Активность фотосинтетических мембран в инфицированных Fusarium oxysporum растениях огурца (Сucumis sativus L.) при разной доле синего светодиодного освещения

Исследовано влияние LED-освещения с разной долей (20 и 60 %) синего света (СС) и разной длительности на функционирование фотосистем (ФС) в здоровых и инфицированных грибом Fusarium oxysporum (Fus. oxy.) листьях огурца. Длительный световой режим (25 дней) с высокой долей СС, 60 % и последующее заражение Fus. oxу. подавляло функциональную активность ФСII относительно белого света (БС), что выразилось в значительном снижении максимальной флуоресценции временно закрытых реакционных центров ФСII (F_m), эффективного квантового выхода фотохимических реакций (F_v/F_m), максимальной квантовой эффективности ФСII (Y(II)), а также в изменении характера перераспределения поглощенной световой энергии. Это привело к снижению интенсивности фотохимической конверсии (qP), количества открытых реакционных центров ФСII (qL) и скорости транспорта электронов через ФСII (ETR(II)). При 7-дневной экспозиции растений в разных световых условиях основные изменения параметров ФСII наблюдались только в инфицированных листьях, сформированных в режиме СС, 60 %.

Выращивание растений на БС и СС, 20 % лишь незначительно изменяло вклад потока электронов на донорной и акцепторной сторонах ФСI в инфицированных листьях огурца, не затронув уровень окисленности Р700 и квантовый выход фотохимических реакций. Заражение растений, выращенных длительное время на СС, 60 %, вызывало 10-кратное снижение квантового выхода фотохимических реакций ФСI и существенное повышение нефотохимической диссипации энергии на донорной и акцепторной сторонах ФСI. Стрессовое воздействие патогена усиливало также подавляющий эффект СС, 60 % при короткой экспозиции, что нашло свое отражение в существенном уменьшении таких показателей, как квантовый выход ФСI (Y(I)) и эффективность переноса электронов в электрон-транспортной цепи ФСI (ETR(I)).

Полученные результаты могут быть использованы как методическая основа для создания энергосберегающих светодиодных светильников, оптимизированных для выращивания растений огурца в закрытом грунте, а также для контроля степени заражения растений на ранних стадиях фузариоза.

1. Casal, J. J. Phytochromes, cryptochromes, phototropin: photoreceptor interactions in plants / J. J. Casal // Photochemistry and Photobiology. – 2007. – Vol. 71, N 1. – P. 1–11. https://doi.org/10.1562/0031-8655(2000)0710001pcppii2.0.co2

2. Voitsekhovskaja, O. V. Phytochromes and other (Photo)Receptors of information in plants / O. V. Voitsekhovskaja // Russian Journal of Plant Physiology. – 2019. – Vol. 66. – P. 351–364. https://doi.org/10.1134/s1021443719030154

3. D’Amico-Damiao, V. Cryptochrome-related abiotic stress responses in plants / V. D’Amico-Damiao, R. F. Carvalho // Frontiers in Plant Science. – 2018. – Vol. 9. – Art. 1897. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01897

4. Banerjee, R. Plant blue-light receptors / R. Banerjee, A. Batschauer // Planta. – 2005. – Vol. 220. – P. 498–502. https://doi.org/10.1007/s00425-004-1418-z

5. Влияние дефицита криптохромов 1 и 2 на фотосинтетическую активность и про-антиоксидантный баланс в листьях растений Arabidopsis thaliana при действии УФ-В / А. Ю. Худякова, В. Д. Креславский, А. Н. Шмарев [и др.] // Физиология растений. – 2022. – Т. 69, № 2. – С. 207–215.

6. Genome-wide gene expression analysis reveals a critical role for cryptochrome1 in the response of Arabidopsis to high irradiance / T. Kleine, P. Kindgren, C. Benedict [et al.] // Plant Physiology. – 2007. – Vol. 144, N 3. – P. 1391–1406. https://doi.org/10.1104/pp.107.098293

7. Lin, C. The cryptochromes / C. Lin, T. Todo // Genome biology. – 2005. – Vol. 6, N 5. – Art. 220. https://doi.org/10.1186/gb-2005-6-5-220

8. Impact of UV-B radiation on the photosystem II activity, pro-/antioxidant balance and expression of light-activated genes in Arabidopsis thaliana hy4 mutants grown under light of different spectral composition / A. Yu. Khudyakova, V. D. Kre slavski, A. N. Shmarev [et al.] // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. – 2019. – Vol. 194. – P. 14–20. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2019.02.003

9. Sowden, R. G. The role of chloroplasts in plant pathology / R. G. Sowden, S. J. Watson, P. Jarvis // Essays in Bio chemistry. – 2018. – Vol. 62, N 1. – P. 21–39. https://doi.org/10.1042/ebc20170020

10. Jones, J. D. G. The plant immune system / J. D. G. Jones, J. L. Dangl // Nature – 2006. – Vol. 444. – P. 323–332. https://doi.org/10.1038/nature05286

11. Bethke, P. C. Cell death of barley aleurone protoplasts is mediated by reactive oxygen species / P. C. Bethke, R. L. Jones // The Plant Journal. – 2001. – Vol. 25, N 1. – P. 19–29. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.2001.00930.x

12. A porphyrin pathway impairment is responsible for the phenotype of a dominant disease lesion mimic mutant of maize / G. Hu, N. Yalpani, S. P. Briggs, G. S. Johal // The Plant Cell. – 1998. – Vol. 10, N 7. – P. 1095–1105. https://doi.org/10.2307/3870714

13. Knockout of Arabidopsis accelerated-cell-death11 encoding a sphingosine transfer protein causes activation of programmed cell death and defense / P. Brodersen, M. Petersen, H. M. Pike [et al.] // Genes and development. – 2002. – Vol. 16, N 4. – P. 490–502. https://doi.org/10.1101/gad.218202

14. Vascular associated death1, a novel GRAM domain–containing protein, is a regulator of cell death and defense responses in vascular tissues / S. Lorrain, B. Lin, M. C. Auriac [et al.] // The Plant Cell. – 2004. – Vol. 16, N 8. – P. 2217–2232. https://doi.org/10.1105/tpc.104.022038

15. Fumonisin B1-induced cell death in Arabidopsis protoplasts requires jasmonate-, ethylene-, and salicylate-dependent signaling path ways / T. Asai, J. M. Stone, J. E. Heard [et al.] // The Plant Cell. – 2000. – Vol. 12, N 10. – P. 1823–1835. https://doi.org/10.2307/3871195

16. Chloroplast‐generated reactive oxygen species are involved in hypersensitive response‐like cell death mediated by a mi- togen‐activated protein kinase cascade / Y. Liu, D. Ren, Sh. Pike [et al.] // The Plant Journal. – 2007. – Vol. 51, N 6. – P. 941–954. https://doi.org/10.1111/j.1365-313x.2007.03191.x

17. Blue light (470 nm) effectively inhibits bacterial and fungal growth / A. J. De Lucca, C. Carter-Wientjes, K. A. Wil liams, D. Bhatnagar // Letters in applied microbiology – 2012. – Vol. 55, N 6. – P. 460–466. https://doi.org/10.1111/lam.12002

18. Wu, L. Cryptochrome 1 is implicated in promoting R protein-mediated plant resistance to Pseudomonas syringae in Arabidopsis / L. Wu, H. Q. Yang // Molecular plant. – 2010. – Vol. 3, N 3. – P. 539–548. https://doi.org/10.1093/mp/ssp107

19. Krause, G. H. Chlorophyll fluorescence and photosynthesis: the basics / G. H. Krause, E. Weis // Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. – 1991. – Vol. 42, N 1. – P. 313–349. https://doi.org/10.1146/annurev.pp.42.060191.001525

20. New flux parameters for the determination of QA redox state and excitation fluxes / D. M. Kramer, G. Johnson, O. Kiirats, G. E. Edwards // Photosynthesis Research. – 2004. – Vol. 79. – P. 209–218. https://doi.org/10.1023/b:pres.0000015391.99477.0d

21. A state of PS1 and PSII ptotochemistry of sunflower yellow-green plastome mutant / M. S. Makarenko, N. V. Kozel, A. V. Usatov [et al.] // OnLine Journal of Biological Sciences. – 2016. – Vol. 16, N. 4. – P. 193–198. https://doi.org/10.3844/ojbsci.2016.193.198

22. Креславский, В. Д. Последействие теплового шока на индукцию флуоресценции и низкотемпературные спектры флуоресценции листьев пшеницы / В. Д. Креславский, М. С. Христин // Биофизика. – 2003. – Т. 48, № 5. – С. 865–872.

23. Dual-PAM-100. Measuring System for Simultaneous Assessment of P700 and Chlorophyll Fluorescence: Instrument Description and Instructions for Users. – 2nd ed. – 2009. – URL: https://www.htsperu.com.pe/download/Manual-de-Dual-PAM-100.7WDGupiZObTOUCgT71xZ97gSK4ZzWFXY.pdf (date of access: 09.02.2025).

24. Рокицкий, П. Ф. Биологическая статистика / П. Ф. Рокицкий. – 3-е изд., испр. – Минск: Вышэйш. шк., 1973. – 320 с.

25. Briggs, W. R. Phototropins 1 and 2 versatile plant blue-light receptors / W. R. Briggs, J. M. Christie // Trends in Plant Science – 2002 – Vol. 7, N 5. – P. 204–210. https://doi.org/10.1016/s1360-1385(02)02245-8

26. Использование переменной флуоресценции хлорофилла для оценки физиологического состояния фотосинтети че- ского аппарата растений / В. Н. Гольцев, Х. М. Каладжи, М. Паунов [и др.] // Физиология растений. – 2016. – Т. 63, № 3. – С. 881–907.

27. Baker, N. R. Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo / N. R. Baker // Annual Review of Plant Biology. – 2008 – Vol. 59. – P. 89–113. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.59.032607.092759

28. Potato Response to Drought Stress: Physiological and Growth Basis / T. Gervais, A. Creelman, X.-Q. Li [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2021 – Vol. 12. – Art. 698060. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.698060

29. Nitrogen deficiency in barley (Hordeum vulgare) seedlings induces molecular and metabolic adjustments that trigger aphid resistance / G. Comadira, B. Rasool, B. Karpinska [et al.] // Journal of Experimental Botany. – 2015 – Vol. 66, N 12 – P. 3639–3655. https://doi.org/10.1093/jxb/erv276

30. Influence of salinity stress on PSII in barley (Hordeum vulgare L.) genotypes, probed by chlorophyll-a fluorescence / M. S. Akhter, Noreen S., Mahmood S. [et al.] // Journal of King Saud University – Science. – 2021. – Vol. 33, N 1 – Art. 101239. https://doi.org/10.1016/j.jksus.2020.101239

31. Huang, W. Stimulation of cyclic electron flow during recovery after chilling-induced photoinhibition of PSII / W. Huang, S. B. Zhang, K. F. Cao // Plant Cell Physiology. – 2010. – Vol. 51. – N 11. – P. 1922–1928. https://doi.org/10.1093/pcp/pcq144

32. Zhang, R. Photosynthetic electron transport and proton flux under moderate heat stress / R. Zhang, T. D. Sharkey // Photosynthesis research. – 2009. – Vol. 100. – P. 29–43. https://doi.org/10.1007/s11120-009-9420-8

33. OCO-2 advances photosynthesis observation from space via solar-induced chlorophyll fluorescence / Y. Sun, C. Frankenberg, J. D. Wood [et al.] // Science. – 2017. – Vol. 358, N 6360. – Art. eaam5747. https://doi.org/10.1126/science.aam5747

34. Responses of the photosynthetic electron transport reactions stimulate the oxidation of the reaction center chlorophyll of photosystem I, P700, under drought and high temperatures in rice / S. Wada, Takagi D., Miyake Ch. [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2019. – Vol. 20, N 9. – P. 2068. https://doi.org/10.3390/ijms20092068

35. Пшибытко, Н. Л. Оценка редокс-состояния Р700 растений томата при сопряженном воздействии повышенной температуры и поражении Fusarium oxysporum методом дифференциальной абсорбционной фотометрии с использова нием технологии насыщающих импульсов света / Н. Л. Пшибытко // Журнал прикладной спектроскопии. – 2024. – Т. 91, № 1. – С. 56–64.