Фотосинтез тесно связан с дальним транспортом и межклеточным распределением ассимилятов и сигнальных молекул. Дальний перенос веществ и преодоление межклеточных барьеров могут служить узким звеном в общем процессе и лимитировать фотосинтетическую продукцию. Наличие множественных межклеточных барьеров в листьях высших растений лимитирует латеральный обмен реагентами и продуктами реакций между клетками мезофилла. По этой причине начальные стадии (при t < 10 с) индукционных изменений флуоресценции (Фл) хлорофилла (Хл), измеряемые на ограниченном участке листа, не зависят от освещения или затемнения окружающих областей. Вместе с тем, измерения Фл Хл на временах 100–400 с при широком и узком поле освещения препарата позволяют выявить индукционные процессы фотосинтеза, связанные с дальними межклеточными взаимодействиями. В гигантских клетках харовых водорослей воздействие дальнего транспорта метаболитов на фотосинтез и Фл Хл должно быть особенно заметным, поскольку перенос в латеральном направлении (параллельно слою неподвижных хлоропластов) облегчен за счет быстрого ротационного течения цитоплазмы. Однако до настоящего времени не определены расстояния, на которые могут распространяться фотометаболиты с потоком цитоплазмы, нет достаточных сведений о роли дальних взаимодействий хлоропластов в индукции Фл Хл. Мало что известно о селективности транспорта метаболитов через межклеточные поры плазмодесмы. Данная работа посвящена выявлению роли дальнего внутри- и межклеточного транспорта в регуляции процессов фотосинтеза.

Дальний транспорт и дистанционные взаимодействия при фотосинтезе можно изучать по изменениям Фл Хл в ответ на локальное освещение участков растительного объекта, расположенных вдали от микрообласти регистрации Фл. Второй подход состоит в сравнении индукционных изменений Фл Хл при разной площади освещения объекта с использованием узкопольного и широкопольного освещения. Расхождения индукционных кривых Фл в этих вариантах обусловлены обменом метаболитов между областью измерения флуоресценции (ОИФ) и прилегающими частями исследуемого объекта. В данной работе эти подходы были применены для изучения дальних внутриклеточных и межклеточных взаимодействий в междоузлиях водорослей Chara australis и Nitelloposis obtusa.

Показано, что фотометаболиты, экспортируемые из хлоропластов в области яркого локального освещения, распространяются с потоком цитоплазмы на расстояния до 10 мм и вызывают сравнительно быстрые переходное возрастание Фл Хл в ОИФ спустя долгое время (~120 с) после завершения светового стимула. Поскольку водоросли N. obtusa устойчивее к засолению, чем C. australis, мы предполагаем, что микрофлуидная сигнализация действует как у чувствительных, так и у устойчивых к действию солей харофитов.

Показано, что индукционные изменения Фл Хл, вызываемые освещением всей клетки, резко отличаются от варианта с освещением только ОИФ и прилегающих площадей, однако эти различия исчезают после остановки движения цитоплазмы в присутствии цитохалазина D. Для выяснения роли светозависимых транспортеров оболочки хлоропластов в индукционных изменениях Фл Хл использовали переходы от зонального (локального) к общему освещению препарата. Показано, что при таком переходе стадия S-M-T в индукционной кривой Фл определяется как внутренними процессами в хлоропластах ОИФ, так и обменом метаболитами между ОИФ и участками, лежащими за пределами этой области. Амплитуда и положение стадии S-M-T зависели от состояния активируемых светом ферментов, которые участвуют в транспорте фотометаболитов через мембраны оболочки хлоропластов. Установлено, что экспорт фотометаболитов из хлоропластов после перехода темнота-свет начинается значительно (на 50–60 с) раньше, чем поступление метаболитов из цитоплазмы в строму. Результаты указывают на участие дальних взаимодействий в индукционных переходах при фотосинтезе.

Проведены количественные оценки проникновения фотометаболитов через плазмодесмы Chara. Показано, что воздействие интенсивного локального светового импульса при низкой и повышенной интенсивностях фонового освещения вызывает появление в потоке цитоплазмы метаболитов двух типов, вызывающих противоположные изменения Фл Хл. Установлено, что метаболиты-восстановители свободно проникают через межклеточные барьеры, а продукты-тушители Фл Хл не могут их преодолеть. По-видимому, плазмодесмы выступают в качестве селективного барьера и способны ограничивать прохождение потенциально деструктивных агентов, генерируемых на свету повышенной интенсивности.

Было изучено влияние генерации потенциала действия (ПД) на проводимость плазмодесм. Для измерений выбирали некальцифицированные участки клетки, в которых Фл Хл нечувствительна к возбуждению плазмалеммы. Показано, что генерация ПД в междоузлиях Chara подавляет межклеточный перенос метаболитов гораздо сильнее, чем их внутриклеточный транспорт. Результаты указывают на существование специфических механизмов регуляции проводимости плазмодесм, которые опосредованы повышением концентрации Са2+ в цитоплазме во время генерации ПД.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и DFG в рамках научного проекта № 20-54-12015, а также в рамках научного проекта государственного задания МГУ № 121032500058-7.

Photosynthesis is closely related to the long-distant transport and intercellular distribution of assimilates and signaling molecules. Long-distant transport of substances and permeation through intercellular barriers can become a bottleneck in the overall process and limit photosynthetic production. The presence of multiple intercellular barriers in the leaves of higher plants limits the lateral exchange of intermediates and reaction products between mesophyll cells. For this reason, the initial stages (at t < 10 s) of induction changes in the fluorescence (FL) of chlorophyll (Chl), measured in a limited area of the leaf, do not depend on the illumination or darkening of the surrounding areas. At the same time, Chl FL measurements at times of 100–400 s with a wide and narrow illumination field of the specimen make it possible to reveal the induction processes of photosynthesis associated with long-distant intercellular interactions. In the giant cells of Charaсeaen algae, the effect of long-distant transport of metabolites on photosynthesis and Chl FL should be especially noticeable, since the transfer in the lateral direction (parallel to the layer of immobile chloroplasts) is facilitated by the rapid rotational flow of the cytoplasm.

However, the distances over which photometabolites can propagate with the flow of the cytoplasm have not yet been determined, and there is no sufficient information about the role of long-distant interactions of chloroplasts in the induction of Chl FL. Little is known about the selectivity of metabolite transport through the intercellular pores of the plasmodesmata.

Long-distance interactions in photosynthesis can be studied by tracking the transients in Chl FL under local illumination of sample sites located away from a small region of FL detection (area of interest, AOI). The other approach is that the induction changes of Chl FL in AOI are compared under narrow-field and wide-field illumination of the sample. The divergent parts of FL induction curves in these light treatments reflect the exchange of metabolites between AOI and surrounding areas. These approaches were applied to study long-distant intra- and intercellular interactions in internodal cells of Chara australis and Nitelloposis obtusa algae.

It was shown that photometabolites exported from chloroplasts in areas of bright local light (LL) are entrained by cytoplasmic streaming to distances d of at least 10 mm along the cell length. Their delivery to AOI (at d = 10 mm) produces a sharp transient rise in Chl FL in about 120 s after the end of LL stimulus. Since N. obtusa algae are more resistant to salinity than C. australis, we assume that microfluidic signaling operates in both sensitive and salt-resistant charophytes.

The induction changes in Chl FL caused by illumination of the whole cell differed greatly from those induced by local illumination of AOI and adjacent areas; however, these distinctions disappeared after the arrest of cytoplasmic streaming in the presence of cytochalasin D. To elucidate the role of light-dependent transporters of the chloroplast envelope in the induction changes of Chl FL, transitions from zonal (local) lighting to general illumination of the internodal cell were employed. The S-M-T stage in the FL induction arising after such a transition was found related to both the internal processes in chloroplasts of AOI and the metabolite exchange between AOI and the areas located outside AOI. The amplitude and peak position of S-M-T stage depended on the condition of light-activated enzymes that transport the photometabolites across the chloroplast envelope. The results show that the export of photometabolites from illuminated chloroplasts starts 50–60 s earlier than the entry of metabolites from the cytoplasm into the stroma. The results prove the involvement of long-distant interactions in the photosynthetic induction.

Permeation of photometabolites through plasmodesmata of Chara cells was quantitatively assessed. It was shown that the mobile cytoplasmic package produced after exposure of cells to an intense LL at low and high background irradiance contains two types of metabolites that cause opposite changes in Chl FL. The reducing metabolites were found to freely permeate through intercellular barriers, while the products acting as FL quenchers were unable to overcome them. Apparently, plasmodesmata act as a selective filter that restricts the passage of potentially destructive agents generated at high-intensity light.

The effect of action potential (AP) generation on plasmodesmal conductance was studied in noncalcified cell regions in which Chl FL is insensitive to plasmalemma excitation. The AP generation in Chara internodes was found to have a stronger inhibitory action on intercellular transport of metabolites than on intracellular transport. The results indicate the existence of specific mechanisms for plasmodesmal conductance regulation that are mediated by an increase in cytoplasmic Ca2+ concentration during the AP generation.

This work was supported by the Russian Foundation for Basic Research and DFG, project no. 20-54-12015 NNIO_а. It was also carried out as part of the Scientific Project of the State Order of the Government of Russian Federation to Lomonosov Moscow State University No. 121032500058-7.