Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Параметры фотосинтеза листьев Ficus benjamina исследованы в условиях адаксиального и абаксиального освещения синим и красным актиничным светом, с применением импульсно-модулированной (PAM) флуориметрии (измерение квантового выхода фотосистемы II, Fv/Fm, F’v/F’m), методов измерения скорости ассимиляции CO2 (P) в проточной камере и метода двухчастотной Фурье-фотоакустической спектроскопии. С помощью фотоакустических исследований рассчитаны кислородные коэффициенты фотосинтеза как отношение скорости фотолитического выделения кислорода к величине фотохимически сохраняемой энергии (ΨO2). Показано, что температурный стресс (39 С) оказывал незначительное и недостоверное влияние на величины Fv/Fm и F’v/F’m вне зависимости от цвета и направления актиничного света (адаксиально или абаксиально). Однако величины Р и ΨO2 снижались под воздействием температурного стресса и в результате замены красного света на синий. При этом стресс и синий свет усиливали дорзовентральную ассиметрию листьев по показателям Р и ΨO2. Предположили, что реакция на синий свет обусловлена проникновением синего света на меньшую глубину листа, где он возбуждает фотосинтез преимущественно в палисадном мезофилле, в большей степени приспособленном для аноксигенного фотосинтеза, тогда как красный свет проникает на большую глубину, в губчатый мезофилл, и поэтому более эффективен для возбуждения оксигенного фотосинтеза. Фактически, реакция листьев растений F. benjamina на синий свет и температурный стресс заключалась в увеличении доли аноксигенного фотосинтеза (вероятно за счет циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы II), более выраженного в палисадном мезофилле по сравнению с губчатым мезофиллом. Результаты опубликованы: https://jbks.ru/assets/files/content/2022/41/article-2.pdf (см. таже список отчетных публикаций). Параметры P, R, Fv/Fm, F’v/F’m,ΨO2, ZCO2 и ZΨO2, изучены также в условиях адаксиального и абаксиального освещения листьев Chelidonium majus, подвергшихся стрессу, индуцированному SiO2–наночастицами (SiO2-NPs). Cуспензию SiO2-NPs применяли методом опрыскивания и вакуумной инфильтрации. В качестве контрольных образцов использовали интактные и инфильтрованные дистиллированной водой листья. Показано, что величины дорзовентральной ассиметрии SP и SΨO2 в результате обработки SiO2-NPs существенно снижались (более сильно, если использовалась инфильтрация), поскольку P и ΨO2 снижались быстрее, если актиничный свет был направлен на абаксиальную сторону, по сравнению с адаксиальной стороной. Таким образом, полученные результаты показали, что SiO2-NPs вызывали увеличение “аноксигенности” фотосинтеза. В целом, проведенные флуориметрические, фотоакустические и другие исследования показали, что реакция двух разных видов растений (F. benjamina и C. majus) на сильно отличающиеся типы стрессорного воздействия (повышенная температура и действие наночастиц) одинакова. Она заключается в увеличении дорзовентральной ассиметрии листьев по показателям оксигенного фотосинтеза и в общем увеличении доли аноксигенного фотосинтеза. Полученные результаты указывают на процесс циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы II (CET-PSII) как на “сигнатуру” стресса растений. Кроме этого, полученные данные свидетельствуют о большей приспособленности палисадного мезофилла листьев к аноксигенному фотосинтезу по сравнению с губчатым мезофиллом, что объясняет известные анатомические различия этих двух типов фотосинтезирующих тканей. По результатам работы подготовлена статья: Lysenko et al. “Changes of dorsoventral asymmetry and anoxygenic photosynthesis in response of Chelidonium majus leaves to the SiO2 nanoparticle treatment; a study using Fourier photoacoustics and PAM-fluorometry” находящаяся в настоящее время на рецензировании в журнале. Выполнен анализ литературных данных относящихся к особенностям применения методов импульсной флуориметрии и фотоакустической спектроскопии (как альтернативы и дополнения к ней) в оценке уроней оксигенного и аноксигенного фотосинтеза. Рассмотрены MT (multiple turnover) и ST (single turnover) варианты PAM-флуориметрии и проанализированы сравнительные особенности ее применения для исследований микроводорослей и листьев. По результатам работы подготовлена обзорная статья: Lysenko et al. “Chlorophyll fluorometry in evaluating photosynthetic performance; key limitations, possibilities, perspectives and alternatives”, принятая к публикации (см. список отчетных публикаций). Исследована возможность и эффективность использования вегетационных индексов крон Quercus robur L. и Q. macrocarpa, полученных методом удаленных гиперспектральных исследований, для идентификации их видовой принадлежности Отмечено влияние рН почвы и засухи, как стрессорного фактора внешней среды, на достоверность и эффективность такой идентификации. Рассчитано 80 вегетационных индексов, значения которых были проанализированы с использованием методов дисперсионного анализа (ANOVA), анализа главных компонентов (Principal Component Analysis), дерева решений (Decision Tree) и методов случайного леса (Random Forest). В результате проведенного исследования удалось выявить группу вегетационных индексов, значения которых существенно зависят от видовой принадлежности деревьев, что подтверждает возможность идентификации пород дуба с помощью данных гиперспектральной съемки. Показано, что это связано со значительным различием эколого-биологических свойств этих видов. В частности, Q. rubra, в отличие от других видов, была больше подвержена стрессу от воздействия засухи и высоких температур, что проявлялось в хлорозе листьев. Результаты опубликованы: http://ejss.fesss.org/10.18393/ejss.1183524; http://ejss.fesss.org/10.18393/ejss.1183524/pdf (см. таже список отчетных публикаций) Исследованы процессы фотосинтеза в листьях и зеленеющих каллюсах сои, полученных методом культуры ткани. Предварительно показано, что листья сои имеют двухступенчатую кинетику старта фотоассимиляции СO2, тогда как зеленые семядоли и каллюсы – простую, одноступенчатую. Двухступенчатая кинетика была таже обнаружена в листьях Ficus benjamina, Hordeum vulgare и Filipendula ulmaria. Кроме того, одноступенчатая кинетика, помимо каллюсных тканей и семядолей, была выявлена в темно-зеленых секторах листьев пестролистных растений Dracaena.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Исследованы ультраструктура и особенности фотосинтеза в зеленеющих каллюсах сои, Glycine. max, выращенных в культуре ткани на свету. Показано, что кинетика ассимиляции CO2 каллюсами (компактная каллюсная ткань), вызванная действием синего света (синий светодиод, 465 nm, PPFD = 80 мкмоль фотонов м–2 с–1), является одноступенчатой (т.е. имеет упрощенный характер) – рост ассимиляции начинается сразу и быстро, плавно достигая максимальных значений без лаг-периода. В то же время что кинетика ассимиляции CO2 листьями имела двухступенчатый характер. Фотосинтетическое поглощение CO2 не компенсировало дыхания, достигая только около 1/3 от его величины. Действие красного света не приводило к фотосинтетической ассимиляции CO2. Амплитуды кинетики флуоресценции (индексы спада флуоресценции, Rfd), возбуждаемой синим и красным актиничным светом были близки по величине, как в каллусах, так и в листьях, однако в каллусах они оказались значительно ниже, чем в листьях. В то же время, кинетические кривые ассимиляции CO2 каллюсами сильно отличались по форме в зависимости цвета актиничного света. Красный актиничный свет вызывал резкий пик продолжительностью 10-15 с, после чего флуоресценция быстро достигала стабильного уровня. Синий актиничный свет также вызывал быстрый подъем флуоресценции, но ее снижение происходило медленно, в течение 8-16 мин. В то же время кинетика флуоресценции, возбуждаемой в листьях, по амплитуде и форме слабо зависела от цвета актиничного света. Значительные величины амплитуды кинетики флуоресценции (Rfd), возбужденной красным светом, наблюдаемые в отсутствие ассимиляции CO2, интерпретировали как следствие протекания аноксигенного фотосинтеза, основанного на циклическом транспорте электронов вокруг фотосистемы II (ЦЭТ-ФСII), не исключая также и одновременное протекание ЦЭТ-ФСI. Предположили, что обнаруженные отклонения параметров фотосинтеза каллюсов от листьев сои обусловлены сенесцентным характером клеток каллюса. В частности, в ходе проведенных исследований, методами трансмиссионной электронной микроскопии были выявлены признаки сенесценции (клеточного старения) компактного каллюса – очень тонкий слой цитоплазмы и секвестрация цитоплазмы, разрыв вакуолярной мембраны, отслоение цитоплазмы от клеточной стенки и таргетирование органелл (включая хлоропласты) в вакуоли, малое количество или отсутствие митохондрий. Мембраны хлоропластов часто разрушены. Нетаргетированные (в вакуоли) хлоропласты компактного каллюса располагались в основном в отслаивающейся от клеточной оболочки цитоплазме. В целом, результаты выполненных экспериментов демонстрируют возможность использования зеленеющих каллюсов как модель для исследований остаточного фотосинтеза в клетках, ультраструктура которых была нарушена процессами старения или иными факторами. Полученные результаты также могут быть использованы при разработке методов микроклонирования, предполагающих применение зеленеющих каллюсов. 3. Методами PAM-флуорометрии и видеорегистрации флуоресценции изучены максимальный и операционные квантовые выходы фотосистемы II (Fv/Fm и Fv'Fm'), фотоиндукционные кривые и коэффициенты спада флуоресценции (Rfd) темно-зеленых и светло-зеленых секторов листьев пестролистных растений Dracaena fragrans L. Измеряли отражение и пропускание белого света этими секторами листьев с помощью интегрирующей сферы. Поглощение рассчитывали из отражения и пропускания. Скорость ассимиляции CO2 (PN), темнового дыхания (R) измеряли с помощью проточной камеры и инфракрасного NDIR-cенсора, предварительно получая кинетические кривые ассимиляции. Скорость фотолитического выделения O2 (PAYO2, или скорость фотолиза воды) изучали с помощью нового Фурье-фотоакустического метода, нечувствительного к дыханию, фотодыханию и другим процессам поглощения O2. Для обоих типов секторов получены кривые насыщения фотосинтеза по ассимиляции CO2. Обнаружено, что величины параметров Rfd, Fv/Fm, Fv'Fm', PN и PAYO2 в темно- и светло-зеленых секторах в линейной области кривых насыщения очень близки, тогда как по содержанию хлорофилла они отличались между собой в 7,5 раз, а по абсорбции света хлорофиллом – от 1,47 до 1,8 раза. Показано, что отношение хлорофилл а/b в разных типов секторов существенно не отличается. С помощью оптической микроскопии продемонстрировано, что причиной снижения содержания хлорофилла в светло-зеленых секторах является снижение как числа хлорофилл-содержащих клеток, так и снижение его концентрации в клетках. В качестве наиболее вероятной причины сравнительного (между разными типами секторов) несоответствия абсорбции и уровня оксигенного фотосинтеза рассмотрены процессы циклического транспорта электронов вокруг фотосистемы II (CET-PSII) и вокруг фотосистемы I (CET-PSI). В частности, нельзя исключить, что часть активности CET (относящейся к аноксигенному фотосинтезу) свойственной нормальным зеленым секторам листа, вместе с соответствующим количеством хлорофилла, может быть утрачена в светло-зеленых секторах, сохраняющих, однако, ту же активность LET (относящуюся к оксигенному фотосинтезу), что и в нормальных зеленых секторах. Полученные данные вносят вклад в понимание физиологической регуляции содержания хлорофилла и роли аноксигенного фотосинтеза (CET-PSII) в листьях растений. Результаты работы опубликованы: Lysenko V, Kirichenko E, Logvinov A, Azarov A, Rajput V, Chokheli V, Chalenko E, Yadronova O, Varduny T, Krasnov V, Karaseva T. Ultrastructure, CO2 assimilation and chlorophyll fluorescence kinetics in photosynthesizing Glycine max callus and leaf mesophyll tissues. Horticulturae 2023, 9(11), 1211 https://www.mdpi.com/2311-7524/9/11/1211 3. Исследовали зависимость спектров отражения и величин вегетационных индексов листьев Ficus elastica от предшествующей 10-часовой фотоингибирующей (световой стресс) и умеренной световой экспозиции. В контрольных экспериментах использовались адаптированные к темноте растения. Измерения проводились с помощью гиперспектральной камеры Cubert UHD-185 в дискретных спектральных полосах, в диапазоне длин волн от 450 до 950 нм с шагом 4 нм. В процессе обработки данных применялись методы машинного обучения. Показано, что предшествующий световой стресс приводит к увеличению (последействие) отражения в диапазоне 522 - 594 нм и уменьшению отражения при 666 - 682 нм. Обсуждаются физиологические причины наблюдаемых спектральных сдвигов. На основе эмпирических данных предложен и протестирован индекс (LSI) = mean(R666:682)/mean(R552:594), фактически являющийся спектральной "сигнатурой" светового стресса. Предварительно установлено, что порог сдвига значений этого индекса, превышение которого дает основание идентифицировать световой стресс, составляет 1,17. Полученные данные свидетельствуют о возможности выявления светового стресса растений с помощью спектрометрического оборудования, дистанционно анализирующего пассивное отражение, а также о необходимости учета световой истории при анализе гиперспектральных данных. Результаты работы опубликованы: Dmitriev, P.A., Kozlovsky, B.L., Dmitrieva, A.A., Lysenko, V.S., Chokheli, V.A.; Varduni, T.V. Indication of light stress in Ficus elastica using hyperspectral imaging. AgriEngineering 2023, 5, 2253-2265. https://www.mdpi.com/2624-7402/5/4/138