hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Scienceshydrophysics-829Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ГИДРОФИЗИКАTECHNICAL HYDROPHYSICSНовые оптические подходы в исследовании фотофизиологических характеристик цианобактерий in situNew Optical Approaches in Studying Photophysiological Parameters of Cyanobacteria in situКузьминовФ. И.KuzminovF. I.

New Brunswick

Moscow

fedor.kouzminov@rutgers.eduШиршинЕ. А.ShirshinE. A.

Moscow

ГорбуновМ. Ю.GorbunovM. Yu.

Нью Брансвик

New Brunswick

ФадеевВ. В.FadeevV. V.

Moscow

Отделение изучения морских и прибрежных зон, Университет Ратгерс; Московский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваРоссияDepartment of Marine and Coastal Sciences, Rutgers University; M. V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваРоссияM. V. Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationОтделение изучения морских и прибрежных зон, Университет РатгерсСоединённые Штаты АмерикиDepartment of Marine and Coastal Sciences, Rutgers UniversityUnited States201517112022814147Copyright © Кузьминов Ф.И., Ширшин Е.А., Горбунов М.Ю., Фадеев В.В., 20222022Кузьминов Ф.И., Ширшин Е.А., Горбунов М.Ю., Фадеев В.В.Kuzminov F.I., Shirshin E.A., Gorbunov M.Y., Fadeev V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/829

Рассматриваются новые подходы к определению фотофизических и фотофизиологических параметров фотосинтетических организмов, которые могут быть использованы для определения их физиологического состояния in situ, количественной оценки эффективности фотосинтеза и первичной продукции. На примере исследования физиологического состояния цианобактерий демонстрируются возможности метода индукции и релаксации флуоресценции и метода нелинейной лазерной флуорометрии. Показаны возможности совместного использования этих методов при исследовании механизмов защиты от избыточного освещения (нефотохимического тушения). В частности, приведены результаты, которые демонстрируют, что хлорофиллсодержащий светособирающий комплекс цианобактерий не принимает непосредственного участия в механизме нефотохимического тушения. Данные по исследованию влияния спектральных характеристик внешнего освещения на физиологическое состояние цианобактерий свидетельствуют о том, что спектральные свойства и интенсивность освещения, при котором выращивались культуры цианобактерий, существенным образом влияют на количество и соотношения фикобилин- и хлорофиллсодержащих комплексов, а также на содержание пигментов в этих комплексах. Эти изменения проявляются в измеряемых фотофизиологических параметрах, что говорит о возможности оценки световых условий, при которых росли клетки цианобактерий in situ при помощи методов флуорометрии.

In this work we examine new approaches for measurment of photophysical and photophysiological parameters of photosynthetic organisms that could be used to assess their physiological state, photosynthetic efficiency, and primary productivity. On the example of cyanobacteria, we demonstrate the potential of Fluorescence Induction and Relaxation technique (FIRe) and Non-linear Laser Fluorimetry (NLF) in assessing physiological state of phytoplankton. We apply these methods to study mechanism of high light tolerance (non-photochemical quenching). In particular, we show that chlorophyll-containing light harvesting complex of cyanobacteria does not directly participate in the mechanism of non-photochemical quenching. Studies on the effect of spectral properties on the physiological state of cyanobacteria demonstrate that light induced changes in the content, quantity and ratio of chlorophyll- and phycobilin-containing light harvesting complexes could be determined from measured photophysiological parameters. Thus, FIRe and NLF could be used to assess light growth conditions in situ.

цианобактериифотосинтезфлуорометрияфотоадаптация.cyanobacteriaphotosynthesisfluorimetryphotoadaptationРабота выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 14-17-00451)ReferencesShaw B. P., Sahu S. K., Mishra R. K. Heavy Metal Induced Oxidative Damage in Terrestrial Plants // Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystems / Ed. by Prasad M. N. V. Berlin: Springer, 2004. P. 84–126.Shaw B. P., Sahu S. K., Mishra R. K. Heavy Metal Induced Oxidative Damage in Terrestrial Plants // Heavy metal stress in plants: from biomolecules to ecosystems / Ed. by Prasad M. N. V. Berlin: Springer, 2004. P. 84–126.Hallare A. V., Lasofin K. J. A., Magallanes J. R. Shift in Phytoplankton Community Structure in a Tropical Marine Reserve Before and After a Major oil Spill Event // J. of Environmental Research. 2011. V. 5, N 3. P. 651–660.Hallare A. V., Lasofin K. J. A., Magallanes J. R. Shift in Phytoplankton Community Structure in a Tropical Marine Reserve Before and After a Major oil Spill Event // J. of Environmental Research. 2011. V. 5, N 3. P. 651–660.Gorbunov M. Y., Falkowski P. G. Fluorescence induction and relaxation (FIRe) technique and instrumentation for monitoring photosynthetic processes and primary production // Aquatic Ecosystems, Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives / Ed. by der Est, Van, Bruce, D. Lawrence: Alliance Communications Group, 2005. P. 1029–1031.Gorbunov M. Y., Falkowski P. G. Fluorescence induction and relaxation (FIRe) technique and instrumentation for monitoring photosynthetic processes and primary production // Aquatic Ecosystems, Photosynthesis: Fundamental Aspects to Global Perspectives / Ed. by der Est, Van, Bruce, D. Lawrence: Alliance Communications Group, 2005. P. 1029–1031.Rohacek K., Bartak M. Technique of the modulated chlorophyll fluorescence: basic concepts, useful parameters and some applications // Photosynthetica. 1990. V. 37. P. 339–363.Rohacek K., Bartak M. Technique of the modulated chlorophyll fluorescence: basic concepts, useful parameters and some applications // Photosynthetica. 1990. V. 37. P. 339–363.Fadeev V. V., Dolenko T. A., Filippova E. M., Chubarov V. V. Saturation spectroscopy as a method for determining the photophysical parameters of complicated organic compounds // Opt. Commun. 1999. V. 166. P. 25–33.Fadeev V. V., Dolenko T. A., Filippova E. M., Chubarov V. V. Saturation spectroscopy as a method for determining the photophysical parameters of complicated organic compounds // Opt. Commun. 1999. V. 166. P. 25–33.Schatz G. H., Brock H., Holzwarth A. R. Kinetic and Energetic Model for the Primary Processes in Photosystem II // Biophysical journal. 1988. V. 54, N 3. P. 397–405.Schatz G. H., Brock H., Holzwarth A. R. Kinetic and Energetic Model for the Primary Processes in Photosystem II // Biophysical journal. 1988. V. 54, N 3. P. 397–405.Fadeev V. V., Shirshin E. A. Nonlinear laser flurescence spectroscopy of natural organic compounds // Handbook of Coherent-Domain Optical Metods: Biomedical Diagnostics, Enviromental Monitoring, and Material Science / Ed. by V. V. Tuchin. New York: Springer Science+Business Media, 2013. P. 1255–1288.Fadeev V. V., Shirshin E. A. Nonlinear laser flurescence spectroscopy of natural organic compounds // Handbook of Coherent-Domain Optical Metods: Biomedical Diagnostics, Enviromental Monitoring, and Material Science / Ed. by V. V. Tuchin. New York: Springer Science+Business Media, 2013. P. 1255–1288.Kuzminov F. I., Karapetyan N. V., Rakhimberdieva M. G., Elanskaya I. V., Gorbunov M. Y., Fadeev V. V. Investigation of OCP-Triggered Dissipation of Excitation Energy in PSI/PSII-less Synechocystis sp. PCC 6803 Mutant Using Non-Linear Fluorimetry // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1817. P. 1012–1021.Kuzminov F. I., Karapetyan N. V., Rakhimberdieva M. G., Elanskaya I. V., Gorbunov M. Y., Fadeev V. V. Investigation of OCP-Triggered Dissipation of Excitation Energy in PSI/PSII-less Synechocystis sp. PCC 6803 Mutant Using Non-Linear Fluorimetry // Biochim. Biophys. Acta. 2012. V. 1817. P. 1012–1021.Gostev T. S., Kuzminov F. I., Gorbunov M. Y., Voronova E. N., Fadeev V. V. Effect of Variations in Salinity and Nitrogen Concentration on Photophysical Parameters of Phytoplankton Obtained with Fluorescence Spectroscopy // EARSEL eProceedings. 2012. V. 11, N 2. P. 1–10.Gostev T. S., Kuzminov F. I., Gorbunov M. Y., Voronova E. N., Fadeev V. V. Effect of Variations in Salinity and Nitrogen Concentration on Photophysical Parameters of Phytoplankton Obtained with Fluorescence Spectroscopy // EARSEL eProceedings. 2012. V. 11, N 2. P. 1–10.Gostev T. S., Fadeev V. V. Determination of photophysical parameters of chlorophyll a in photosynthetic organisms using the method of nonlinear laser fluorimetry // Quantum Electron. 2011. V. 41. P. 414–419.Gostev T. S., Fadeev V. V. Determination of photophysical parameters of chlorophyll a in photosynthetic organisms using the method of nonlinear laser fluorimetry // Quantum Electron. 2011. V. 41. P. 414–419.Maslov D. V., Ostroumov E. E., Fadeev V. V. Saturation fluorimetry of complex organic compounds with high local concentration of fluorophores (by the example of phytoplankton) // Quantum Electron. 2006. V. 36. P. 163–168.Maslov D. V., Ostroumov E. E., Fadeev V. V. Saturation fluorimetry of complex organic compounds with high local concentration of fluorophores (by the example of phytoplankton) // Quantum Electron. 2006. V. 36. P. 163–168.Gorbunov M. Y., Kuzminov F. I., Fadeev V. V., Kim J. D., Falkowski P. G. A kinetic model of non-photochemical quenching in cyanobacteria // Biochim. Biophys. Acta. 2011. V. 1807. P. 1591–1599.Gorbunov M. Y., Kuzminov F. I., Fadeev V. V., Kim J. D., Falkowski P. G. A kinetic model of non-photochemical quenching in cyanobacteria // Biochim. Biophys. Acta. 2011. V. 1807. P. 1591–1599.Kirilovsky D., Kerfeld C. A. The Orange Carotenoid Protein: a blue-green light photoactive protein // Photochemical & Photobiological Sciences. 2013. V. 12, N 7. P. 1135–1143.Kirilovsky D., Kerfeld C. A. The Orange Carotenoid Protein: a blue-green light photoactive protein // Photochemical & Photobiological Sciences. 2013. V. 12, N 7. P. 1135–1143.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.