Россия
УДК 581.1 Физиология растений
УДК 581.132 Ассимиляция углерода и ее продукты. Фотосинтез, хемосинтез и т. п.
УДК 58.01/.07 Влияние различных факторов
Лишайники – древнейшие симбиотические организмы. Их талломы представляют собой структуру, созданную микобионтом для популяции клеток фотобионта, присутствие которой превращает грибной гетеротрофный организм в автотрофную ассоциацию. В статье обобщены результаты эколого-физиологических исследований лишайников таежной зоны европейского Северо-Востока России. Представлены и проанализированы данные о фотосинтетической активности, влиянии факторов внешней среды на поглощение СО2 и реакциях, направленных на тонкую настройку функциональной структуры и метаболизма лишайников к условиям обитания. Продемонстрирована значимость типа фотобионта для функционирования всей ассоциации. Показано, что цианобионтные лишайники отличались более высоким содержанием азота и интенсивным метаболизмом по сравнению с хлоролишайниками. У большинства исследованных видов лишайников содержание хлорофилла а варьировало в пределах 0,4–0,8 мг/г сухой массы таллома, концентрация каротиноидов была в 2,5–3 раза меньше. Максимум нетто-поглощения СО2 наблюдался при температуре +15...+20 оС и относительном содержании воды в талломах около 60 %. Насыщение фотосинтеза светом отмечали при плотности потока ФАР в четыре-пять раз меньше полной солнечной. Выявлены эффекты воздействия на талломы УФ-радиации и загрязнения среды бокситовой пылью. Намечены перспективные направления дальнейших исследований лихенобиоты.
лишайники, биология, физиология, фотосинтез, таежная зона, европейский Северо-Восток России
Лишайники – древнейшие организмы, они известны с докембрийских времен. Более 200 млн лет назад талломы лишайников уже представляли собой высокоразвитые листоватые и кустистые формы [1]. Известный русский ботаник, один из основоположников отечественной физиологии растений А. С. Фаминцын видел в лишайниках пример происхождения более сложной растительной формы через соединение и взаимодействие более простых [2]. Он фактически положил начало физиологическим исследованиям этих уникальных фототрофных организмов и получил ценный материал для понимания их биологии.
Согласно современным представлениям, лишайники – устойчивый симбиоз генетически обособленных организмов. Их талломы представляют собой структуру, созданную микобионтом для популяции клеток фотобионта. Присутствие фотобионта превращает грибной гетеротрофный организм в автотрофную ассоциацию. Наиболее распространенными группами лишайниковых фотобионтов являются зеленые водоросли и цианопрокариоты, способные к осуществлению оксигенного фотосинтеза [3].
Зеленые водоросли поставляют клеткам микобионта сахароспирты, тогда как цианобактерии – глюкозу и продукты биологической азотфиксации [4, 5]. Благодаря этому талломы цианолишайников содержат больше азота по сравнению с талломами хлоролишайников. По нашим данным [6], концентрация азота в сухой массе талломов цианолишайников составляла в среднем 3,5 %, тогда как у хлоролишайников была в четыре раза меньше. У лишайников с обоими типами фотобионта зеленые водоросли, как правило, осуществляют фотосинтез, а цианобактерии – азотфиксацию. Содержание азота в лишайниках с зеленой водорослью и цианопрокариотами составляет в среднем около 2,3 %. Так, например, у трехкомпонентного лишайника Lobaria pulmonaria на долю сахароспиртов приходилось 75 % пула сахаров, а содержание азота было немногим выше 2 % сухой массы таллома [7]. Лишайники с высоким содержанием азота характеризовались повышенным накоплением белковых и свободных аминокислот [8], что коррелировало с их более высокой метаболической активностью и способностью к быстрому росту. Микобионт может регулировать численность популяции клеток фотобионта, стимулировать синтез и выделение продуктов ассимиляции. Однако механизмы такой регуляции доподлинно неизвестны. По некоторым оценкам, микобионт получает 40–50 % всего ассимилированного клетками фотобионта углерода, значительная часть которого используется грибным компонентом для дыхания и синтеза лишайниковых веществ. Лишайниковые вещества концентрируются на поверхности гиф микобионта и могут составлять от 1 до 5 % сухой массы таллома [9].
Фотосинтетический аппарат (далее – ФСА) зеленых водорослей практически идентичен таковому высших растений [10]. Процесс фотосинтеза протекает с участием трех основных компонентов: светособирающей антенны (далее – ССК), фотохимических реакционных центров (далее – РЦ) и электрон-транспортной цепи (далее – ЭТЦ). Фотосинтетическими пигментами водоросли являются хлорофиллы а (Хл а) и b (Хл b). Практически весь Хл b находится в наружных антеннах фотосистемы II, тогда как большая часть Хл а принадлежит РЦ. У цианобактерий функцию Хл b в антенных структурах (фикобилисомах) выполняют билиновые пигменты, имеющие, в отличие от циклической структуры Хл, незамкнутую цепь тетропироллов. Каротиноиды присутствуют у всех фотосинтезирующих организмов.
Диапазон концентраций Хл а в талломах исследованных нами двух десятков видов лишайников находился в пределах от 0,16 до 1,3 мг/г сухой массы [11]. Виды с низким и высоким содержанием хлорофилла были обнаружены как среди хлоро-, так и среди цианолишайников. У большинства лишайников количество Хл а составляло 0,4–0,8 мг/г при медианном значении около 0,60 мг/г. Концентрация каротиноидов была в 2,5-3 раза меньше, чем зеленых пигментов. При этом талломы с высоким содержанием хлорофиллов накапливали больше каротиноидов. Между накоплением зеленых и желтых пигментов существует прямая связь (r=0,96). Так как подавляющая часть (85–90 %) биомассы талломов представлена гетеротрофными клетками микобионта, то по содержанию фотосинтетических пигментов лишайники сильно уступают листьям высших растений. Например, у лишайника L. pulmonaria четко очерченный альгальный слой составлял ~17 % (46±6 мкм) толщины таллома, клетки зеленой водоросли имели в диаметре 4,5±0,7 мкм [7].
Лишайники принято относить к фототрофным организмам со сравнительно низкой фотосинтетической активностью. У гидратированных и адаптированных в оптимальных условиях исследованных нами видов лишайников скорость видимого поглощения СО2 (Фн) варьировала в широких пределах – от 0,5 до 5 мг/г сухой массы ч. При этом лишайники с высоким содержанием азота характеризовались более интенсивным фотосинтезом.
Анализ с использованием метода главных компонент показал, что функциональные параметры исследованных нами 16 видов лишайников группируются относительно двух компонент, которые суммарно описывают 76 % их изменчивости (рис. 1). Результаты анализа свидетельствуют о тесной взаимосвязи между интенсивностью нетто-фотосинтеза, содержанием азота и типом фотобионта (главная компонента 1). Взаимосвязь между содержанием зеленых и желтых пигментов определялась принадлежностью лишайников к экологической группе по типу субстрата (главная компонента 2). Кластерный анализ функциональных параметров (переменных), вносящих основной вклад в главные компоненты, разделил изученные виды на две группы (рис. 2). В первую вошли все цианобионтные виды (1), а вторая группа разделилась еще на два кластера: хлоролишайники (2) и лишайники с двумя типами фотобионтов (3). Эти результаты свидетельствуют об определяющей значимости типа фотобионта для функционирования всей лишайниковой ассоциации.
Лишайники являются пойкилогидрическими организмами и устойчивы к действию неблагоприятных факторов [12, 13]. Они доминируют в крайних местообитаниях (Арктика, Антарктида, пустыни, высокогорья), но наиболее благоприятными для обитания лишайников являются леса, о чем свидетельствует высокое биологическое разнообразие лихенобиоты в бореальной зоне [14].
Результаты наших исследований зависимости нетто-поглощения СО2 от температуры, освещенности и содержания воды в талломах согласуются с отмеченными ранее другими авторами фактами повышения метаболической активности и роста бореальных видов лишайников в весенний и осенний периоды с умеренно теплой и влажной погодой. Летом при высокой температуре и низкой влажности среды талломы быстро теряют влагу и в дневные часы у них часто наблюдается выделение СО2, что обусловлено преобладанием дыхания микобионта над ассимиляционной активностью клеток фотобионта. Максимальные величины нетто-поглощения СО2 были зарегистрированы нами при температуре талломов +15...+20 оС, относительном содержании в них воды около 60 % и плотности потока ФАР почти на порядок ниже полной солнечной [15, 16].
Прямой солнечный свет с высокой долей УФ-излучения, особенно в сочетании с повышенной температурой, неблагоприятен для жизнедеятельности лишайников. Для защиты от избыточной радиации лишайники используют целый ряд механизмов, включая синтез защитных пигментов [17–19]. Нами проведено сравнительное изучение влияния УФ-B облучения на про-/антиоксидантный метаболизм трехкомпонентного лишайника Peltigera aphthosa и цианолишайника P. rufescens [20]. P. rufescens – полизональный вид с более широким географическим распространением, чем P. aphthosa, являющаяся циркумполярным видом. Талломы P. rufescens были отобраны на лугу, где они подвергались действию высокой инсоляции и температуры. В природных местообитаниях талломы P. rufescens получали на порядок более высокие дозы УФ-радиации, чем P. aphthosa, обитающая в затененных и влажных участках леса. Ежедневное в течение 10 дней облучение лишайников биологически эффективной дозой УФ-B радиации (14 кДж) приводило к накоплению в талломах продуктов перекисного окисления липидов, что является одним из показателей нарушения про-/антиоксидантного баланса клеток и развития окислительного стресса. Следует отметить, что, по сравнению с P. aphthosa, талломы P. rufescens изначально отличались более высоким содержанием продуктов липопероксидации и накапливали гораздо меньшее их количество с увеличением суммарной дозы УФ-B радиации. Это свидетельствует о более высокой способности P. rufescens поддерживать окислительно-восстановительный баланс, что, вероятно, обусловлено адаптацией к более жестким свето-температурным условиям обитания. Облучение P. rufescens вызывало дозозависимое усиление активности супероксиддисмутазы (далее – СОД), фермента, катализирующего реакцию дисмутации агрессивного супероксидного анион-радикала до молекулярного кислорода и стабильного пероксида водорода. Талломы P. aphthosa в контроле и опыте проявляли низкую активность СОД.
У обоих видов лишайников отмечали дозозависимое увеличение активности и повышение доли дыхания по энергетически малоэффективному альтернативному пути (далее – АП). Цитохромное дыхание, функционирование которого сопряжено с образованием энергии, снижалось. При этом эффект УФ-B на дыхание был более выражен у P. aphthosa, в талломах которой под влиянием облучения интенсивно накапливались продукты перекисного окисления липидов и не происходило усиления активности СОД. На возможное участие АП дыхания в адаптации лишайников к действию стресса указывали и некоторые другие исследователи [21]. По нашему мнению, вовлечение АП под действием УФ-B радиации может быть обусловлено его функцией в качестве компонента антиоксидантной системы, предотвращающего перевосстановление дыхательной электрон-транспортной цепи и, следовательно, генерацию избыточного количества активных форм кислорода. С другой стороны вовлечение АП может способствовать поддержанию активности цикла ди- и трикарбоновых кислот как источника образования множества метаболитов, участвующих в различных биосинтезах, связанных с процессами репарации, и защитных экранирующих веществ. Поскольку подавляющая часть массы таллома лишайников приходится на грибной компонент, то изменения в соотношении дыхательных путей под влиянием УФ-B мы связываем с реакцией микобионта. Исследования, выполненные на клетках зеленой водоросли, изолированных после облучения талломов P. aphthosa, подтвердили это предположение [22]. Полученные данные прямо указывают на участие антиоксидантной системы и дыхания в формировании устойчивости лишайников к УФ-B излучению и, следовательно, сохранении способности к фотосинтезу.
На примере модельного вида L. pulmonaria нами установлены закономерности изменения функциональных параметров ФСА фотобионта и адаптивные реакции энерго-пластического метаболизма лишайника в годичном цикле [23]. Показано, что отобранные в зимний период (январь) образцы проявляли фотохимическую активность и способность ассимилировать СО2 после кратковременной гидратации и акклимации в комнатных условиях. Уже в первые минуты потенциальный квантовый выход фотосистемы II (Fv/Fm) превышал 0,5 отн. ед, а спустя 1 ч достигал 0.7 отн. ед., что близко к максимальным значениям Fv/Fm, зарегистрированным у хлоробионтных лишайников [24]. Скорость нетто-поглощения СО2 восстанавливалась медленнее, и только спустя 20 ч с начала акклимации достигала величин, свойственных гидратированным талломам в оптимальных свето-температурных условиях. Полученные результаты свидетельствуют о высокой сохранности ФСА в зимний период и способности к быстрому восстановлению фотосинтеза с наступлением благоприятных условий среды.
Лишайники являются наиболее распространенными объектами биоиндикации [25]. При лихеноиндикации чаще всего оценивают видовое разнообразие, обилие и жизненное состояние лишайников. Снижение численности, встречаемости, репродуктивности, появление некрозов и хлорозов и, наконец, исчезновение лишайников –
результат крайнего загрязнения среды. Применение эколого-физиологических методов и подходов позволяет уловить первые признаки нарушения процессов жизнедеятельности еще до появления видимых повреждений талломов. На примере лишайников, обитающих в зоне бокситового рудника, было показано, что содержание в их талломах железа и алюминия превышало фоновые значения в десятки раз. При этом подавляющая часть поллютантов была локализована на поверхности верхнего корового слоя талломов в виде слабозакрепленных твердых пылевых частиц. Относительно небольшая часть проникала в таллом и была ассоциирована с гифами медуллярного слоя микобионта [26]. Оседание твердых частиц бокситовой пыли на поверхности талломов приводило к снижению скорости ассимиляции CO2, что, по всей видимости, обусловлено физическим затенением, нежели прямым негативным влиянием поллютантов на клетки фотобионта. Это подтверждается отсутствием влияния загрязнения на содержание фотосинтетических пигментов и функциональные параметры ФС II. При этом у лишайников в импактной зоне отмечали усиление вовлечения энергетически малоэффективного альтернативного дыхания, накопление продуктов липоперо-
ксидации, увеличение содержания пероксида водорода и повышение уровня активности ферментов, участвующих в нейтрализации активных форм кислорода [27, 28]. Такие симптомы можно рассматривать как предупредительный сигнал о негативных изменениях в окружающей среде для лихенобиоты как важного компонента лесных экосистем. Следовательно, функциональные показатели могут служить чувствительным индикатором стресса и нарушения процессов жизнедеятельности лишайников в условиях антропогенного загрязнения среды задолго до появления видимых повреждений талломов.
Заключение
Полученные нами результаты существенно дополняют информацию об эколого-биологических свойствах и современном состоянии лихенобиоты таежной зоны, углубляют представления о защитных реакциях лишайников и влиянии факторов среды на функциональную активность компонентов лишайникового симбиоза, свидетельствуют о значимости типа фотобионта для всей ассоциации.
К настоящему времени нашими исследованиями было охвачено немногим более 20 видов лишайников, преимущественно листоватой жизненной формы. Учитывая богатый видовой состав лихенобиоты, ее роль в растительных сообществах и экосистемах таежной зоны, представляется целесообразным продолжить исследования лишайников, сочетая классические эколого-физиологические методы и подходы с молекулярными. Актуальными, на наш взгляд, являются следующие направления: 1) сравнительное изучение фотосинтеза и сопряженных процессов у лишайников с разным типом фотобионтов; 2) выявление физиологических и молекулярных механизмов адаптации симбионтов и оценка их вклада в формирование устойчивости лишайников; 3) изучение систем сигналинга и взаимодействия между компонентами лишайникового симбиоза; 4) характеристика метаболома и изучение вторичного метаболизма лишайников, выявление роли лишайниковых веществ в поддержании устойчивости симбиоза.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Флора лишайников России: биология, экология, разнообразие, распространение и методы изучения лишайников / под ред.: М. П. Андреева и Д. Е. Гимельбрант. – Москва ; Санкт-Петербург : Товарищество научных изданий КМК, 2014. – 392 с.
2. Манойленко, К. В. Академик А. С. Фаминцын: от фундаментальной науки к запросам сельского хозяйства / К. В. Манойленко // Сельскохозяйственная биология. – 2010. – Т. 45, № 1. – С. 117–121.
3. Войцeхович, А. А. Фотобионты лишайников. I: Разнообразие, экологические особенности, взаимоотношения и пути совместной эволюции с микобионтом / А. А. Войцeхович, Т. И. Михайлюк, Т. М. Дариенко // Альгология. – 2011. – Т. 21. – С. 3–26.
4. Honegger, R. Metabolic interactions at the mycobiont-photobiont interface in lichens / R. Honegger // Plant Relationships / eds. G. C. Carroll, P. Tiudzynsk. – Berlin Heidelberg : Springer, 1997. – P. 209–221.
5. Nash III, T. H. Nitrogen, its metabolism and potential contribution to ecosystems / T. H. Nash III // Lichen biology / ed. T. H. Nash III. – Cambridge Univ.Press, 2008. – P. 216–251.
6. Табаленкова, Г. Н. Элементный состав биомассы некоторых лишайников бореальной зоны на европейском Северо-Востоке / Г. Н. Табаленкова, И. В. Далькэ, Т. К. Головко // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2016. – Т. 18, № 2. – С. 221–225.
7. Функциональная экология лишайника Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. в таежной зоне на европейском северо-востоке России / Т. К. Головко, И. В. Далькэ, О. В. Дымова [и др.] // Известия Коми научного центра УрО РАН. – 2018. – № 3 (35). – С. 23–33. – DOI:https://doi.org/10.19110/1994-5655-2018-3-23-33
8. Табаленкова, Г. Н. Аминокислотный состав биомассы некоторых лишайников таежной зоны на европейском Северо-Востоке / Г. Н. Табаленкова, И. В. Далькэ, И. Г. Захожий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2017. – Т. 19, № 2 (3). – С. 556–560.
9. Радлане, Т. Особенности вторичного метаболизма и хемосистематика лишайников / Т. Рандланг, А. Сааг // Флора лишайников России: биология, экология, разнообразие, распространение и методы изучения лишайников. – Москва ; Санкт-Петербург : Товарищество научных изданий КМК, 2014. – С. 142–160.
10. Blankenship, R. E. Molecular mechanisms of photosynthesis / R. E. Blankenship. – Blackwell Science Ltd., 2002. – 321 p.
11. Фотосинтетические пигменты и азот в талломах лишайников бореальной флоры / Т. К. Головко, О. В. Дымова, Г. Н. Табаленкова [и др.] // Теоретическая и прикладная экология. – 2015. – № 4. – С. 74–80.
12. Oliver, M. J. Desiccation-tolerance of plant tissues: A mechanistic overview / M. J. Oliver, J. D. Bewley // Horticultural Reviews. – John Wiley & Sons, Ltd, 1996. – P. 171–213. – DOI:https://doi.org/10.1002/9780470650608.ch3
13. Kappen, L. Opportunistic growth and desiccation tolerance: the ecological success of poikilohydrous autotrophs / L. Kappen, F. Valladares // Handbook of Functional Plant Ecology / eds. F. Pugnaire, F. Valladares. – New York : Marcel Dekker, Inc., 1999. – P. 9–80.
14. Пыстина, Т. Н. Лишайники таежных лесов европейского Северо-Востока: подзоны южной и средней тайги / Т. Н. Пыстина. – Екатеринбург : Уральское отделение РАН, 2003. – 239 с.
15. Устойчивость лишайников бореальной зоны к воздействию природных и антропогенных факторов / Т. К. Головко, И. Г. Захожий, И. В. Далькэ [и др.] // Биологические аспекты распространения, адаптации и устойчивости растений : материалы Всероссийской научной конференции (с международным участием) (15–18 мая 2016 г., Саранск). – Саранск : Изд-во Мордовского ун-та, 2016. – С. 94–97.
16. Головко, Т. К. Эколого-биологические и функциональные свойства лишайников таежной зоны европейского северо-востока России (обзор) / Т. К. Головко, М. А. Шелякин, Т. Н. Пыстина // Теоретическая и прикладная экология. – 2020. – № 1. – С. 6–13. – DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2020-1-006-013
17. Photoprotection in lichens: adaptations of photobionts to high light / R. P. Beckett, F. Minibayeva, K. A. Solhaug, T. Roach / Lichenologist. – 2021. – Vol. 53. – P. 21–33. – DOI:https://doi.org/10.1017/S0024282920000535
18. Beckett, R. P. Adaptations of lichens to fluctuating light – gaps in forest, gaps in our knowledge / R. P. Beckett, F. V. Minibayeva // Лишайники: от молекул до экосистем: материалы докладов Международной конференции (1–5 июля 2024 г., Сыктывкар) [Электронное издание]. – Сыктывкар, 2024. – C. 9–11. – DOI:https://doi.org/10.5281/zenodo.13284771
19. Минибаева, Ф. В. Пигменты лишайников: «цветная» стратегия стрессовой устойчивости / Ф. В. Минибаева // Лишайники: от молекул до экосистем : материалы докладов Международной конференции (1–5 июля 2024 г., Сыктывкар) [Электронное издание]. – Сыктывкар, 2024. – C. 59–61. – DOI:https://doi.org/10.5281/zenodo.13284771
20. Shelyakin, M. A. The effect of UV-B radiation on the antioxidant system in the Peltigera aphthosa and Peltigera rufescens lichens / M. A. Shelyakin, E. V. Silina, T. K. Golovko // J. Sib. Fed. Univ. Biol. –2021. – Vol. 14, N 3. – P. 328–338. – DOI:https://doi.org/10.17516/1997-1389-0359
21. Beckett, R. P. Stress physiology and the symbiosis / R. P. Beckett, I. Kranner, F. V. Minibayeva // Lichen biology / ed. T.H. Nash III. – Cambridge : Cambridge University Press, 2008. – P. 134–151.
22. UV-B induced changes in respiration and antioxidant enzyme activity in the foliose lichen Peltigera aphthosa (L.) Willd. / M. Shelyakin, R. Malyshev, E. Silina [et al.] // Acta Physiologiae Plantarum. – 2022. – Vol. 44. – Р. 116. – DOI:https://doi.org/10.1007/s11738-022-03457-9
23. Photosynthetic and respiratory capacity of foliose lichen Lobaria pulmonaria throughout the annual cycle / M. A. Shelyakin, I. G. Zakhozhiy, I. V. Dalke [et al.] // Russian Journal of Plant Physiology. – 2021. – Vol. 68, N 6. – P. 1048–1058. – DOI:https://doi.org/10.1134/S1021443721060182
24. Rasche, U. Evaluation of instant light-response curves of chlorophyll fluorescence parameters obtained with a portable chlorophyll fluorometer on site in the field / U. Rascher, M. Liebig, U. Lüttge // Plant Cell Environ. – 2000. – Vol. 23. – P. 1397. – DOI:https://doi.org/10.1046/j.1365-3040.2000.00650.x
25. Бязров, Л. Г. Лишайники в экологическом мониторинге / Л. Г. Бязров. – Москва : Научный мир, 2002. – 336 с.
26. Zakhozhiy, I. G. Accumulation and localization of metals in lichen thallus under conditions of dust pollution during open mining of boxite deposits / I. G. Zakhozhiy, M. A. Shelyakin // Russian Journal of Ecology. – 2024. – Vol. 55, N 1. – Р. 32–41. – DOI:https://doi.org/10.1134/S106741362401009
27. Effects of dust pollution on photosynthesis and respiration parameters of lichens in the bauxite mine area / M. A. Shelyakin, I. G. Zakhozhiy, I. V. Dalke [et al.] // Russian Journal of Plant Physiology. – 2024. – Vol. 71. – Р. 116. – DOI:https://doi.org/10.1134/S1021443724605536
28. Реакция лишайников на загрязнение среды при добыче бокситовой руды в таежной зоне / Т. К. Головко, М. А. Шелякин, И. Г. Захожий [и др.] // Теоретическая и прикладная экология. – 2018. – № 2. – С. 44–53. – DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2018-2-044/2-053/1
