ИСТИНА

Целью работы является комплексное изучение механизмов ответной реакции фотосинтетического аппарата высших растений на токсическое воздействие тяжелых металлов с использованием совокупности современных экспериментальных и математических методов. Фотосинтетический аппарат является чувствительной мишенью для тяжелых металлов. В хлоропластах тяжелые металлы блокируют транспорт электронов на разных участках электрон-транспортной цепи, воздействуют на работу фотосистемы II, снижают эффективность первичных фотохимических реакций, замедляют скорость фотофосфорилирования и ингибируют темновые реакции фотосинтеза. Анализ высокоинформативных кинетических кривых флуоресценции хлорофилла и кривых редокс изменений переносчиков электронов с использованием методов математического и молекулярного моделирования позволит выявить in vivo мишени ингибиторного действия тяжелых металлов на фотосинтетический электронный транспорт и их чувствительность к токсическому воздействию, а также количественно охарактеризовать динамику развития стресса. Реализация проекта позволит выявить ключевые процессы, происходящие при интоксикации фотосинтетического аппарата, и разработать методы ранней диагностики загрязнения среды по функциональному состоянию фотосинтетического электронного транспорта.

Transition to highly efficient and environmentally friendly agriculture and aquaculture requires development of high-precision express methods to assess quality of the environment and condition of organisms. Plant photosynthetic apparatus is a complex metabolic system, its components are highly sensitive to toxic exposure, including heavy metals. To understand how toxic factors affect the photosynthetic apparatus, it is necessary to clarify physical and chemical mechanisms of energy and electron flux transformation under stress. The project involves a comprehensive study of the photosynthetic apparatus during the development of stress caused by exposure to toxic factors. Experiments will be conducted to measure optical characteristics and to reveal chloroplast ultrastructure of the leaf mesophyll cell during incubation of pea plants in the presence of different doses of heavy metals such as chromium, cadmium and copper. To assess the functional state of the photosynthetic apparatus, optical methods with high temporal resolution will be used, including registration of induction kinetics of rapid and delayed chlorophyll fluorescence , and redox transitions of photosynthetic electron carriers: P700 pigment of photosystem 1, plastocyanin and ferredoxin. To analyze experimental data, original algorithms will be developed for early detection of the stress effects, and agent-based models (multiparticle Brownian and stochastic Monte Carlo models) to study molecular mechanisms of processes sensitive to the toxic effects. Analysis of the experimental data will reveal the most sensitive to toxic action photosynthetic parameters that can be employed for early diagnostics of contamination by toxic compounds.

1. В ходе выполнения проекта будут сформированы массивы данных на основе измерений индукционных кривых быстрой и замедленной флуоресценции хлорофилла а и редокс превращений Р700, пластоцианина и ферредоксина, а также получены снимки с ультраструктурой хлоропласта на разных этапах инкубации проростков гороха в присутствии разных концентраций хрома, кадмия и меди. 2. Будет проведен математический анализ указанных индукционных кривых с использованием различных подходов и моделей для определения наиболее чувствительных к токсическому действию параметров кривых. На основании этого анализа будут выявлены характерные для токсического стресса в целом и для каждого металла в отдельности изменения оптических и морфологических характеристик клеток. 3. Будет разработана модель стромальных и гранальных ламелл хлоропласта с явным учетом диффузии подвижных переносчиков электрона и выявлены молекулярные механизмы ответа фотосинтетического аппарата на токсический стресс. Будет установлена взаимосвязь морфологических изменений клеток с наблюдаемыми изменениями регистрируемых кривых и выделены наиболее чувствительные к действию тяжелых металлов стадии переноса электрона по электрон-транспортной цепи. Прикладная значимость результатов настоящего проекта состоит в разработке системы показателей фотосинтетической активности, которые будут служить маркерами воздействия тяжелых металлов для ранней диагностики неблагополучия экологического состояния системы.

Кафедра биофизики биологического факультета МГУ более четверти века проводит лабораторные и натурные фундаментальные исследования процессов фотосинтеза растений и водорослей с использованием оптических методов. Эти работы по изучению природы генерации флуоресценции хлорофилла растений и водорослей позволили разработать оригинальные подходы изучения фотосинтетических процессов растений и микроводорослей в биофотореакторах (Antal et al., 2018), а также флуоресцентные зонды для регистрации фотосинтетических процессов у культур водорослей и природного фитопланктона, которые могут быть использованы для биотестирования природных и сточных вод (Маторин и др., 2015). Применяя эту аппаратуру, было проведено зондирование состояния водной среды в разных водоемах. На основе флуоресцентных методов на кафедре биофизики биологического факультета МГУ разработана «Методика измерений обилия и индикации изменения состояния фитопланктона в природных водах флуоресцентным методом» (ФР.1.39.2011.11246, ПНД Ф 14.2.268-2012). Методика допущена для целей государственного экологического контроля по разделу “количественный химический анализ вод”.