Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta)
Исследовано влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii. Установлено, что небольшие концентрации метанола (0,1—0,4 объемных процента) стимулируют рост автотрофной накопительной культуры Ch. reinhardtii. Стимулирующий эффект проявляется в улучшении функ...
Saved in:
| Published in: | Альгология |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/64164 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) / С.С. Степанов, Е.К. Золотарева // Альгология. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 178-189. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859638482327044096 |
|---|---|
| author | Степанов, С.С. Золотарева, Е.К. |
| author_facet | Степанов, С.С. Золотарева, Е.К. |
| citation_txt | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) / С.С. Степанов, Е.К. Золотарева // Альгология. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 178-189. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Альгология |
| description | Исследовано влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii. Установлено, что небольшие концентрации метанола (0,1—0,4 объемных процента) стимулируют рост автотрофной накопительной культуры Ch. reinhardtii. Стимулирующий эффект проявляется в улучшении функционального состояния фотосинтетического аппарата, увеличении скорости фиксации СО₂ и уменьшении потерь СО₂ в цикле фотодыхания. При культивировании в течение 7 сут в присутствии 50 мМ метанола объем уплотненных клеток увеличивался на 34 %. Средний период удвоения клеток в культуре снижался на 28 % по сравнению с контролем. Обнаружено стимулирующее влияние небольших концентраций метанола на скорость темнового дыхания микроводоросли.
Small concentrations of methanol (0.1—0.4 %) stimulated the growth of autotrophic batch culture Chlamydomonas reinhardtii. The stimulatory effect is to improve the functional state of the photosynthetic apparatus, increasing the rate of СО₂ fixation and reducing the losses of СО₂ in the cycle of photorespiration. The cell packed volume was increased by 34 % when grown for 7 days in the presence of 50 mM methanol. Doubling time was decreased by 28 % compared with control. The stimulating effect of small concentrations of methanol on the dark respiration rate was also observed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:19:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физиология, биохимия,
биофизика
178 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
УДК 581.1:582.26/.27
С.С. СТЕПАНОВ, Е.К. ЗОЛОТАРЕВА
Ин-т ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины,
01001 Киев, ул. Терещенковская, 2, Украина
ВЛИЯНИЕ МЕТАНОЛА НА ФОТОСИНТЕТИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ
И ПРОДУКТИВНОСТЬ Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta)
Исследовано влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность
Chlamydomonas reinhardtii. Установлено, что небольшие концентрации метанола (0,1—
0,4 объемных процента) стимулируют рост автотрофной накопительной культуры Ch.
reinhardtii. Стимулирующий эффект проявляется в улучшении функционального
состояния фотосинтетического аппарата, увеличении скорости фиксации СО2 и
уменьшении потерь СО2 в цикле фотодыхания. При культивировании в течение 7 сут
в присутствии 50 мМ метанола объем уплотненных клеток увеличивался на 34 %.
Средний период удвоения клеток в культуре снижался на 28 % по сравнению с
контролем. Обнаружено стимулирующее влияние небольших концентраций метанола
на скорость темнового дыхания микроводоросли.
К л ю ч е в ы е с л о в а : Chlamydomonas reinhardtii, фотосинтез, дыхание, фото-
дыхание, метанол, стимуляция роста.
Введение
Метанол (CH3OH) — простейшее органическое соединение,
образующееся в значительных количествах в результате метаболизма
высших растений и микроводорослей (MacDonald, Fall, 1993). Согласно
оценкам Фола и Бенсона (Fall, Benson, 1996), общее поступление
метанола в атмосферу не уступает количеству летучих монотерпенов,
выделяемому растениями, и составляет более 100 миллионов тонн в год.
Основным процессом, в результате которого в растительной клетке
образуется метанол, является деэтерификация пектина, которая
катализируется пектинэстеразой (ПЭ). Уровень экспрессии ПЭ, а также
количество выделяющегося метилового спирта возрастают при
абиотических стрессах, механическом повреждении или вирусной
инфекции (Pelloux et al., 2007). Метанол влияет на экспрессию сотен
генов, включая гены, участвующие в защите от стрессовых воздействий
(Downie et al., 2004). В светлое время суток поглощение метанола
растениями существенно возрастает, что приводит к увеличению
фотосинтетической продуктивности С-3 растений (Nonomura, Benson,
1992). Предполагается, что в растительной клетке СН3ОН окисляется до
СО2, который сразу фиксируется в темновой фазе фотосинтеза (Colas
© С.С. Степанов, Е.К. Золотарева, 2011
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 179
des Francs-Small et al., 1993). Показано, что экзогенно добавленный
метанол эффективно поглощается клетками растений и водорослей. Он
включается в метаболизм так же быстро, как и экзогенный бикарбонат
или формальдегид, участвуя в синтезе сахаров и аминокислот (Cossins,
1964; Colas des Francs-Small et al., 1993). Исследование распределения
радиоактивной метки 14C-метанола в продуктах метаболизма позволило
выявить 4 последовательных этапа его окисления с образованием
сначала формальдегида, а затем муравьиной кислоты и двуокиси
углерода (рис. 1).
Рис. 1. Схема метаболизма метанола в растительных клетках (по Fall, Benson, 1996)
Микроводоросли по-разному реагируют на введение в среду
экзогенного метанола. Так, метиловый спирт в концентрации 0,2 %
ингибировал рост Chlorella vulgaris, Selenastrum capricornutum, Skeletonema
costatum и Prorocentrum minimum (El Jay, 1996; Okumura et al., 2001). В то
же время, Scenedesmus obliquus оказался толерантным к присутствию 2 %
метанола, а при добавлении 0,5 % этого спирта накопление биомассы
возрастало вдвое (Theodoridou et al., 2002). Значительное увеличение
биомассы отмечено также при добавлении 1 % метанола в
культуральную среду Chlorella minutissima (Kotzabasis et al., 1999).
Введение метанола в среду культивирования микроводослей
вызывало изменения в молекулярной организации фотосинтетического
аппарата — уменьшался размер светособирающей антенны, в результате
чего эффективность трансформации световой энергии возрастала
(Navakoudis et al., 2007). Известно, что формиат, образующийся при
метаболизме метанола, защищает фотосинтетический аппарат от фото-
ингибирования в условиях низкой концентрации СО2 (Shiraishi et al., 2000).
Одноклеточная зеленая водоросль Chlamydomonas reinhardtii —
модельный организм для изучения процессов фотосинтеза, питания и
фотовыделения водорода (Harris, 2001). В последние годы в связи с
разработкой фотобиотехнологии производства Н2 активно исследуется
метаболизм Ch. reinhardtii при переходе к анаэробному существованию.
метанол пектин
формальдегид
С1-фолат пул, серин,
холин, пурины
формиат
цикл Кальвина, сахара,
аминокислоты СО2
С.С. Степанов, Е.К. Золотарева
180 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
В естественных условиях из-за падения концентрации кислорода в
водоемах в ночное время и ее возрастании при активации фотосинтеза
микроводоросли часто переходят от аэробного существования к аноксии
и обратно. При анаэробной инкубации клеток Ch. reinhardtii в среде
накапливаются продукты брожения, в т.ч. формиат (Hemschemeier et al.,
2008). Помимо формиата природные местообитания Ch. reinhardtii могут
содержать повышенные концентрации метанола, образующиеся в
результате жизнедеятельности бактерий и грибов. Механизм влияния
экзогенного метанола или продуктов его окисления на рост и
продуктивность Ch. reinhardtii до настоящего времени не исследован.
Целью данной работы было изучение влияния экзогенного метанола
на скорость фотосинтеза, дыхания, эффективность трансформации
световой энергии и продуктивность одноклеточной зеленой водоросли
Ch. reinhardtii.
Материалы и методы
Схема эксперимента и условия роста
Для исследований использовали штамм Ch. reinhardtii из коллекции
культур микроводорослей отдела мембранологии и фитохимии Ин-та
ботаники им. Н.Г. Холодного НАН Украины (IBASU-B — 163).
Накопительную автотрофную культуру выращивали на жидкой
минимальной питательной среде Кеслера (Bishop et al., 1971) в колбах
объемом 0,5 л при комнатной температуре и круглосуточном освещении
белыми флуоресцентными лампами с интенсивностью фотосинтети-
чески активной радиации (ФАР) на поверхности колб 100 мкмоль
фотонов·м2·с-1. Предварительные опыты показали, что культура Ch.
reinhardtii при начальной концентрации клеток 1 млн/мл выходит на
экспоненциальную фазу роста через 3 сут и достигает стационарной
фазы через 7-10 сут культивирования. Влияние возрастающих
концентраций метанола на прирост биомассы изучали, добавляя
метанол в колбы объемом 250 мл с 100 мл культуры Ch. reinhardtii при
одинаковой начальной концентрации клеток. Объем уплотненных
клеток (ОУК) определяли после 7 сут культивирования. Для иссле-
дования динамики прироста количества клеток и содержания
хлорофилла в середине экспоненциальной фазы роста водоросли
разделяли на два варианта — с внесением 50 мМ метанола и
контрольный — без него. Полученные варианты использовали для
отбора проб ежедневно в течение трех суток культивирования.
Инфракрасный газовый анализ (ИКГА)
Интенсивность видимого фотосинтеза, темнового дыхания и
фотодыхания определяли по изменению содержания СО2 в газовой фазе
над суспензией водорослей методом ИКГА, используя систему Qbit
(Канада) (Sharkey, 1988). Через камеру с водорослями обеспечивали
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 181
поток газа со скоростью 0,4 л/мин и концентрацией углекислого газа
700—800 мкмоль. Для измерений газообмена использовали концент-
рированную суспензию микроводорослей (30—40 мкг/мл хлорофилла),
помещая ее в стеклянную термостатированную ячейку с водяной
рубашкой (t = 26—27 оС). Интенсивность перемешивания регулировали
повышением уровня суспензии в камере. Скорость поглощения
углекислого газа определяли на постоянном свету при интенсивности
ФАР 350 мкмоль фотонов·м2·с-1. Темновое дыхание определяли при
низком содержании СО2 в газовом объеме над суспензией микро-
водорослей после выключения света. Перед подачей в анализатор воздух
пропускали через колонку с аскаритом для удаления СО2 из газовой
фазы. Послесветовой выброс СО2 оценивали по максимальной скорости
выделения СО2 сразу после выключения освещения микроводорослей.
Для получения статистически достоверных результатов опыт повторяли
3—4 раза.
Определение концентрации хлорофилла
Для определения концентрации хлорофилла отбирали 5 мл суспензии
микроводоросли. Клетки осаждали центрифугированием при 1500 g в
течение 5 мин, супернатант сливали, а осадок клеток ресуспендировали
в 5 мл 96 % этилового спирта при перемешивании стеклянной палочкой
до обесцвечивания клеток. Экстракт центрифугировали, супернатант
переносили в кюветы и определяли оптическую плотность при 649, 665,
750 нм на спектрофотометре СФ-46. Концентрацию хлорофилла
рассчитывали по формулам Винтерманса и Де Мотса (Wintermans, De
Mots, 1965):
хлорофилл a =13,70(A665-A750)-5,76(A649-A750);
хлорофилл b =25,80(A649-A750)-7,60(A665-A750);
хлорофилл a+b = 6,10(A665-A750)+20,04(A649-A750).
Индукция флуоресценции
Индукцию модулированной флуоресценции хлорофилла а определяли
по общепринятой методике на флуориметре XE-PAM (Walz, Германия).
Интенсивность актиничного света соответствовала интенсивности
освещения при культивировании водорослей (ФАР 100 мкмоль
фотонов·м2·с-1). Клетки перед началом эксперимента адаптировали к
темноте в течение 10 мин. По параметрам кривой индукции флуоре-
сценции рассчитывали максимальный квантовый выход (Fv/Fm) (Butler,
1978), фотохимическое тушение флуоресценции (qP), квантовый выход
электронного транспорта (ФPSII) и эффективный квантовый выход
(Fv'/Fm') (Maxwell et al., 2000).
Определение объема уплотненных клеток (ОУК)
Для определения ОУК из каждого варианта отбирали образцы по 5 мл.
Суспензию концентрировали, центрифугируя 3 мин при 1500 g и
С.С. Степанов, Е.К. Золотарева
182 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
гомогенизируя осадок в 1 мл среды культивирования. Концент-
рированную культуру с помощью шприца переносили в гематокритные
капилляры, нижнюю часть которых закрывали. Капилляры центри-
фугировали при 3500 g 5 мин. ОУК определяли по отношению объема
осажденных водорослей к объему капилляра в мкл/мл.
Определение концентрации клеток
Количество клеток в микролитре среды культивирования подсчитывали
в камере Горяева при 200-кратном увеличении светового микроскопа.
Пробы для анализа отбирали после тщательного перемешивания
культуры. Клетки на сетке камеры фотографировали цифровой
фотокамерой. Полученные изображения обрабатывали с помощью
программы Image Tool 3.0. Отбор проб для анализа проводили
ежедневно на протяжении 4 сут культивирования, определяя скорость
экспоненциального роста (r) по уравнению (Andersen, 2004):
где N0 — начальное количество клеток в единице объема; Nt —
количество клеток через интервал времени Δt. Период деления клеток
(Т2) определяли по уравнению: k = r/0,.6931.
Результаты и обсуждение
В присутствии небольших концентраций метилового спирта (0,1—0,4
объемных процента) ОУК в среде увеличивался по сравнению с
контролем (рис. 2). В наибольшей степени стимуляция роста культуры
проявлялась при добавлении 0,2 % (50 мМ) метанола. Если содержание
метанола превышало 0,6 %, рост культуры Ch. reinhardtii подавлялся.
После 7 сут культивирования ОУК в присутствии 50 мМ метанола
возрастал по сравнению с контролем на 34 % (рис. 3).
Рис. 2. Объем уплотненных клеток (ОУК) в
автотрофной культуре Chlamydomonas reinhardtii
после внесения разных концентраций мета-
нола. Вертикальными штрихами отмечены
стандартные отклонения трех независимых
экспериментов
Ранее Теодоридоу с соавт. (Theodoridou et al., 2002), изучавшие
влияние метанола на рост Scenedesmus obliquus, показали, что при
культивировании в присутствии 0,5 % метилового спирта, ОУК
водоросли возрастает в два раза по сравнению с контролем. Сходные
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 183
данные были получены также для водного растения Lemna gibba,
биомасса которого увеличивалась на 25 % после суточной экспозиции в
присутствии 0,2 % метанола (Dewez et al., 2003). Таким образом,
действие метанола видоспецифично, и в низких концентрациях этот
спирт положительно влияет на рост некоторых микроводорослей и
водных растений.
Рис. 3. Объем уплотненных клеток Chlamy-
domonas reinhardtii на 7-е сутки после добав-
ления 50 мМ метанола. □ — контроль,
■ — в присутствии метанола. Вертикальными
штрихами отмечены стандартные отклонения
пяти независимых экспертментов
На рис. 4 показано изменение количества клеток при автотрофном
культивировании в течение 3 сут после внесения 50 мМ метанола.
Наиболее интенсивно концентрация клеток возрастает в первые сутки
культивирования и в присутствии метанола, в отличие от контрольного
варианта, кривая роста не имеет лаг-фазы. В табл. 1 показан период
удвоения клеток Ch. reinhardtii в контрольном варианте и в присутствии
50 мМ метанола, который положительно влияет на увеличение
количества клеток. Со временем он снижает на 28 % среднее за 4 сут
культивирования время удвоения клеток по сравнению с контролем.
Клетки в первые сутки инкубации с метанолом делятся почти в 2,7 раза
быстрее, чем в контроле, затем темпы их удвоения замедляются.
Очевидно, это связано с тем, что из-за быстрого поглощения и мета-
болизации метанола его концентрация на протяжении нескольких суток
культивирования постепенно снижается.
Таблица 1
Период удвоения клеток Т2 за сутки в течение 3 сут роста автотрофной культуры
Chlamydomonas reinhardtii в присутствии 50 мМ метанола
Интервал, сут 1—2 2—3 3—4 1—4
T2, контроль 2,41 1,18 1,57 1,58
T2, метанол 50 мМ 0,91 1,22 1,37 1,13
Скорость фотосинтетического поглощения СО2 при интенсивности
ФАР 350 мкмоль фотонов·м-2·с-1 составляла 24,84 мкмоль CО2·мг хл.
-1·ч-1
и после внесения 50 мМ метилового спирта возрастала незначительно —
до 26,14 мкмоль CО2·мг хл.
1·ч-1. Низкий прирост фотосинтетического
поглощения СО2 можно объяснить отсутствием метанола в жидкой фазе
из-за быстрой утилизации последнего.
С.С. Степанов, Е.К. Золотарева
184 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
Рис. 4. Концентрация клеток (N) в автотрофной
культуре Chlamydomonas reinhardtii в течение 3 сут
культивирования при добавлении 50 мМ метанола.
Сплошная кривая — в присутствии метанола,
штриховая — контроль. Вертикальные линии обо-
значают стандартные отклонения трех незави-
симых экспериментов
О влиянии метанола на эффективность фотосинтетического
преобразования энергии судили по кривым индукции флуоресценции.
Данные, представленные в табл. 2, показывают, что максимальная
эффективность фотосинтеза Fv/Fm возрастает при добавлении
метилового спирта, причем наибольший эффект отмечали через 6-20 ч
после его добавления.
Таблица 2
Динамика параметров кривой индукции флуоресценции хлорофилла Chlamydomonas
reinhardtii в контроле и в присутствии 50 мМ метанола
1 ч 6 ч
Параметр
Контроль Метанол Контроль Метанол
Fv/Fm 0,631 ± 0,01 0,652 ± 0,02 0,572 ± 0,043 0,659 ± 0,035
qP 0,846 ± 0,04 0,857 ± 0,04 0,87 ± 0,063 0,9 ± 0,06
ФPSII 0,53 ± 0,02 0,54 ± 0,03 0,5 ± 0,06 0,56 ± 0,05
Fv'/Fm' 0,63 ± 0,006 0,63 ± 0,004 0,57 ± 0,03 0,61 ± 0,02
20 ч 46 ч
Параметр
Контроль Метанол Контроль Метанол
Fv/Fm
0,706 ±
0,008
0,734 ± 0,01 0,695 ± 0,014 0,692 ± 0,019
qP
0,881 ±
0,067
0,91 ± 0,06 0,858 ± 0,091 0,908 ± 0,071
ФPSII 0,59 ± 0,06 0,6 ± 0,05 0,57 ± 0,08 0,52 ± 0,04
Fv'/Fm' 0,67 ± 0,01 0,66 ± 0,007 0,66 ± 0,03 0,062 ± 0,01
Фотохимическое тушение флуоресценции qP, квантовый выход
электронного транспорта ФPSII и эффективный квантовый выход Fv'/Fm'
существенно не изменялись. Данные указывают на то, что метиловый
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 185
спирт улучшает функциональное состояние фотосинтетического ап-
парата и не влияет на скорость транспорта электронов между фото-
системами.
На рис. 5 приведены данные о влиянии метанола на содержание
суммы хлорофиллов в пересчете на клетку. Добавление метанола до
концентрации 50 мМ к автотрофной культуре Ch. reinhardtii приводило
к снижению накопления хлорофилла, что не сопровождалось
изменением соотношения хлорофиллов а/b. Ранее (Theodoridoua et al.,
2002) было показано, что добавление метанола приводит к двукратному
снижению содержания светособирающего комплекса фотосистемы ІІ
(ССКІІ) в клетках Scenedesmus obliquus. Этот полипептидный комплекс
является местом связывания основного количества хлорофилла фото-
синтетических мембран. Очевидно, уменьшение содержания общего
хлорофилла в клетках Ch. reinhardtii вызвано подавлением биосинтеза
полипептидов ССКІІ индуцированным экзогенным метанолом.
Рис. 5. Концентрация хлорофилла (Схл) в
клетках Chlamydomonas reinhardtii в течение
3 сут культивирования. Штриховая линия —
контроль, сплошная — с добавлением 50 мМ
метанола
Рост культуры Ch. reinhardtii зависит также от интенсивности
темнового дыхания, которую оценивали по скорости выделения СО2 в
газовый объем над суспензией клеток, адаптированных в течение 15
мин к темноте. Скорость темнового выделения СО2 клетками Ch.
reinhardtii в присутствии 50 мМ метанола на 23 % выше, чем в
контрольных вариантах без добавления спирта (рис. 6). Увеличение
скорости темнового дыхания в клетках, обработанных метанолом,
свидетельствует о стимуляции окислительного фосфорилирования и
биосинтетических процессов. Возможно также, что дыхание активи-
руется трикарбоновыми кислотами цикла Кребса, образующимися при
метаболизации метанола.
Общее поглощение кислорода на свету является результатом двух
процессов: темнового дыхания и светоиндуцируемого дыхания (фото-
дыхания), связанного с фотохимическими процессами в хлоропластах.
Каталитические механизмы фотодыхания отличаются от реакций
темнового дыхания (Leegood et al., 2000; Wingler et al., 2000). Зависимая
от света стадия фотодыхания завершается образованием гликолата в
С.С. Степанов, Е.К. Золотарева
186 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
хлоропластах, дальнейшие превращения которого происходят в перо-
ксисомах с образованием глиоксилата и глицина. Совокупность реакций
метаболизма углерода в фотодыхании называют «гликолатным путем». В
митохондриях из двух молекул глицина образуется молекула серина,
освобождается СО2 и одна молекула аммиака. При декарбокси-
лировании глицина образуется НАДН, при окислении которого в
митохондриях дополнительно поглощается О2.
Рис. 6. Скорость темнового дыхания (Rd)
Chlamydomonas reinhardtii в присутствии
50 мМ метанола (□ — контроль, ■ — в при-
сутствии метанола)
Нономура и Бенсон (Nonomura, Benson, 1992) показали, что
фотодыхание в присутствии экзогенного метанола не ингибируется.
Известно, что формиат, образующийся в пероксисомах, участвует в
биосинтезе серина (Wingler et al., 1999). Это позволяет предполагать, что
экзогенно добавленный метанол может включаться в цикл фотодыхания
Ch. reinhardtii.
Рис. 7. Максимальная скорость выделения
СО2 (Vмакс) культурой Chlamydomonas rein-
hardtii при добавлении 50 мМ метанола и в
контроле (□ — контроль; ■ — метанол)
На рис. 7 показаны максимальные скорости выделения СО2
клетками Ch. reinhardtii после выключения света. Резкое увеличение
концентрации СО2 в первые моменты после выключения света
рассматривается как продолжение фотодыхания в темноте, не
маскируемое фотосинтезом. При выключении света пул глицина,
накапливающийся в результате фотодыхания, быстро расщепляется в
митохондриях. В результате выделяется количество СО2, превышающее
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 187
темновое дыхание. Ch. reinhardtii отличаются от высших растений тем,
что окисление гликолевой кислоты и трансаминирование глиоксилата
происходит в митохондриях, и поэтому синтез глицина при фото-
дыхании у них снижен (Stern, Harris, 2009).
Из данных рис. 7 видно, что в присутствии 50 мМ метилового
спирта послесветовое выделение СО2 оказалось на 14 % больше, чем в
контрольном варианте. Очевидно, добавление метанола, стимулирующее
фотосинтетическую активность хлоропластов, способствует накоплению
глицина в митохондриях и активации фотодыхания.
Таким образом, метаболизм метанола выполняет ту же функцию,
что и фотодыхание, т.е. обеспечивает одноуглеродными соединениями
анаболические процессы в клетке.
Выводы
Метиловый спирт в концентрации 0,1—0,4 % объемных процента
стимулирует рост автотрофной накопительной культуры Chlamydomonas
reinhardtti. Наибольшая стимуляция отмечена при концентрации
метанола 50 мМ, выражавшаяся в увеличении ОУК на 34 % и
уменьшении среднего времени деления клеток на 28 % по сравнению с
контрольной культурой. Метиловый спирт положительно влияет на
состояние фотосинтетического аппарата, не изменяя при этом скорость
транспорта электронов в хлоропластах. Вместе с тем показано, что в
присутствии метанола снижается содержание хлорофилла в клетках,
несколько повышается скорость фотосинтетического поглощения СО2 и
темнового дыхания. Увеличение послесветового выброса СО2 на 14 %
свидетельствует о стимуляции фотодыхания и возможном накоплении
метаболитов на свету в клетках, обработанных метанолом. Таким
образом, экзогенное добавление метанола повышает автотрофную про-
дуктивность Ch. reinhardtti и может быть рекомендовано в качестве
стимулирующей добавки при массовом культивировании микро-
водорослей.
Авторы благодарны В.В. Подорванову и А.В. Полищуку за помощь при
выполнении экспериментов и участие в обсуждении результатов.
Andersen R.A. Algal Culturing Techniques. — Hong Kong: Acad. Press, Inc., 2004. — Vol. 16. —
P. 239—260.
Bishop N.I., Senger H. Preparation and photosynthetic properties of synchronous cultures of
Scenedesmus // Methods in Enzymology. — New York: Acad. Press, 1971. — Vol. 23,
pt. A. — P. 53-66.
Butler W.L. Energy distribution in the photochemical apparatus of photosynthesis // Ann.
Rev. Plant Phisiol. — 1978. — 29. — P. 7502—7506.
Colas des Francs-Small C., Ambard-Bretteville F., Small I.D., Remy R. Identification of a
major soluble protein in mitochondria from nonphotosynthetic tissues as NAD-
dependent formate dehydrogenase // Plant Physiol. — 1993. — 102, N 4. — P. 1171—
1177.
С.С. Степанов, Е.К. Золотарева
188 ISSN 0868-8540 Algologia. 2011. V. 21. N 2
Cossins R. The utilisation of carbon-1 compounds by plants. The metabolism of methanol-
14C and its role in amino acid biosynthesis // Can. J. Biochem. — 1964. — 44. —
P. 1739—1802.
Dewez D., Dautremepuits C., Jeandet P., Vernet G., Popovic R. Effects of Methanol on
Photosynthetic Processes and Growth of Lemna gibba // Photochem. Photobiol. —
2003. — 78, N 4. — P. 420—424.
Downie A., Miyazaki S., Bohnert H., John P., Coleman J., Parry M., Haslam R. Expression
profiling of the response of Arabidopsis thaliana to methanol stimulation //
Phytochemistry. — 2004. — 65, N 16. — P. 2305—2316.
El Jay A. Toxic effects of organic solvents on the growth of Chlorella vulgaris and
Selenastrum capricornutum // Bull. Environ. Contam. Toxicol. — 1996. — 57, N 2. —
P. 191—198.
Fall R., Benson A. Leaf methanol – the simplest natural product from plants // Trends
Plant Sci. — 1996. — 1, N 9. — P. 296—301.
Harris E.H. Chlamydomonas as a model organism // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol.
Biol. — 2001. — 52. — P. 363—406.
Hemschemeier A., Jacobs J., Happe T. Biochemical and Physiological Characterization of
the Pyruvate Formate-Lyase Pfl1 of Chlamydomonas reinhardtii, a Typically Bacterial
Enzyme in a Eukaryotic Alga // Eukaryot. Cell. — 2008. — 7, N 3. — Р. 518—526.
Kotzabasis K., Hatziathanasiou A., Bengoa-Ruigomez M.V. et al. Methanol as alternative
carbon source for quicker efficient production of the microalgae Chlorella minutissima:
role of the concentration and frequence of administration // J. Biotechnol. — 1999. —
70. — P. 357—362.
Leegood R.C., Sharkey T.D., S. von Caemmerer. Advances in Photosynthesis: Physiology and
Metabolism. — Dordrecht: Kluwer Acad. Publ., 2000. — P. 160—168.
MacDonald R., Fall R. Detection of substantial emissions of methanol from plants to the
atmosphere // Atm. Environ. — 1993. — 27, pt. A. — P. 1709—1713.
Maxwell K., Jonson G.N. Chlorophyll fluorescence — a practical guide // J. Exp. Bot. —
2000. — 51, N 345. — P. 659—668.
Navakoudis E., Ioannidis N.E., Dörnemann D., Kotzabasis K. Changes in the LHCII-
mediated energy utilization and dissipation adjust the methanol-induced biomass
increase // Biochim. Biophys. Acta. — 2007. — 1767, N 7. — P. 948—955.
Nonomura A., Benson A. The path of carbon in photosynthesis: improved crop yields with
methanol // Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. — 1992. — 89, N 20. — P. 9794—9798.
Okumura Y., Koyama J., Takaku H., Satoh H. Influence of organic solvents on the growth
of marine microalgae // Arch. Environ. Contam. Toxicol. — 2001. — 41, N 2. —
P. 123—128.
Pelloux J., Rustérucci C., Mellerowicz E.J. New insights into pectin methylesterase structure
and function // Trends Plant Sci. — 2007. — 12, N 6. — P. 267—277.
Sharkey T.D. Estimating the rate of photorespiration in leaves // Physiol. Plant. — 1988. —
73, N 1. — P. 147—152.
Shiraishi T., Fukusaki E. I., Miyake C., Yokota A., Kobayashi A. Formate protects photo-
synthetic machinery from photoinhibition // J. BioSci. Bioeng. — 2000. — 89, N 6. —
P. 564—568.
Stern D, Harris E.H. The Chlamydomonas Sourcebook: Organellar and Metabolic Processes.
Ed. 2. − Dordrecht: Acad. Press, Inc., 2009. — P. 271—275.
Влияние метанола
ISSN 0868-8540 Альгология. 2011. Т. 21. № 2 189
Theodoridou A., Dörnemann D., Kotzabasis K. Light dependent induction of strongly
increased microalgal growth by methanol // Biochim. Biophys. Acta. — 2002. — 1573,
N 2. — P. 189—198.
Wingler A., Lea P.J., Leegood R.C. Photorespiratory metabolism of glyoxylate and formate
in glycine-accumulating mutants of barley and Amaranthus edulis // Planta. — 1999. —
207, N 4. — P. 518—526.
Wingler A., Lea P.J., Quick W.P., Leegood R.C. Photorespiration: metabolic pathways and
their role in stress protection // Phil. Trans. Roy. Soc. B. — 2000. — 355, N 1402. —
P. 1517—1529.
Wintermans F.G.M., De Mots A. Chlorophyll determination A suitable method for
Chlamydomonas // Biochim. Biophys. Acta. — 1965. — 109. — P. 448—453.
Получена 18.11.10
Рекомендовала к печати Е.И. Шнюкова
S.S. Stepanov, E.K. Zolotareva
N.G. Kholodny Institute of Botany National Academy of Sciences of Ukraine,
2, Tereschenkovskaya St., 01001 Kiev, Ukraine
THE EFFECT OF METHANOL ON PHOTOSYNTHETIC ACTIVITY
AND PRODUCTIVITY OF CHLAMYDOMONAS REINHARDTII DANG.
(CHLOROPHYTA)
Small concentrations of methanol (0.1—0.4 %) stimulated the growth of autotrophic batch
culture Chlamydomonas reinhardtii. The stimulatory effect is to improve the functional state
of the photosynthetic apparatus, increasing the rate of CO2 fixation and reducing the losses
of CO2 in the cycle of photorespiration. The cell packed volume was increased by 34 %
when grown for 7 days in the presence of 50 mM methanol. Doubling time was decreased
by 28 % compared with control. The stimulating effect of small concentrations of methanol
on the dark respiration rate was also observed.
K e y w o r d s : Chlamydomonas reinhardtii, photosynthesis, respiration, photorespiration,
methanol, growth stimulation.
Harris E.H. Chlamydomonas as a model organism // Ann. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biol. – 2001. – 52. – P. 363–406.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-64164 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-8540 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:19:13Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Степанов, С.С. Золотарева, Е.К. 2014-06-12T16:07:11Z 2014-06-12T16:07:11Z 2011 Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) / С.С. Степанов, Е.К. Золотарева // Альгология. — 2011. — Т. 21, № 2. — С. 178-189. — Бібліогр.: 26 назв. — рос. 0868-8540 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/64164 581.1:582.26/.27 Исследовано влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii. Установлено, что небольшие концентрации метанола (0,1—0,4 объемных процента) стимулируют рост автотрофной накопительной культуры Ch. reinhardtii. Стимулирующий эффект проявляется в улучшении функционального состояния фотосинтетического аппарата, увеличении скорости фиксации СО₂ и уменьшении потерь СО₂ в цикле фотодыхания. При культивировании в течение 7 сут в присутствии 50 мМ метанола объем уплотненных клеток увеличивался на 34 %. Средний период удвоения клеток в культуре снижался на 28 % по сравнению с контролем. Обнаружено стимулирующее влияние небольших концентраций метанола на скорость темнового дыхания микроводоросли. Small concentrations of methanol (0.1—0.4 %) stimulated the growth of autotrophic batch culture Chlamydomonas reinhardtii. The stimulatory effect is to improve the functional state of the photosynthetic apparatus, increasing the rate of СО₂ fixation and reducing the losses of СО₂ in the cycle of photorespiration. The cell packed volume was increased by 34 % when grown for 7 days in the presence of 50 mM methanol. Doubling time was decreased by 28 % compared with control. The stimulating effect of small concentrations of methanol on the dark respiration rate was also observed. Авторы благодарны В.В. Подорванову и А.В. Полищуку за помощь при выполнении экспериментов и участие в обсуждении результатов. ru Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України Альгология Физиология, биохимия, биофизика Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) The effect of methanol on photosynthetic activity and productivity of Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) Степанов, С.С. Золотарева, Е.К. Физиология, биохимия, биофизика |
| title | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_alt | The effect of methanol on photosynthetic activity and productivity of Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_full | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_fullStr | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_full_unstemmed | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_short | Влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность Chlamydomonas reinhardtii Dang. (Chlorophyta) |
| title_sort | влияние метанола на фотосинтетическую активность и продуктивность chlamydomonas reinhardtii dang. (chlorophyta) |
| topic | Физиология, биохимия, биофизика |
| topic_facet | Физиология, биохимия, биофизика |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/64164 |
| work_keys_str_mv | AT stepanovss vliâniemetanolanafotosintetičeskuûaktivnostʹiproduktivnostʹchlamydomonasreinhardtiidangchlorophyta AT zolotarevaek vliâniemetanolanafotosintetičeskuûaktivnostʹiproduktivnostʹchlamydomonasreinhardtiidangchlorophyta AT stepanovss theeffectofmethanolonphotosyntheticactivityandproductivityofchlamydomonasreinhardtiidangchlorophyta AT zolotarevaek theeffectofmethanolonphotosyntheticactivityandproductivityofchlamydomonasreinhardtiidangchlorophyta |