Оценка гетерогенности комплексов фотосистемы II клеток водорослей Chlorella vulgaris в условиях азотного голодания с использованием математической модели

Изучение реакций клеток микроводорослей на такие стрессовые воздействия, как недостаток элементов минерального питания, является важной экологической задачей. Изменения, происходящие в фотосинтетическом аппарате, отражаются на кинетике экспериментально измеренных кривых индукции флуоресценции хлорофилла. Для анализа изменения формы кривых разрабатываются различные математические методы, позволяющие провести экспресс-анализ большого количества кривых. В работе продемонстрировано применение простой математической модели фотосистемы II (ФСII) для оценки изменения параметров ФСII культуры клеток микроводоросли Chlorella vulgaris, растущей при дефиците соединений азота в среде. Модель описывает переходы между тремя ключевыми состояниям ФСII, различающимися по степени окисления ее компонентов. С помощью этой математической модели было выявлено увеличение доли реакционных центров, содержащих антенны с меньшим размером, а также возрастание доли неактивных кислород-выделяющих комплексов.

1. Safi C., Zebib B., Merah O., Pontalier P.-Y., Vaca-Garcia C. Morphology, composition, production, processing and applications of Chlorella vulgaris: A review. Renew. Sustain. Energy Rev. 2014;35:265–278.

2. Ru I.T.K., Sung Y.Y., Jusoh M., Wahid M.E.A., Nagappan T. Chlorella vulgaris: a perspective on its potential for combining high biomass with high value bioproducts. Appl. Phycol. 2020;1(1):2–11.

3. Cetner M. D., Kalaji H. M., Goltsev V., Aleksandrov V., Kowalczyk K., Borucki W., Jajoo A. Effects of nitrogen-deficiency on efficiency of light-harvesting apparatus in radish. Plant Physiol. Biochem. 2017;119:81–92.

4. Chen, L.-H., Xu, M., Cheng, Z., Yang, L.-T. Effects of nitrogen deficiency on the photosynthesis, chlorophyll a fluorescence, antioxidant system, and sulfur compounds in Oryza sativa. Int. J. Mol. Sci. 2024;25(19):10409.

5. Karukstis K.K. Chlorophyll fluorescence analysis of photosystem II reaction center heterogeneity. J. Photochem. Photobiol., B. 1992;15(1–2):63–74.

6. Terentyev V.V., Shukshina A.K., Ashikhmin A.A., Tikhonov K.G., Shitov A.V. The main structural and functional characteristics of photosystem-II-enriched membranes isolated from wild type and cia3 mutant Chlamydomonas reinhardtii. Life. 2020;10(5):63.

7. Antal T., Konyukhov I., Volgusheva A., Plyusnina T., Khruschev S., Kukarskikh G., Goryachev S., Rubin A. Chlorophyll fluorescence induction and relaxation system for the continuous monitoring of photosynthetic capacity in photobioreactors. Physiol. Plant. 2019;165(3):476–486.

8. Melis A. Dynamics of photosynthetic membrane composition and function. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics. 1991;1058(2):87–106.

9. Melis A, Homann P. Heterogeneity of the photochemical centers in system II of chloroplasts. Photochem. Photobiol. 1976;23(5):343–350.

10. Lazar D., Tomek P., Ilik P., Nauš J. Determination of the antenna heterogeneity of photosystem II by direct simultaneous fitting of several fluorescence rise curves measured with DCMU at different light intensities. Photosyn. Res. 2001;68(3):247–257.

11. Plyusnina T.Yu., Khruschev S.S., Degtereva N.S., Voronova E.N., Volgusheva A.A., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Three-state mathematical model for the assessment of DCMU-treated photosystem II heterogeneity. Photosynth. Res. 2024;159:303–320.

12. Дегтерева Н.С., Плюснина Т.Ю., Хрущев С.С., Червицов Р.Н., Воронова Е.Н., Яковлева О.В., Антал Т.К., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Оценка гетерогенности антенны и активности кислород-выделяющего комплекса фотосистемы II математическими методами. Биофизика. 2024;69(3):486–497.

13. Беляева Н.Е., Пащенко В.З., Ренгер Г., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Использование модели фотосистемы II для анализа индукционной кривой флуоресценции, вызванной насыщающим световым импульсом, во временном диапазоне 100 нс – 10 с. Биофизика. 2006;51(6):976-990.

14. Lazar D., Jablonsky J. On the approaches applied in formulation of a kinetic model of photosystem II: Different approaches lead to different simulations of the chlorophyll a fluorescence transients. J. Theor. Biol. 2009;257(2):260–269.

15. Беляева Н.Е., Булычев А.А., Ризниченко Г.Ю., Рубин А.Б. Модель фотосистемы II для анализа нарастания индукционной кривой флуоресценции листьев высших растений. Биофизика. 2011;56(3):489–505.

16. Vredenberg W., Prášil O. Modeling of chlorophyll a fluorescence kinetics in plant cells: derivation of a descriptive algorithm. Photosynthesis in silico. Advances in Photosynthesis and Respiration, vol 29. Eds. A. Laisk, L. Nedbal, Govindjee. Dordrecht: Springer; 2009:125–149.

17. Vredenberg W., Prášil O. On the polyphasic quenching kinetics of chlorophyll a fluorescence in algae after light pulses of variable length. Photosynth. Res. 2013;117(1–3):321–337.

18. Schatz G.H., Brock H., Holzwarth A.R. Picosecond kinetics of fluorescence and absorbance changes in photosystem II particles excited at low photon density. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 1987;84(23):8414–8418.

19. Roelofs T.A., Lee C.-H., Holzwarth A.R. Global target analysis of picosecond chlorophyll fluorescence kinetics from pea chloroplasts. A new approach to the characterization of the primary processes in photosystem II αand β-units. Biophys. J. 1992;61(5):1147–1163.

20. Plyusnina T.Yu., Khruschev S.S., Degtereva N.S., Konyukhov I.V., Solovchenko A.E., Kouzmanova M., Goltsev V.N., Riznichenko G.Yu., Rubin A.B. Gradual changes in the photosynthetic apparatus triggered by nitrogen depletion during microalgae cultivation in photobioreactor. Photosynthetica. 2020;58(SI):258–266.

21. Погосян С.И., Гальчук С.В., Казимирко Ю.В., Конюхов И.В., Рубин А.Б. Применение флуориметра «Мега-25» для определения количества фитопланктона и оценки состояния его фотосинтетического аппарата. Вода: химия и экология. 2009;6(12):34–40.

22. Gizzatkulov N.M., Goryanin I.I., Metelkin E.A., Mogilevskaya E.A., Peskov K.V., Demin O.V. DBSolve Optimum: a software package for kinetic modeling which allows dynamic visualization of simulation results. BMC Syst. Biol. 2010;4(1):109.

23. LMFIT: Non-linear least-squares minimization and curve fitting for Python. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://lmfit.github.io/lmfit-py/intro.html (дата обращения: 15.04.2025)