Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation
Aim. To investigate structural and functional modifications of major components of photosynthetic membranes of endemic antarctic species D. antarctica under UV-B radiation. Methods. For quantitative determination of photosynthetic membrane components we used Arnon’s method (for chlorophylls and caro...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вiopolymers and Cell |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/156705 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation / N.Yu. Taran, V.O. Storozhenko, N.B. Svietlova, N.M. Topchiy // Вiopolymers and Cell. — 2012. — Т. 28, № 1. — С. 39-43. — Бібліогр.: 43 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-156705 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Taran, N.Yu. Storozhenko, V.O. Svietlova, N.B. Topchiy, N.M. 2019-06-18T19:40:20Z 2019-06-18T19:40:20Z 2012 Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation / N.Yu. Taran, V.O. Storozhenko, N.B. Svietlova, N.M. Topchiy // Вiopolymers and Cell. — 2012. — Т. 28, № 1. — С. 39-43. — Бібліогр.: 43 назв. — англ. 0233-7657 DOI: http://dx.doi.org/10.7124/bc.00002A https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/156705 577.217:577.322 Aim. To investigate structural and functional modifications of major components of photosynthetic membranes of endemic antarctic species D. antarctica under UV-B radiation. Methods. For quantitative determination of photosynthetic membrane components we used Arnon’s method (for chlorophylls and carotenoids); separation of carotenoids was carried out by Merzlyak’s method; polar lipids were isolated by Zill and Harmon method in modification of Yakovenko and Mihno; glycolipids separation and identification we carried out by Yamamoto method; and sulfoquinovosyl diacylglycerol content was determined by Kean method. The separation, disintegration and determination of pigment-protein complexes of chloroplasts were carried out by Anderson method. Authenticity of differences between the mean arithmetic values of indices was set after the Student criterion. Differences were considered as reliable at p 0.05. Results. We determined structural and functional changes in lipids, carotenoids and pigment-protein complexes at the photosyntetic apparatus level in D. antarctica plants under UV-B radiation. Conclusions. Adaptation of D. antarctica plants to UV-B radiation is accompanied by a cascade of physiological and biochemical rearrangements at the level of photosynthetic apparatus, manifested as the changes in pigment, lipid and pigment-protein complexes content. Мета. Дослідження структурних і функціональних модифікацій головних компонентів фотосинтетичних мембран ендемічного антарктичного виду D. antarctica за умов жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Методи. Кількісне визначення компонентів фотосинтетичних мембран проводили за методом Арнона (для хлорофілів і каротиноїдів), розділення каротиноїдів – за методом Мерзляка, виділення полярних ліпідів – за методом Зілла і Хармона з модифікацією Яковенка і Міхно, розділення гліколіпідів та їхня ідентифікація – за методом Ямамото, а їхній аналіз – за допомогою програми «Total lab», вміст сульфохіновозилдіацилгліцеролу визначали за методом Кіна. Розділення і визначення комплексів пігмент-білок хлоропластів здійснювали методом Андерсон. Достовірність різниці між значеннями середнього арифметичного знаходили за критерієм Ст’юдента. Різницю вважали достовірною при значенні р 0,05. Результати. Встановлено структурні та функціональні зміни ліпідів, каротиноїдів і комплексів пігмент-білок на рівні фотосинтетичного апарату у рослин D. antarctica за умов УФ-В випромінювання. Висновки. Адаптація рослин D. antarctica до впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання супроводжується каскадом фізіологічних і біохімічних перебудов на рівні фотосинтетичного апарату, пов’язаних зі змінами вмісту пігментів, ліпідів і комплексів пігмент-білок. Цель. Исследование структурных и функциональных модификаций главных компонентов фотосинтетических мембран эндемического антарктического вида D. antarctica в условиях жесткого ультрафиолетового излучения. Методы. Количественное определение главных компонентов фотосинтетических мембран проведено по методу Арнона (для хлорофиллов и каротиноидов), разделение каротиноидов – по методу Мерзляка, выделение полярных липидов – по методу Зилла и Хармона с модификацией Яковенко и Михно, разделение гликолипидов и их идентификация – по методу Ямамото, а их анализ – с помощью программы «Total lab», содержание сульфохиновозилдиацилглицерола определяли по методу Кина. Разделение и определение комплексов пигмент-белок хлоропластов осуществляли методом Андерсон. Достоверность различий между значениями среднего арифметического находили по критерию Стьюдента. Различия считали достоверными при значении р 0,05. Результаты. Установлены структурные и функциональные изменения в содержании и соотношении липидов, каротиноидов и комплексов пигмент-белок на уровне фотосинтетического аппарата растений D. antarctica в условиях УФ-В излучения. Выводы. Адаптация растений D. antarctica к воздействию жесткого ультрафиолетового излучения связана с каскадом физиологических и биохимических перестроек на уровне фотосинтетического аппарата, связанных с изменениями в содержании пигментов, липидов и комплексов пигмент-белок. en Інститут молекулярної біології і генетики НАН України Вiopolymers and Cell Structure and Function of Biopolymers Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation Ліпіди і комплекси пігмент–білок на рівні фотосинтетичного апарату у рослин Deschampsia antarctica за умов ультрафіолетового випромінювання Липиды и комплексы пигмент–белок на уровне фотосинтетического аппарата у растений Deschampsia antarctica в условиях ультрафиолетового излучения Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation |
| spellingShingle |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation Taran, N.Yu. Storozhenko, V.O. Svietlova, N.B. Topchiy, N.M. Structure and Function of Biopolymers |
| title_short |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation |
| title_full |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation |
| title_fullStr |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation |
| title_full_unstemmed |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation |
| title_sort |
lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of deschampsia antarctica desv. plants under uv-b radiation |
| author |
Taran, N.Yu. Storozhenko, V.O. Svietlova, N.B. Topchiy, N.M. |
| author_facet |
Taran, N.Yu. Storozhenko, V.O. Svietlova, N.B. Topchiy, N.M. |
| topic |
Structure and Function of Biopolymers |
| topic_facet |
Structure and Function of Biopolymers |
| publishDate |
2012 |
| language |
English |
| container_title |
Вiopolymers and Cell |
| publisher |
Інститут молекулярної біології і генетики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Ліпіди і комплекси пігмент–білок на рівні фотосинтетичного апарату у рослин Deschampsia antarctica за умов ультрафіолетового випромінювання Липиды и комплексы пигмент–белок на уровне фотосинтетического аппарата у растений Deschampsia antarctica в условиях ультрафиолетового излучения |
| description |
Aim. To investigate structural and functional modifications of major components of photosynthetic membranes of endemic antarctic species D. antarctica under UV-B radiation. Methods. For quantitative determination of photosynthetic membrane components we used Arnon’s method (for chlorophylls and carotenoids); separation of carotenoids was carried out by Merzlyak’s method; polar lipids were isolated by Zill and Harmon method in modification of Yakovenko and Mihno; glycolipids separation and identification we carried out by Yamamoto method; and sulfoquinovosyl diacylglycerol content was determined by Kean method. The separation, disintegration and determination of pigment-protein complexes of chloroplasts were carried out by Anderson method. Authenticity of differences between the mean arithmetic values of indices was set after the Student criterion. Differences were considered as reliable at p 0.05. Results. We determined structural and functional changes in lipids, carotenoids and pigment-protein complexes at the photosyntetic apparatus level in D. antarctica plants under UV-B radiation. Conclusions. Adaptation of D. antarctica plants to UV-B radiation is accompanied by a cascade of physiological and biochemical rearrangements at the level of photosynthetic apparatus, manifested as the changes in pigment, lipid and pigment-protein complexes content.
Мета. Дослідження структурних і функціональних модифікацій головних компонентів фотосинтетичних мембран ендемічного антарктичного виду D. antarctica за умов жорсткого ультрафіолетового випромінювання. Методи. Кількісне визначення компонентів фотосинтетичних мембран проводили за методом Арнона (для хлорофілів і каротиноїдів), розділення каротиноїдів – за методом Мерзляка, виділення полярних ліпідів – за методом Зілла і Хармона з модифікацією Яковенка і Міхно, розділення гліколіпідів та їхня ідентифікація – за методом Ямамото, а їхній аналіз – за допомогою програми «Total lab», вміст сульфохіновозилдіацилгліцеролу визначали за методом Кіна. Розділення і визначення комплексів пігмент-білок хлоропластів здійснювали методом Андерсон. Достовірність різниці між значеннями середнього арифметичного знаходили за критерієм Ст’юдента. Різницю вважали достовірною при значенні р 0,05. Результати. Встановлено структурні та функціональні зміни ліпідів, каротиноїдів і комплексів пігмент-білок на рівні фотосинтетичного апарату у рослин D. antarctica за умов УФ-В випромінювання. Висновки. Адаптація рослин D. antarctica до впливу жорсткого ультрафіолетового випромінювання супроводжується каскадом фізіологічних і біохімічних перебудов на рівні фотосинтетичного апарату, пов’язаних зі змінами вмісту пігментів, ліпідів і комплексів пігмент-білок.
Цель. Исследование структурных и функциональных модификаций главных компонентов фотосинтетических мембран эндемического антарктического вида D. antarctica в условиях жесткого ультрафиолетового излучения. Методы. Количественное определение главных компонентов фотосинтетических мембран проведено по методу Арнона (для хлорофиллов и каротиноидов), разделение каротиноидов – по методу Мерзляка, выделение полярных липидов – по методу Зилла и Хармона с модификацией Яковенко и Михно, разделение гликолипидов и их идентификация – по методу Ямамото, а их анализ – с помощью программы «Total lab», содержание сульфохиновозилдиацилглицерола определяли по методу Кина. Разделение и определение комплексов пигмент-белок хлоропластов осуществляли методом Андерсон. Достоверность различий между значениями среднего арифметического находили по критерию Стьюдента. Различия считали достоверными при значении р 0,05. Результаты. Установлены структурные и функциональные изменения в содержании и соотношении липидов, каротиноидов и комплексов пигмент-белок на уровне фотосинтетического аппарата растений D. antarctica в условиях УФ-В излучения. Выводы. Адаптация растений D. antarctica к воздействию жесткого ультрафиолетового излучения связана с каскадом физиологических и биохимических перестроек на уровне фотосинтетического аппарата, связанных с изменениями в содержании пигментов, липидов и комплексов пигмент-белок.
|
| issn |
0233-7657 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/156705 |
| citation_txt |
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under UV-B radiation / N.Yu. Taran, V.O. Storozhenko, N.B. Svietlova, N.M. Topchiy // Вiopolymers and Cell. — 2012. — Т. 28, № 1. — С. 39-43. — Бібліогр.: 43 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT tarannyu lipidsandpigmentproteincomplexesofphotosyntheticapparatusofdeschampsiaantarcticadesvplantsunderuvbradiation AT storozhenkovo lipidsandpigmentproteincomplexesofphotosyntheticapparatusofdeschampsiaantarcticadesvplantsunderuvbradiation AT svietlovanb lipidsandpigmentproteincomplexesofphotosyntheticapparatusofdeschampsiaantarcticadesvplantsunderuvbradiation AT topchiynm lipidsandpigmentproteincomplexesofphotosyntheticapparatusofdeschampsiaantarcticadesvplantsunderuvbradiation AT tarannyu lípídiíkompleksipígmentbíloknarívnífotosintetičnogoaparatuuroslindeschampsiaantarcticazaumovulʹtrafíoletovogovipromínûvannâ AT storozhenkovo lípídiíkompleksipígmentbíloknarívnífotosintetičnogoaparatuuroslindeschampsiaantarcticazaumovulʹtrafíoletovogovipromínûvannâ AT svietlovanb lípídiíkompleksipígmentbíloknarívnífotosintetičnogoaparatuuroslindeschampsiaantarcticazaumovulʹtrafíoletovogovipromínûvannâ AT topchiynm lípídiíkompleksipígmentbíloknarívnífotosintetičnogoaparatuuroslindeschampsiaantarcticazaumovulʹtrafíoletovogovipromínûvannâ AT tarannyu lipidyikompleksypigmentbeloknaurovnefotosintetičeskogoapparataurasteniideschampsiaantarcticavusloviâhulʹtrafioletovogoizlučeniâ AT storozhenkovo lipidyikompleksypigmentbeloknaurovnefotosintetičeskogoapparataurasteniideschampsiaantarcticavusloviâhulʹtrafioletovogoizlučeniâ AT svietlovanb lipidyikompleksypigmentbeloknaurovnefotosintetičeskogoapparataurasteniideschampsiaantarcticavusloviâhulʹtrafioletovogoizlučeniâ AT topchiynm lipidyikompleksypigmentbeloknaurovnefotosintetičeskogoapparataurasteniideschampsiaantarcticavusloviâhulʹtrafioletovogoizlučeniâ |
| first_indexed |
2025-11-27T01:40:20Z |
| last_indexed |
2025-11-27T01:40:20Z |
| _version_ |
1850791493335252992 |
| fulltext |
STRUCTURE AND FUNCTION OF BIOPOLYMERS
UDC 577.217:577.322
Lipids and pigment-protein complexes of photosynthetic
apparatus of Deschampsia antarctica Desv. plants under
UV-B radiation
N. Yu. Taran, V. O. Storozhenko, N. B. Svietlova, N. M. Topchiy1
Educational and Scientific Center «Institute of Biology», National Taras ShevchenkoUniversity of Kyiv
64/13, Volodymyrska Str., Kyiv, Ukraine, 01601
1M. G. Kholodny Institute of Botany, NAS of Ukraine
2, Tereshchenkivska Str., Kyiv, Ukraine, 01601
vstoro@ukr.net
Aim. To investigate structural and functional modifications of major components of photosynthetic membranes
of endemic antarctic species D. antarctica under UV-B radiation. Methods. For quantitative determination of
photosynthetic membrane components we used Arnon’s method (for chlorophylls and carotenoids); separation
of carotenoids was carried out by Merzlyak’s method; polar lipids were isolated by Zill and Harmon method in
modification of Yakovenko and Mihno; glycolipids separation and identification we carried out by Yamamoto
method; and sulfoquinovosyl diacylglycerol content was determined by Kean method. The separation, disinteg-
ration and determination of pigment-protein complexes of chloroplasts were carried out by Anderson method.
Authenticity of differences between the mean arithmetic values of indices was set after the Student criterion.
Differences were considered as reliable at p ≤ 0.05. Results. We determined structural and functional changes in li-
pids, carotenoids and pigment-protein complexes at the photosyntetic apparatus level in D. antarctica plants un-
der UV-B radiation. Conclusions. Adaptation of D. antarctica plants to UV-B radiation is accompanied by a
cascade of physiological and biochemical rearrangements at the level of photosynthetic apparatus, manifested
as the changes in pigment, lipid and pigment-protein complexes content.
Keywords: Deschampsia antarctica, UV-B radiation, photosynthetic apparatus.
Introduction. D. antarctica Desv. is the only native spe-
cies of Poaceae found in Antarctica. These plants are
naturally adapted to the cold maritime Antarctic cli-
mate and high level of natural UV-B [1–4]. The ra-
diation may result in the damage of the genetic system
and cell membranes, and affect several metabolic pro-
cesses. Many authors noted that the action of UV-B
radiation on plants caused the reduction of biomass,
leaf area, growth rate, and photosynthesis [5, 6]. UV-B
radiation influenced the plant development not only at
the physiological and biochemical levels, but also at the
genetic one [7].
There was observed the growth inhibition of D. an-
tarctica plants at Palmer station at the Antarctic Penin-
sula under conditions of Antarctic solar UV-B in com-
parison with the plots, where solar UV-B radiation was
filtered out [8]. Low temperature, high light (illumina-
tion) increased the degradation of ozonosphere. It cau-
sed enhancement of UV-B radiation level and induced
the intensive formation of reactive oxygen species (ROS).
Carotenoids, tocopherols and ascorbate are known to
protect the photosynthetic apparatus from ROS [9–13].
Besides, there were noted the changes of fluores-
cence parameters and content of pigments [6], lipids
[14] and pigment-proteins complexes [15] in plants
under UV-B radiation. Therefore we that investigation
of these parameters is expedient to explain the me-
chanisms of D. antarctica plant resistance to UV-B
radiation.
Materials and methods. Photosynthetic tissues of
D. antarctica plants selected from territories of Antarc-
tic islands were investigated. Control and experimental
39
ISSN 0233–7657. Biopolymers and Cell. 2012. Vol. 28. N 1. P. 39–43
Institute of Molecular Biology and Genetics, NAS of Ukraine, 2012
plants were grown under conditions of constant tempe-
rature (10 oC), relative humidity (60 %), CO2 concen-
tration of 330 ppm and daily illumination by lumines-
cent lamps (L 30W/77, Fluora, 450–650 nm) for 10
days (23 W/m2, photoperiod 16 h).
The experimental plants were grown under the sa-
me conditions, but on the fifth day of growing they we-
re irradiated by UV-B for 20 h in five expositions (4 h
in every light period). The UV-B lamp with absorption
filter (TL 20BB/12RS («Philips», USA), 280–300 nm)
was used for illumination of plants. The dose of UV-B
radiation was 6.17 kJ⋅ m–2 d–1. The distance from the sour-
ce of illumination to plants was 10 cm. The pigment con-
tent in leaves was determined according to Arnon [16].
The separation of carotenoids was carried out by TLC
method [17]. Polar lipids were isolated according to Zill
and Harmon method [18] in modification of Yakovenko
and Mihno [19]. Glycolipids were separated by TLC and
content of monogalactosyl diacylglycerol (MGDG) and
digalactosyl diacylglycerol (DGDG) was determined
by densitometring TLC plates [20]. Content of sulfo-
quinovosyl diacylglycerol (SQDG) was determined ac-
cording to Kean [21].
Separation of thylakoid membranes was carried out
in nondenaturing polyacrylamide gel for their disinteg-
ration [22]. Content of chloroplast pigment-protein
complexes was determined by Anderson method [23].
The experiments were fourfold reproduced; authen-
ticity of differences between the mean arithmetic va-
lues of indices was set after the Student’s criterion. Dif-
ferences were considered as reliable at p ≤ 0.05.
Results and discussion. The significant changes in
photosynthetic pigment composition in leaves of D. an-
tarctica plants under UV-B radiation were noted. It in-
duced degradation of chlorophylls (Chls) a, b and β-ca-
rotene. However, the Chl a/b ratio, lutein + zeaxanthin
(Lu + Zea), violaxanthin (Vio) and neoxanthin (Neo)
pools were unchanged. The total content of carotenoids
(Cars) in D. antarctica plants under UV-B light was al-
so stable.
The molar Chls/Cars ratio was lower in plants un-
der UV-B radiation (1.62) in comparison with control
one (2.36) (Fig. 1, a, b). The Chls/Cars ratio is an im-
portant characteristic of the pigment complex. Our data
agree with the results of other authors which showed
that total Chl concentration was significantly lower in
the plants grown under UV-B radiation [24].
UV-B radiation induces the decrease in content of
two galactolipids, MGDG and DGDG, in photosyn-
thetic membranes by 40 and 22 %, respectively. At the
same time MGDG/DGDG ratio decreased by 28 %
(Fig. 1, c). SQDG content was unchanged in these con-
ditions. The ratios between MGDG and xanthophylls in
leaves are important characteristics of adaptation of li-
pid-pigment complexes. In particular, the MGDG/(Lu +
+ Zea) and MGDG/Vio ratios decreased by 38 % and
45 %, respectively, under UV-B action (Fig. 2).
The distribution of Chl in pigment-protein comp-
lexes (CP) of plants under UV-B radiation was presen-
ted in Table. The percentage of Chl in pigment-protein
complexes of photosystem I (PSI) (CP1a + СР1) increa-
sed by 22 % in chloroplasts of irradiated plants. UV-B
radiation induced the decrease in percentage of Chl by
34 % in photosystem II (PSII) reaction centre comple-
xes. It was proved, that PSII in photosynthetic appa-
ratus is the most susceptible part to UV-B radiation [25].
These data indicate a direct disruption of PSII re- action
40
TARAN N. Yu., STOROZHENKO V. O., SVIETLOVA N. B., TOPCHIY N. M.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Carotene Lutein + zeaxanthin Violaxanthin Neoxanthin
b
0
5
10
15
20
25
MGDG DGDG SQDG MGDG/DGDG
c
0
4
8
12
16
Chl a Chl b Chl (a+b) Chl a/b Car Chl (a+b)/Car
a
1
2
Fig. 1. The content of pigments (a), xanthophylls (b) and glycolipids
(c) in leaves of D. antarctica plants under UV-B radiation: 1 – control;
2 – UV-B
centers in leaves of UV-B irradiated plants. The relative
amount of oligomeric (LHCP1) and monomeric
(LHCP3) forms did not changed under UV-B radiation.
Total relative amount of the main Chl a/b-protein comp-
lex LHCII (sum of its oligomeric and monomeric forms,
LHCP1 + LHCP3) was similar in control and in UV-B
irradiated plants (Table).
We obtained experimental results, which argue for
degradation of β-carotene in carotenoid pool of leaves
of irradiated plants (Fig. 1, b). β-Carotene is localized
in antenna and reaction centers of PSII. Quenching of
triplet state of the primary donor (3P680) and deoxida-
tion of the oxidized form (P680
+) play an important role
in photoprotection. Singlet oxygen (1O2) and triplet ex-
cited chlorophyll (3Chl*) are quenched also by β-caro-
tene [26–30]. The protection mechanism of photosyn-
thetic apparatus against 1O2 leads to the destruction of
β-carotene molecules [31–34].
Under UV-B radiation the decrease in non-bilayer
lipid content induces the decrease of MGDG/DGDG ra-
tio in chloroplast membranes and chlorophyll-protein
complexes. Therefore, photosynthetic membranes are
more susceptible to UV-B radiation. The similar data
were obtained in our previous investigations of wheat
plants response to heat stress [35]. In our previous
publications the dependence between the decrease in
MGDG content and the stable content of Vio and Zea in
leaves of drought resistant cultivars of Triticum aesti-
vum L. under conditions of drought stress was descri-
bed for wheat plants [36].
Stable SQDG content against the background of ga-
lactolipids decrease in photosynthetic membranes can
be considered as an adaptive reaction. It is known, that
SQDG provides the maintenance of normal functional
state of the PSII reaction center [37]. Therefore, it is
possible to presume, that under conditions of UV-B ra-
diation SQDG may support optimum conditions for
light phase of photosynthesis. It is established, that the
changes in the ratios of different lipid groups, induced
by various stress factors are the reflection of a passive
adaptation. An active adaptation is associated with the
intensity of fatty acids desaturation [33, 38, 39].
Under UV-B radiation MGDG content decreased
whereas xanthophyll pool was unchanged. The decrea-
se in β-carotene content may influence the thylakoid
membrane fluidity and activate free radical oxidation
of lipids that leads to a decrease in MGDG and DGDG
content.
Our data coincide with the results of Sakaki [38],
who found out the pigment and lipid (mainly MGDG)
decrease at the oxidative stress caused by ozone action.
However, the anionic lipid content was stable during
the whole exposition period. UV-B action upon D. an-
tarctica plants induced the photoinhibition process (de-
gradation of D1 protein of PSII reaction centre) [14]. It
is possible that SQDG localized on the surface of the
native D1/D2 heterodimers stabilizes it at stress condi-
tions [40, 42].
UV-B action causes different responses including
functional changes and changes of pigment-protein con-
tent in photosynthetic apparatus [43]. Pigment-protein
composition in chloroplasts treated by UV-B radiation
changed. Especially, the content of Chl in pigment-pro-
tein complexes of PSI (CP1a + СР1) increased (by
22 %), while it decreased (by 34 %) in pigment-pro-
teins complexes of PSII reaction centre. As it has been
above mentioned PSII is known as the most susceptible
part of the photosynthetic apparatus to UV-B radiation
[25] that affects both the donor and acceptor sides of
41
PHOTOSYNTHETIC APPARATUS OF D. antarctica Desv. PLANTS UNDER UV-B RADIATION
Pigment-protein
complexes and their
ratios
Chlorophyll content in the gel, %
Control UV-B
СР1a + СР1 15.10 ± 0.41 19.30 ± 0.23
LHCP1 11.10 ± 0.69 11.89 ± 0.34
CPa 8.53 ± 0.31 5.67 ± 0.17
LHCP3 28.11 ± 0.21 27.43 ± 0.22
Free pigment 37.16 ± 1.18 35.71 ± 0.78
LHCР1/LHCР3 0.40 ± 0.03 0.43 ± 0.06
LHCP1 + LHCP3 39.22 ± 0.48 39.32 ± 0.25
Distribution of chlorophyll in the pigment-protein complexes of
thylakoids (data presented as means ± SEM)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
MGDG/(Lu+Zea) MGDG/Vio
1
2
Fig. 2. MGDG/(Lu + Zea) and MGDG/Vio ratios in leaves of D. an-
tarctica plants under UV-B radiation (2); 1 – control
PSII. Inhibition of PSII electron transport after UV-B
irradiation was studied in isolated spinach PSII memb-
rane particles, using low-temperature EPR spectrosco-
py and chlorophyll fluorescence measurements. There
were noted inhibition of oxygen evolution, decline of
variable chlorophyll fluorescence and degradation of
D1 protein in reaction center after UV-B radiation ac-
tion [43].
Thus, we described the structural changes at the le-
vel of photosynthetic apparatus of endemic antarctical
plant D. antarctica under the action of UV-B radiation.
The results of our work are essential for deeper under-
standing of adaptation mechanisms of this unique an-
tarctical plant under stress conditions.
Conclusions. Adaptation of D. antarctica plants to
UV-B radiation is accompanied by a cascade of physio-
logical and biochemical rearrangements at the photo-
synthetic apparatus level manifested as the changes in
pigment, lipid and pigment-protein complex composi-
tion. It may be associated with genetically determined
resistance of this species to the prolonged influence of
UV-B radiation in Antarctic region.
Н. Ю. Та ран, В. О. Сто ро жен ко, Н. Б. Свєтло ва, Н. М. Топчій
Ліпіди і ком плек си пігмент–білок на рівні фо то син те тич но го
апа ра ту у рос лин Deschampsia antarctica за умов
ультрафіоле то во го вип роміню ван ня
Ре зю ме
Мета. Досліджен ня струк тур них і функціональ них мо дифікацій
го лов них ком по нентів фо то син те тич них мем бран ен демічно го
ан тар ктич но го виду D. antarctica за умов жо рстко го ультрафіо-
ле то во го вип роміню ван ня. Ме то ди. Кількісне виз на чен ня ком по -
нентів фо то син те тич них мем бран про во ди ли за ме то дом Арно-
на (для хло рофілів і ка ро ти ноїдів), розділен ня ка ро ти ноїдів – за
ме то дом Мер зля ка, виділен ня по ляр них ліпідів – за ме то дом Зілла
і Хар мо на з мо дифікацією Яко вен ка і Міхно, розділен ня гліколі-
підів та їхня іден тифікація – за ме то дом Яма мо то, а їхній ана-
ліз – за до по мо гою про гра ми «Total lab», вміст суль фохіно во -
зилдіацилгліце ро лу виз на ча ли за ме то дом Кіна. Розділен ня і ви-
зна чен ня ком плексів пігмент-білок хло роп ластів здійсню ва ли ме -
то дом Андерсон. Дос товірність різниці між зна чен ня ми се ред-
ньо го ариф ме тич но го зна хо ди ли за кри терієм Ст’ю ден та. Різни -
цю вва жа ли дос товірною при зна ченні р ≤ 0,05. Ре зуль та ти.
Вста нов ле но струк турні та функціональні зміни ліпідів, ка ро ти-
ноїдів і ком плексів пігмент-білок на рівні фо то син те тич но го апа-
рату у рос лин D. antarctica за умов УФ-В вип роміню ван ня. Вис нов-
ки. Адаптація рос лин D. antarctica до впли ву жо рстко го ультра-
фіоле то во го вип роміню ван ня суп ро вод жується кас ка дом фізіо-
логічних і біохімічних пе ре бу дов на рівні фо то син те тич но го апа -
ра ту, по в’я за них зі змінами вмісту пігментів, ліпідів і ком плексів
пігмент-білок.
Клю чові сло ва: Deschampsia antarctica, УФ-В вип роміню ван -
ня, фо то син те тич ний апа рат.
Н. Ю. Та ран, В. О. Сто ро жен ко, Н. Б. Свет ло ва, Н. М. Топ чий
Ли пи ды и ком плек сы пиг мент–бе лок на уров не
фо то син те ти чес ко го ап па ра та у рас те ний Deschampsia antarctica
в усло ви ях ультра фи о ле то во го из лу че ния
Ре зю ме
Цель. Иссле до ва ние струк тур ных и функ ци о наль ных мо ди фи ка -
ций глав ных ком по нен тов фо то син те ти чес ких мем бран эн де ми -
чес ко го ан тар кти чес ко го вида D. antarctica в усло ви ях жес тко го
ультра фи о ле то во го из лу че ния. Ме то ды. Ко ли чес твен ное опре -
де ле ние глав ных ком по нен тов фо то син те ти чес ких мем бран про -
ве де но по ме то ду Арнона (для хло ро фил лов и ка ро ти но и дов),
раз де ле ние ка ро ти но и дов – по ме то ду Мер зля ка, вы де ле ние по -
ляр ных ли пи дов – по ме то ду Зил ла и Хар мо на с мо ди фи ка ци ей
Яко вен ко и Мих но, раз де ле ние гли ко ли пи дов и их иден ти фи ка ция
– по ме то ду Яма мо то, а их ана лиз – с по мощью про грам мы «Total
lab», со дер жа ние суль фо хи но во зил ди а цил гли це ро ла опре де ля ли
по ме то ду Кина. Раз де ле ние и опре де ле ние ком плек сов пиг -
мент-бе лок хло роп лас тов осу ще ствля ли ме то дом Андерсон.
Дос то вер ность раз ли чий меж ду зна че ни я ми сред не го ариф ме -
ти чес ко го на хо ди ли по кри те рию Стью ден та. Раз ли чия счи та ли
дос то вер ны ми при зна че нии р ≤ 0,05. Ре зуль та ты. Уста нов ле ны
струк тур ные и функ ци о наль ные из ме не ния в со дер жа нии и со от -
но ше нии ли пи дов, ка ро ти но и дов и ком плек сов пиг мент-бе лок на
уров не фо то син те ти чес ко го ап па ра та рас те ний D. antarctica в
усло ви ях УФ-В из лу че ния. Вы во ды. Адаптация рас те ний D.
antarctica к воз де йствию жес тко го ультра фи о ле то во го из лу че -
ния свя за на с кас ка дом фи зи о ло ги чес ких и би о хи ми чес ких пе ре -
стро ек на уров не фо то син те ти чес ко го ап па ра та, свя зан ных с
из ме не ни я ми в со дер жа нии пиг мен тов, ли пи дов и ком плек сов
пиг мент-бе лок.
Клю че вые сло ва: Deschampsia antarctica, УФ-В из лу че ние, фо -
то син те ти чес кий ап па рат.
REFERENCES
1. Alberdi M., Bravo L. A., Gutierrez A., Gidekel M., Corcuera L.
J. Ecophysiology of Antarctic vascular plants // Physiol. Plan.–
2002.–115, N 4.–P. 479–486.
2. Lewis-Smith R.. I. The enigma of Colobanthus quitensis and Des-
champsia antarctica in Antarctica // Antarctic biology in a glo-
bal contextn / Eds A. H. L. Huiskes, W. W. C. Gieskes, J. Ro-
zema et al.–Leiden: Backhuys Publ., 2003.–Р. 234–239.
3. Xiong F. S., Mueller E. C., Day T. A. Photosynthetic and respira-
tory acclimation and growth response of Antarctic vascular
plants to contrasting temperature regimes // Am. J. Bot.–2000.–
87, N 5.–P. 700–710.
4. Xiong F.S., Ruhland C.T., Day T.A. Photosynthetic temperature
response of the Antarctic vascular plants Colobanthus quitensis
and Deschampsia antarctica // Physiol. Plant.–1999.–106, N 3.–
P. 276–286.
5. Environmental effects of ozone depletion: 1998 Assessment //
UNEP.–Nairobi, 1998.–P. 1–209.
6. Szollosi E., Veres S., Kanalas P., Olah V., Solti A., Sarvari E., Mes-
zaros I. Effects of UV-B radiation and water stress on chloro-
phyll fluorescence parameters and activity of xanthophyll cycle
in leaves of sessile oak (Quercus petraea) seedlings // Acta Biol.
Szegediensis.–2008.–52, N 1.–P. 241–242.
7. Ambasht N.K., Agrawal M. Influence of supplemental UV-B ra-
diation on photosynthetic characteristics of rice plants // Pho-
tosynthetica.–1997.–34, N 3.–P. 401–408.
8. Day T.A., Ruhland C.T. Grobe C.W., Xiong F. Growth and repro-
duction of Antarctic vascular plants in response to warming and
42
TARAN N. Yu., STOROZHENKO V. O., SVIETLOVA N. B., TOPCHIY N. M.
UV radiation in the field // Oecologia.–1999.–119, N 1.–P. 24–
35.
9. Edge R., McGarvey D. J., Truscott T. G. The carotenoids as anti-
oxidants – a review // J. Photochem. Photobiol. B.–1997.–41,
N 3.–P. 189–200.
10. Gould K.S., McKelvie J, Marckham K.R. Do anthocyanins func-
tion as antioxidants in leaves? Imaging of H2O2 in red and green
leaves after mechanical injury // Plant Cell Environ.–2002.–25,
N 10.–P. 1261–1269.
11. Latowski D., Kostecka-Gugala A., Strzalka K. Effect of the tem-
perature on violaxanthin de-epoxidation: Comparison of the in
vivo and model systems // Russ. J. Plant Physiol.–2003.–50,
N 2.–Р. 173–177.
12. Muller-Moule P., Havaux M., Niyogi K. K. Zeaxanthin deficien-
cy enhances the high light sensitivity of an ascorbate-deficient
mutant of Arabidopsis // Plant Physiol.–2003.–133, N 2.–
P. 748–760.
13. Palozza P., Krinsky N. L. Antioxidant effects of carotenoids in
vivo and in vitro: an overview // Methods Enzymol.–1992.–213,
N 2.–P. 403–420.
14. Kettunen R., Tyystjarvi E., Aro E. M. Degradation pattern of pho-
tosystem II reaction center protein D1 in intact leaves. The
major photoinhibition-induced cleavage site in D1 polypeptide
is located amino terminally of the DE loop // Plant Physiol.–
1996.–111, N 4.–P. 1183–1190.
15. Moorthy P., Kathiresan K. Effect of UV-B radiation on photo-
synthetic reactions in Rhizophora apiculata // Plant Growth
Regul.–1999.–28, N 1.–P. 49-54.
16. Arnon D. Copper Enzymes in isolated chloroplasts. Polypheno-
loxidase in Beta vulgaris // Plant Physiol.–1949.–24, N 1.–
P. 1–15.
17. Merzlyak M.N. Densimetric determination of carotenoids in
plants in thin layers of «Silufol» plates // Nauchnye doklady
Vysshey shkoly. Biologicheskie nauki.–1978.–1.–Р. 134–138.
18. Zile L. P., Harmon E. A. Lipids of photosynthetic tissue. I. Si-
licic acid chromatography of the lipids from whole leaves and
chloroplasts // Biochim. Biophys. Acta.–1962.–57, N 3.–
P. 5 73–583.
19. Yakovenko G.M., Mihno A.I. Method of isolation and separation
lipids and chloroplasts by types // Fiziol. i Biochim. Kult.
Rast.–1971.–3, N 6.–P. 651–656.
20. Yamamoto H. High speed quantitative assay on TLC/HPTLC
plates. Instrumental HPTLC.–New York: Ed. W. Bertch & R.
Raser. 1980.– 367–384p.p.
21. Kean E. L. Rapid, sensitive spectrophotometric method for quan-
titative determination of sulfatides // J. Lipid Res.–1968.–9,
N 3.–P. 319–327.
22. Anderson J. M., Melis A. Localization of different photosystems
in separate regions of chloroplast membranes // Proc. Natl Acad.
Sci. USA.–1983.–80, N 3.–P. 745–749.
23. Anderson J. M. P-700 content and polypeptide profile of chloro-
phyll-protein complexes of spinach and barley thylakoids // Bio-
chim. Biophys. Acta.–1980.–591, N 1.–P. 113–126.
24. Liu L., Xu S., Woo K.C. Solar UV-B radiation on growth, photo-
synthesis and the xanthophyll cycle in tropical acacias and euca-
lyptus // Environ. Exp. Bot.–2005.–54, N 2.–P. 121–130.
25. Bornman J. F. New trends of photobiology: Target sites of UV-
B radiation in photosynthesis of higher plants // J. Photochem.
Photobiol. B.–1989.–4, N 2.–P. 145–158.
26. Cogdell R. J., Frank H. A. How carotenoids function in photosyn-
thetic bacteria // Biochim. Biophys. Acta.–1987.–895, N 2.–
P. 63–79.
27. Stroch M., Spunda V., Kurasova I. Non-radiative dissipation of
absorbed excitation energy within photosynthetic apparatus of
higher plants // Photosynthetica.–2004.–42, N 3.–P. 323–337.
28. Telfer A., Bishop S.M., Phillips D., Barber J. Isolated photosyn-
thetic reaction center of photosystem II as a sensitizer for the for-
mation of singlet oxygen. Detection and quantum yield determi-
nation using a chemical trapping technique // J. Biol. Chem.–
1994.–269, N 18.–P. 13244–13253.
29. Telfer A., De Las Rivas J., Barber J. β-Carotene within the isola-
ted photosystem II reaction centre: photooxidation and irrever-
sible bleaching of this chromophore by oxidised P680 // Bio-
chim. Biophys. Acta.–1991.–1060, N 1.–P. 106–114.
30. Telfer A., Dhami S., Bishop S. M., Phillips D., Barber J. β-Ca-
rotene quenches singlet oxygen formed by isolated photosys-
tem II reaction centers // Biochemistry.–1994.–33, N 48.–
P. 14469–14474.
31. Barber J. Molecular basis of the vulnerability of Photosystem II
to damage by light // Aust. J. Plant Physiol.–1994.–22, N 2.–
P. 201–208.
32. Minkov I. N., Jahoubjan G. T., Denev I. D., Toneva V. T. Photo-
oxidative stress in higher plants // Handbook of plant and crop
stress / Ed. M. Pessarakli.–New York: Marcl Dekker, 1999.–
P. 499–525.
33. Ruban A.V., Berera R., Ilioaia C., van Stokkum I.H.M., Kennis
J.T.M., Pascal A. A., van Amerongen H., Rober, B., Horton P.,
van Grondelle R. Identification of a mechanism of photopro-
tective energy dissipation in higher plants // Nature.–2007.–450,
N 7169.–P. 575–578.
34. Strzhalka K., Kostecka-Gugala А., Latovski D. Carotenoids of
plants and stress action of environment: the role of modulation
of physical properties of membranes by carotenoids // Fiziol.
Rast.–2003.–50, N 2.–P. 188–193.
35. Taran N.Yu., Okanenko O.A., Svietlova N.B, Musienko M.M.
The influence of heat on glicerolipid content of wheat thyla-
koids // Dopov. NAN Ukrainy.–2000. N 1.–P. 165–169.
36. Svietlova N. B., Taran N. Yu., Okanenko O. A., Musienko M. M.
Carotenoids and glycolipids in adaptive response of winter whe-
at chloroplasts to drought // Dopov. NAN Ukrainy.–2004.–
N 2.–P. 192–195.
37. Pick U., Gounaris K., Weiss M., Barber J. Tightly bound sulfo-
lipids in chloroplast CF0-CF1 // Biochim. Biophys. Acta.–
1985.–808, N 3.–P. 415–420.
38. Sakaki T. Photochemical oxidants: toxicity // Responses of plant
metabolism to air pollution and global change / Eds L. J. De
Kok, I. Stulen.–Leiden: Backhuys Publ., 1998.–P. 117–129.
39. Taran N. Yu., Okanenko A. A., Kosyk O. I. Plant sulfolipid. II.
Mutant study and phosphate deficiency // Biopolym.
Cell.–2009.–25, N 1.–P. 3–11.
40. De Kruijff B., Pilon R., Hof R., van’t Demel R. Lipid-protein in-
teractions in chloroplast protein import –P. 191–208.
41. Vijayan P., Routaboul J.-M., Browse J. A genetic approach to
investigating membrane lipid structure and photosynthetic
function // Lipids in photosynthesis: structure, function and
genetics (Advances in photosynthesis and respiration) / Eds
P.-A. Siegenthaler, N. Murata.–Amsterdam: Kluwer Acad.
Publ., 1998.–Vol. 6.–P. 263–285.
42. Siefermann-Harms D., Ninnerman H., Yamamoto H. Reassemb-
le of solubized chlorophyll-protein complexes in proteolipid par-
ticles comparison of monogalactosyldiacylglycerol and two
phospholipids // Biochim. Biophys. Acta.–1987.–892, N 3.–
P. 303–313.
43. Vass I., Sass L., Spetea C., Bakou A., Granotakis D., Petrouleas
V. UV-B-induced inhibition of photosystem II electron transport
studied by EPR and chlorophyll fluorescence. Impairment of
donor and acceptor side components // Biochemistry.–1996.–
35, N 27.–P. 8964–8973.
Received 13.03.11
43
PHOTOSYNTHETIC APPARATUS OF D. antarctica Desv. PLANTS UNDER UV-B RADIATION
|