Кислород-выделяющий комплекс (КВК) фотосистемы 2 (ФС2) является одним из наиболее чувствительных к тепловому стрессу компонентов хлоропластов. Известно, что ингибирование выделения кислорода начинает проявляться в области ~40°C в результате диссоциации периферических белков и последующего разрушения Mn4CaО5-кластера, в процессе которого участвуют, по-видимому, активные формы кислорода. На чувствительность донорной стороны ФС2 к тепловой обработке значительное воздействие может оказывать рН среды, поскольку этот фактор влияет на протонирование/депротонирование аминокислотных остатков и молекул воды, связанных с каталитическим центром окисления воды – марганцевым кластером. В этой связи исследование изменений в КВК, происходящих в результате модуляции рН внутритилакоидной среды, могут способствовать обнаружению новых механизмов устойчивости растений в условиях стресса.

Ранее мы обнаружили, что устойчивость марганцевого кластера к действию температуры в препаратах ФС2 без катиона Са в КВК существенно зависит от рН среды: устойчивость минимальна при рН 6,5, увеличивается при снижении рН до 5,7 и остается практически постоянной при дальнейшем уменьшении рН до 4,0 (Lovyagina and Semin 2022). Эти результаты хорошо соотносятся с полученными нами данными (Semin et al. 2015, 2018; Davletshina and Semin 2020), демонстрирующими, что при рН 5,7 в КВК происходит структурный переход, сопровождающийся увеличением устойчивости катионов марганца к действию восстановителей и фотоингибированию.

В настоящей работе мы исследовали термоинактивацию КВК ФС2 в тилакоидных мембранах шпината в темновых условиях и при освещении, не вызывающем фотоингибирования. Показано, что выраженное ингибирование выделения кислорода тилакоидами наблюдается с 40°C – на ≈50%. Однако освещение тилакоидов (30% интенсивности насыщающего света в полосе Сорэ) при их прогреве существенно уменьшает ингибирующий эффект температуры. Максимальное различие мы наблюдали при 40°C – уменьшение ингибирования более, чем на 20%. Мы связываем этот эффект с подкислением люмена до рН 5,7 в результате формирования протонного градиента на мембране тилакоидов при освещении. Для проверки этой гипотезы мы измерили кривые выделения кислорода тилакоидными мембранами после их прогрева в темноте и на свету в присутствии разобщителей, снимающих протонный градиент, – нигерицина и хлорида аммония. Действительно, в присутствии разобщителей фотопротекторный эффект на термоинактивацию КВК полностью отсутствовал.

Мы предполагаем, что повышение устойчивости ФС2 к тепловому стрессу на свету при подкислении люмена (рН 5,7) определяется изменением окислительно-восстановительного потенциала Em одного или нескольких катионов марганца в КВК. Изменение Em в свою очередь увеличивает устойчивость катионов марганца к восстановителям, например, активным формам кислорода, участвующим в процессе деструкции марганцевого кластера. Таким образом, структурный переход в КВК при рН 5,7 может играть роль встроенного механизма, защищающего ФС2 как от фотоингибирования, так и от температурного стресса.



Исследование выполнено в рамках научного проекта государственного задания МГУ №121032500058-7.

Davletshina LN, Semin BK (2020) pH dependence of photosystem II photoinhibition: relationship with structural transition of oxygen-evolving complex at the pH of thylakoid lumen. Photosynth Res 145: 135–143. https://doi.org/10.1007/s11120-020-00769-0

Lovyagina ER, Semin BK (2022) Elevation of photosystem II thermal stability at pH 5.7 due to the structural transition in the oxygen-evolving complex. J Plant Biochem Biotechnol 31:440–445. https://doi.org/10.1007/s13562-021-00693-x

Semin BK, Davletshina LN, Rubin AB (2015) Correlation between pH dependence of O2 evolution and sensitivity of Mn cations in the oxygen-evolving complex to exogenous reductants. Photosynth Res 125: 95–103. https://doi.org/10.1007/s11120-015-0155-4

Semin BK, Davletshina LN, Seibert M, Rubin AB. (2018) Creation of a 3Mn/1Fe cluster in the oxygen-evolving complex of photosystem II and investigation of its functional activity. J Photochem Photobiol B 178: 192–200. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.11.016

The oxygen-evolving complex (OEC) of photosystem II (PSII) is one of the most heat-sensitive components of chloroplasts. It is known that inhibition of oxygen release begins to occur in the region of 40°C as a result of dissociation of extrinsic proteins and subsequent destruction of the Mn4CaO5 cluster, which seems to involve reactive oxygen species. The sensitivity of the donor side of the PSII to heat treatment can be significantly affected by the pH of the medium, since this factor affects the protonation/deprotonation of amino acid residues and water molecules associated with the catalytic center of water oxidation - the manganese cluster. In this regard, investigation of changes in OEC resulting from modulation of the pH of the intrathylakoid environment may contribute to the discovery of new mechanisms of plant resistance under stress.

We previously found that the temperature resistance of the manganese cluster in PSII preparations without Ca2+ cation in OEC significantly depends on the pH of the medium: resistance is minimal at pH 6.5, increases with a decrease in pH to 5.7 and remains almost constant with a further decrease in pH to 4.0 (Lovyagina and Semin 2022). These results correlate well with the data we have obtained (Semin et al. 2015, 2018; Davletshina and Semin 2020), demonstrating that at pH 5.7 in OEC, a structural transition occurs, accompanied by an increase in the resistance of manganese cations to the action of reducing agents and photoinhibition.

In the present work, we investigated the thermoinactivation of OEC in spinach chloroplasts under dark conditions and under non-photoinhibiting illumination. It was shown that pronounced inhibition of oxygen evolution by thylakoid membranes is observed from 40°C - by ≈50%. However, illumination of chloroplasts (30% of the saturating light intensity in the Soret band) when heated significantly reduces the inhibitory effect of temperature. The maximum difference we observed at 40°C was a decrease in inhibition of more than 20%. We associate this effect with the acidification of lumen to pH 5.7 as a result of the formation of a proton gradient on the thylakoid membrane under illumination. To test this hypothesis, we measured the oxygen evolution curves of thylakoids after warming them up in the dark and in the light in the presence of protonophores - nigericin and ammonium chloride. Indeed, in the presence of protonophores, the photoprotective effect on the thermal inactivation of OEC was completely absent.

We assume that the increase in the resistance of the PSII to heat stress in light during lumen acidification (pH 5.7) is determined by a change in the redox potential Em of one or more manganese cations in OEC. The change in Em in turn increases the resistance of manganese cations to reducing agents, for example, active oxygen species involved in the manganese cluster degradation process. Thus, the structural transition in OEC at pH 5.7 can play the role of a built-in mechanism that protects the PSII from both photoinhibition and temperature stress.



The study was carried out within the framework of the scientific project of the state assignment of Moscow State University No. 121032500058-7.

Davletshina LN, Semin BK (2020) pH dependence of photosystem II photoinhibition: relationship with structural transition of oxygen-evolving complex at the pH of thylakoid lumen. Photosynth Res 145: 135–143. https://doi.org/10.1007/s11120-020-00769-0

Lovyagina ER, Semin BK (2022) Elevation of photosystem II thermal stability at pH 5.7 due to the structural transition in the oxygen-evolving complex. J Plant Biochem Biotechnol 31:440–445. https://doi.org/10.1007/s13562-021-00693-x

Semin BK, Davletshina LN, Rubin AB (2015) Correlation between pH dependence of O2 evolution and sensitivity of Mn cations in the oxygen-evolving complex to exogenous reductants. Photosynth Res 125: 95–103. https://doi.org/10.1007/s11120-015-0155-4

Semin BK, Davletshina LN, Seibert M, Rubin AB. (2018) Creation of a 3Mn/1Fe cluster in the oxygen-evolving complex of photosystem II and investigation of its functional activity. J Photochem Photobiol B 178: 192–200. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.11.016