктазы. Показано, что при светодиодном освещении с преобладанием красной составляющей в спектре излучения продуктивность водоросли на 9–29 % больше, чем при освещении люминесцентной лампой. Использование одного синего света существенно (на 83 %) уменьшает продуктивность Spirulina platensis,что, по-видимому, обусловлено отсутствием в спектральном составе осветителя желтой и красной составляющих, которые наиболее эффективно поглощаются фикоцианином. Выявлена положительная корреляция между возрастанием продуктивности водоросли и накоплением в ее клетках белка. Так, при использовании осветителя с красными светодиодами содержание белка увеличилось на 21 % в расчете на 1 г сухого веса и на 47 % в расчете на 1 л суспензии по отношению к контролю. Анализ экспрессии гена Nar, кодирую-щего нитратредуктазу в клетках Spirulina platensis, не выявил прямой зависимости между накоплением белка и уровнем экспрессии гена Narв наиболее перспективном (в плане выхода биомассы и накопления белка) варианте с использованием красных светодиодов. Это указывает на определяющую роль фотосинтетической активности клеток Spirulina platensisв увеличении продуктивности и синтеза белка.

The effect of LED lighting of different spectral composition on the productivity of Spirulina platensis, an accumulation of protein in alga cells and an expression of the nitrate reductase gene has been studied. It was shown that LED lighting with a predominance of the red component in the emission spectrum allows achieving 9–29 % higher alga productivity compared to using fluorescent lamp illumination. Illumination with single blue light resulted in significant (83 %) decrease in the productivity of Spirulina platensiswhich apparently was due to the absence of the yellow and red components in the illuminator spectral composition, which are most effectively absorbed by phycocyanin. A positive correlation between an increase in the productivity of alga and the accumulation of protein in its cells was found. So, by using an illuminator with red LEDs, the protein content increased by 21 % calculated per gram of dry weight and 47 % calculated per liter of suspension relative to the control. Analysis of the expression of the Nar gene encoding nitrate reductase in Spirulina platensiscells did not reveal a direct dependence between an increasing protein accumulation and an expression level of the Nar gene in the most promising in terms of biomass and protein yield sample of alga, growing under red LEDs. This indicates the crucial role of the photosynthetic activity of Spirulina platensiscells in increasing productivity and protein synthesis.

Spirulina platensisсухой весбелокнитратредуктазафотосинтетически активный светспектральный составсветодиодыSpirulina platensisdry weightproteinnitrate reductasephotosynthetically active lightthe spectral composition of the LEDsReferencesSoni, R. A. Spirulina– from growth to nutritional product: a review / R. A. Soni, K. Sudhakar, R. S. Rana // Trends Food Sci. Technol. – 2017. – Vol. 69. – P. 157–171. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.09.010Soni R. A., Sudhakar K., Rana R. S. Spirulina– from growth to nutritional product: a review. Trends in Food Science and Technology, 2017, vol. 69, pp. 157–171. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2017.09.010Characterization of additional zinc ions on the growth, biochemical composition and photosynthetic performance from Spirulina platensis / T. Zhou [et al.] // Bioresource Technol. – 2018. – Vol. 269. – P. 285–291. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.08.131Zhou T., Wang J., Zheng H., Wu X., Wang Y., Liu M., Xiang S., Cao L., Ruan R., Liu Y. Characterization of additional zinc ions on the growth, biochemical composition and photosynthetic performance from Spirulina platensis. Bioresource Technology, 2018, vol. 269, pp. 285–291. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.08.131Продуктивность спирулины при использовании источников света разного типа / С. С. Мельников [и др.] // Вес. НАН Беларусі. Сер. біял. навук. – 2011. – № 3. – С. 41–45.Mel’nikov S. S., Manankina E. E., Samovich T. V., Budakova E. A., Shalygo N. V. Spirulina’s productivity when using different types of light sources. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya biyalagichnykh navuk= Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological series, 2011, no. 3, pp. 41–45 (in Russian).Spirulina nitrate-assimilating enzymes (NR, NiR, GS) have higher specific activities and are more stable than those of rice / A. Ali [et al.] // Physiol. Mol. Biol. Plants. – 2008. – Vol. 14, N 3. – P. 179–182. https://doi.org/10.1007/s12298-008-0017-zAli A., Jha P., Sandhu K. S., Raghuram N. Spirulina nitrate-assimilating enzymes (NR, NiR, GS) have higher specific activities and are more stable than those of rice. Physiology and Molecular Biology of Plants, 2008, vol. 14, no. 3, pp. 179–182. https://doi.org/10.1007/s12298-008-0017-zJha, P. Nitrate induction of nitrate reductase and its inhibition by nitrite and ammonium ions in Spirulina plantensis/ P. Jha, A. Ali, N. Raghuram // Physiol. Mol. Biol. Plants. – 2007. – Vol. 13, N 2. – P. 163–167.Jha P., Ali A., Raghuram N. Nitrate induction of nitrate reductase and its inhibition by nitrite and ammonium ions in Spirulina plantensis. Physiology and Molecular Biology of Plants, 2007, vol. 13, no. 2, pp. 163–167.Structural basis of eukaryotic nitrate reduction: crystal structures of the nitrate reductase active site / K. Fischer [et al.] // Plant Cell. − 2005. − Vol. 17, N 4. − P. 1167–1179. https://doi.org/10.1105/tpc.104.029694Fischer K., Barbier G. G., Hecht H.-J., Mendel R. R., Campbell W. H., Schwarz G. Structural basis of eukaryotic nitrate reduction: сrystal structures of the nitrate reductase active site. Plant Cell, 2005, vol. 17, no. 4, pp. 1167–1179. https://doi.org/10.1105/tpc.104.029694Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / И. Бахарев [и др.] // Современные технологии автоматизации. – 2010. – № 2. – С. 76–82.Bakharev I., Prokof’ev A., Turkin A., Yakovlev A. The use of LED lamps for lighting greenhouses: reality and prospects. Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii [Modern automation technology], 2010, no. 2, pp. 76–82 (in Russian).Фотосинтез и продуктивность растений картофеля в условиях различного спектрального облучения / Ю. Ц. Мартиросян [и др.] // С.-х. биология. – 2013. – № 1. – С. 107–112.Martirosyan Yu. Ts., Polyakova M. N., Dilovarova T. A., Kosobryukhov A. A. Photosynthesis and productivity of potato plants under different spectral irradiation. Sel’skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural biology], 2013, no. 1, pp. 107–112 (in Russian).Каталог генетического фонда хозяйственно полезных видов водорослей / Нац. акад. наук Беларуси, Ин-т биофизики и клеточной инженерии ; сост. : С. С. Мельников [и др.].– Минск : Беларус. навука, 2011. – 101 с.Mel’nikov S. S., Manankina E. E., Budakova E. A., Shalygo N. V. (compl.). Catalog of the genetic fund of economically useful algae species, Minsk, Belaruskaya navuka Publ., 2011. 101 p. (in Russian).Пиневич, В. В. Изучение Spirulina platensis – нового объекта для высокоинтенсивного культивирования / В. В. Пиневич, Н. Н. Верзилин, А. А. Михайлов // Физиол. раст. – 1970. – № 5. – С. 1037–1046.Pinevich V. V., Verzilin N. N., Mikhailov A. A. The study of Spirulina platensis– a new facility for high-intensity cultivation. Fiziologiya rastenii [Plant physiology], 1970, no. 5, pp. 1037–1046 (in Russian).Promotive effect of 5-aminolevulinic acid on the growth and photosynthesis of Spirulina platensis/ K. Sasaki [et al.] // J. of Fermentation and Bioengineering. – 1995. – Vol. 79, N 5. – Р. 453–457. https://doi.org/10.1016/0922-338X(95)91261-3Sasaki K., Marquez F. J., Nishio N., Nagai S. Promotive effect of 5-aminolevulinic acid on the growth and photosynthesis of Spirulina platensis. Journal of Fermentation and Bioengineering, 1995, vol. 79, no. 5, pp. 453–457. https://doi.org/10.1016/0922-338X(95)91261-3Cellular capacities for high-light acclimation and changing lipid profiles across life cycle stages of the green alga Haematococcus pluvialis/ B. Wang [et al.] // PLoS ONE. – 2014. – Vol. 9, N 9. – Р. e106679. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106679Wang B., Zhang Z., Hu Q., Sommerfeld M., Lu Y., Han D. Cellular capacities for high-light acclimation and changing lipid profiles across life cycle stages of the green alga Haematococcus pluvialis. PLoS ONE, 2014, vol. 9, no. 9, p. e106679. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0106679Optimization of protein extraction from Spirulina platensisto generate a potential co-product and a biofuel feedstock with reduced nitrogen content / N. Parimi [et al.] // Front. Energy Res. – 2015. – Vol. 3. – Art. 30. https://doi.org/10.3389/fenrg.2015.00030Parimi N., Singh M., Kastner J. R., Das K. C., Forsberg L. S., Azadi P. Optimization of protein extraction from Spirulina platensisto generate a potential co-product and a biofuel feedstock with reduced nitrogen content. Frontiers in Energy Research, 2015, vol. 3, art. 30. https://doi.org/10.3389/fenrg.2015.00030Bradford, M. A. Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding / M. A. Bradford // Analyt. Biochem. – 1976. – Vol. 72, N 1–2. – P. 248–254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3Bradford M. A. Rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical Biochemistry, 1976, vol. 72, no. 1–2, pp. 248–254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. – 3-е изд., испр. – Минск : Вышэйш. шк., 1973. – 320 c.Rokitskii P. F. Biological statistics. 3rd ed.Minsk, Vysheishaya shkola Publ., 1973. 320 p. (in Russian).Fernández-Rojas, B. Nutraceutical properties of phycocyanin / B. Fernández-Rojas, J. Hernández-Juárez, J. PedrazaChaverri // J. Functional Foods. – 2014. – Vol. 11. – P. 375–392. https://doi.org/10.1016/j.jff.2014.10.011Fernández-Rojas B., Hernández-Juárez J., Pedraza-Chaverri J. Nutraceutical properties of phycocyanin. Journal of Functional Foods, 2014, vol. 11, pp. 375–392. https://doi.org/10.1016/j.jff.2014.10.011Влияние спектрального состава светодиодного излучения на структуру фотосинтетического аппарата Spirulina platensis/ Н. В. Козел [и др.] // Вес. НАН Беларусі. Сер. бiял. навук. – 2015. – № 2. – С. 44–48.Kozel N. V., Domanskii V. P., Manankina E. E., Adamchik K. O., Dremuk I. A., Savina S. M. The influence of the spectral composition of LED radiation on the structure of the photosynthetic apparatus Spirulina platensis. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya biyalagichnykh navuk= Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Biological series, 2015, no. 2, pp. 44–48 (in Russian).Cultivation of Spirulina platensis for biomass production and nutrient removal from synthetic human urine / Y. Chang [et al.] // Appl. Energy. – 2013. – Vol. 102. – P. 427–431. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.024Chang Y., Wu Z., Bian L., Feng D., Leung D. Y. C. Cultivation of Spirulina platensisfor biomass production and nutrient removal from synthetic human urine. Applied Energy, 2013, vol. 102, pp. 427–431. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.07.024Кузнецов, В. В. Физиология растений / В. В. Кузнецов, Г. А. Дмитриева. – 2-е изд. – М. : Высш. шк., 2006. – 742 с.Kuznetsov V. V., Dmitrieva G. A. Plant physiology. 2nd ed.Moscow, Vysshaya shkola Publ., 2006. 742 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.