Реакционные центры (РЦ) фотосистемы II (ФС II) представляют собой сложные молекулярные комплексы со светособирающей антенной, эффективное сечение которой может меняться. В зависимости от размера антенны РЦ могут быть трех типов: α-центры – димеры РЦ с пристыкованными светособирающими комплексами, β-центры – отсутствует периферическая антенна, γ-центры – отсутствует периферическая и внутренняя антенны (остается только коровая часть). В неблагоприятных условиях часто наблюдается увеличение доли РЦ с редуцированной антенной, β- и γ-центрами. Соотношение РЦ ФСII с разными размерами светособирающей антенны зависит от условий роста и действия факторов стресса. Изменение соотношения различных типов РЦ ФСII может служить индикатором действия стресса на клетки растений и водорослей. Оценка таких изменений может быть полезна для биотехнологических задач и экологического мониторинга. Распространенным способом оценки соотношения реакционных центров с антеннами разного размера является анализ кривой индукции флуоресценции хлорофилла (ИК) в образцах, обработанных 3-(3,4-дихлорфенил)-1,1-диметилмочевиной (DCMU) [1]. Для количественной оценки долей α-β- и γ-центров обычно используется мультиэкспоненциальное разложение площади над ИК. Однако этот подход имеет определенные ограничения, поскольку небольшая ошибка в определении максимального значения флуоресценции приводит к значительной ошибке в оценке долей [2, 3]. Для преодоления этих ограничений мы предлагаем подход, основанный на математическом моделировании. Построенная детальная математическая модель процессов в РЦ ФСII, обработанном DCMU, содержит 24 обыкновенных дифференциальных уравнения (ОДУ) и включает окислительно-восстановительные изменения кислородовыделяющего комплекса (КВК), фотовозбуждение и окислительно-восстановительные изменения пигмента Р680, окислительно-восстановительные изменения феофитина и первичного хинона QA. Иерархия характерных времен этих процессов позволяет свести модель к системе трех ОДУ. Решение редуцированной модели с тремя состояниями точно воспроизводит решение полной системы в диапазоне от микросекунд до секунд. Комбинация нескольких таких моделей позволила описать излучение флуоресценции α-, β- и γ-центрами. Параметры сокращенной модели были определены путем аппроксимации решений модели по ИК для микроводорослей Chlorella при истощении азота в среде и микроводорослей Chlamydomonas при культивировании на среде без серы. С помощью модели были проверены существующие гипотезы о природе многофазного характера ИК, зарегистрированных после обработки DCMU: отражают ли они существование РЦ с различным размером светособирающей антенны, или являются проявлением каких-то ранее неучтенных процессов в РЦ. Модель показала, что наличие или отсутствие дополнительной фазы на ИК, измеренной для образцов, обработанных DCMU, может зависеть от соотношения скоростей реакции на донорной и акцепторной сторонах ФСII. Если характерное время реакций на донорной стороне больше характерного времени реакций на акцепторной стороне, то начальная часть ИК, до ~100 мкс, демонстрирует более медленное нарастание интенсивности флуоресценции по сравнению с экспоненциальным ростом, дополнительные фазы не наблюдаются. Если, например, из-за стресса замедляются переходы в КВК и характерное время процессов на донорной стороне становится меньше характерного времени процессов на акцепторной стороне, то появляется дополнительная положительная фаза с характерным временем 1–10 мс. Анализ экспериментальных кривых показал, что при минеральном голодании дополнительные фазы на индукционной кривой могут свидетельствовать как о появлении РЦ с уменьшенными размерами антенны, так и о замедлении перехода S1–S2 в КВК. Модель показывает принципиальную возможность появления дополнительной фазы на ИК, полученных на клетках микроводорослей после воздействия DCMU, за счет процессов в КВК. Предполагается, что в нормальных условиях фазы на кривой отражают наличие α-, β- и γ-центров, а в условиях стресса одна из положительных фаз может отражать замедление процессов на донорной стороне ФСII.



Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №22-11-00009.



Литература



1. Melis A and Homann PH (1976) Heterogeneity of the photochemical centers in system II of chloroplasts. Photochem Photobiol 23: 343–350



2. Bell DH and Hipkins MF (1985) Analysis of fluorescence induction curves from pea chloroplasts. Photosystem II reaction centre heterogeneity. Biochim Biophys Acta 807: 255–262



3. Sinclair J and Spence SM (1988) The analysis of fluorescence induction transients from dichlorophenyldimethylurea-poisoned chloroplasts. Biochim Biophys Acta 935: 184–194

Under optimal conditions most of the PSII RCs form dimers and can attach light harvesting proteins, the so-called α-centers. Under unfavorable conditions, an increase of the portion of RCs with a reduced antenna, the β- and the γ-centers, is often observed. The ratio of PSII RCs with different sizes of light harvesting antenna depends on growth conditions and stress factors. The change in the ratio of different types of PSII RCs can serve as an indicator of the stress impact on the algae culture. The assessment of such changes can be useful for biotechnology and environmental monitoring. A common way to assess the ratio of reaction centers with different antenna size is to analyze chlorophyll fluorescence rise (FR) of 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea (DCMU) treated samples [1]. To quantify such ratios multiexponential decomposition of the complemental area above the FR is commonly used. However, this approach has certain limitations [2, 3]. To overcome these limitations, we propose an approach based on mathematical modeling.

The constructed detailed mathematical model of the processes in the DCMU treated PSII contains 24 ordinary differential equations (ODEs) and includes redox changes of the oxygen evolving complex (OEC), photoexcitation and redox changes of the RC pigment P680, and redox changes of pheophytin and the primary quinone QA. The hierarchy of characteristic times of these processes makes it possible to reduce the model to a system of three ODEs. The solution of the reduced three-state model exactly reproduces the solution of the complete system in the range from microseconds to seconds. The combination of several such models made it possible to describe different types: α- β- and the γ-centers. The parameters of the reduced model were identified by fitting model solutions to the FR for DCMU- treated of Chlorella microalgae under nitrogen depletion and of Chlamydomonas microalgae under sulfur depletion.

Using the model, we tested the existing hypotheses about the nature of additional phases on the fluorescence rise, whether they reflect RC with a different antenna or some process. The model demonstrates that the presence or absence of an additional phase on the fluorescence rise measured for DCMU treated samples may depend on the balance of reaction rates on the donor and acceptor sides of the PSII. If the characteristic time of reactions on the donor side is longer than the characteristic time of reactions on the acceptor side, the initial part of the FR till ~100 μs demonstrates a slower rise compared to an exponential increase. If, for example due to stress, transitions in OEC slow down, and the characteristic time of the processes on the donor side becomes shorter than the characteristic time of the processes on the acceptor side, then an additional positive phase with characteristic times of 1–10 ms is observed.

An analysis of the experimental curves showed that under mineral starvation additional phases on the induction curve can indicate both the appearance of RCs with reduced antenna size and the slowing down of the S1–S2 transition in OEC. The model shows the fundamental possibility of the appearance of an additional phase on the FR obtained from samples treated with DCMU due to the processes in OEC. It is hypothesized that under normal conditions the phases on the curve reflect the presence of α- β- and the γ-centers, while under stress conditions, one of the positive phases may reflect a slowdown in processes on the PSII donor side.



The work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-11-00009.



References

1. Melis A and Homann PH (1976) Heterogeneity of the photochemical centers in system II of chloroplasts. Photochem Photobiol 23: 343–350



2. Bell DH and Hipkins MF (1985) Analysis of fluorescence induction curves from pea chloroplasts. Photosystem II reaction centre heterogeneity. Biochim Biophys Acta 807: 255–262



3. Sinclair J and Spence SM (1988) The analysis of fluorescence induction transients from dichlorophenyldimethylurea-poisoned chloroplasts. Biochim Biophys Acta 935: 184–194