Впервые фотозащитную функцию каротиноидных пигментов начали изучать у фотосинтезирующих организмов: высших растений, фототрофных бактерий и водорослей. Согласно существующим представлениям, каротиноиды, благодаря особенностям химического строения (линейная цепь с большим количеством ненасыщенных связей), участвуют в адсорбции коротковолновой части видимого света, недоступной для хлорофилла, и передают его на этот пигмент (Stainier, Cohen-Bazire, 1957; Kunisava, Stainier, 1958; Кондратьева, 1972; Феофилова, 1974). Способность к адсорбции электронов обусловила защитную функцию каротиноидов: они предотвращают возможность летального окисления клеточных структур в процессе фотосенсибилизации хлорофилла.
Предположение о фотозащитной роли каротиноидов гетеротрофных организмов, в том числе грибов, выдвигалось на основании определения их встречаемости в различных экологических нишах. В отделе физиологии промышленных микроорганизмов Института микробиологии и вирусологии АН УССР на протяжении ряда лет изучали встречаемость каротинсодержащих дрожжей в разных климатических зонах Советского Союза. В итоге была установлена приуроченность дрожжей рода Rhodotorula (главным образом весной) и рода Sporobolomyces (осенью) к освещаемым субстратам: верхняя поверхность живых листьев, растительные остатки. Количество их от весны к осени увеличивалось в сотни и тысячи раз. В высокогорных районах Кавказа эта закономерность проявлялась резче, чем в равнинных районах того же региона (Квасников и др., 1980).
Аналогичные наблюдения описаны Т. Т. Кузнецовой (1973), а также Г. В. Деловой и Г. М. Гутниковой (1973), которые исследовали эпифитную микрофлору листьев ряда растений в Новосибирске и его окрестностях. Кроме того, известно, что свет благоприятно влияет на образование каротиноидов грибами Pyronema confluens, Fusarium oxysporum, F. aqueductum, Neurospora crassa, Phycomyces blakesleanus, Penicillium sclerotiorum (Carlile, 1965, 1970), а фотоустойчивость у пигментированных бактерий выражена больше, чем у неокрашенных (Имшенецкий, 1946; Квасников, Сумневич, 1953; Liaaen-Jensen, Andrews, 1972).
Мы полагаем, что более объективно о фотозащитной роли каротиноидов можно судить на основе экспериментов, выполненных на цветных мутантах или изолированном пигменте. Существенные различия были установлены между выживаемостью светлоокрашенных клеток гриба Dacryopinax spathularia (выращенных в темноте) и каротинобразующих (выращенных на свету) (Goldstrohm, Lilly, 1965). Устойчивость к УФ-лучам окрашенных клеток на два порядка превосходила таковую светлоокрашенных. Выживаемость клеток, облученных в атмосфере азота, почти в пять раз выше таковой в атмосфере кислорода. При освещении неокрашенных клеток гриба через фильтр, содержащий раствор каротиноидного пигмента, защитный эффект с увеличением толщины фильтра увеличивался. К сожалению, авторы изучали фотозащитный эффект вне связи с процессами фотореактивации и темновой репарации, неодинаковый возраст облучаемых клеток не учитывали, обращая внимание только на фенотипические различия бесцветных и окрашенных клеток. Blanc et al. (1976) провели исследование на Neurospora crassa и ее мутантах с учетом явлений фотореактивации и темновой репарации. О характере этих процессов судили по выживаемости и способности УФ-облученной ДНК Haemophilus influenze к репарации под влиянием ферментных экстрактов из облученных конидий Neurospora crassa. Авторы выдвигают гипотезу о губительном действии видимого и так называемого черного (300—425 нм) света, что приводит к фотоокислению малых эндогенных молекул и последующему взаимодействию их с ДНК и белками. По разнице в поведении каротинсодержащих конидий исходного штамма и его белого мутанта Blanc et al предполагают, что защитная роль каротиноидов состоит в «тушении», т. е. адсорбции токсических (окисленных) фотопродуктов. По классификации защитных механизмов предложенной X. Эйдус (1972), каротиноидам свойственна защитная функция по типу перехвата поражающих радикалов. Аналогичным образом преимущественная выживаемость окрашенной культуры Corynebacterium poinsettiae, по сравнению с ее бесцветным мутантом, наблюдалась только при облучении ее УФ-лучами в присутствии экзогенного фотосенсибилизатора — толуидина синего (Kunisawa, Stainier, 1958).
Schwartzeil, Cooney (1974) исследовали фотозащитную функцию каротиноидных пигментов Micrococcus roseus и двух его мутантов — желтого и ярко-розового. Воздействуя ингибитором каротиногенеза на М. roseus получали светлоокрашенные клетки с значительным количеством предшественников каротиноидов. При облучении видимым светом бесцветные клетки, выращенные на среде с добавлением ингибитора, отмирали медленнее, чем окрашенные клетки исходного штамма и мутантов, о чем свидетельствует полученный характер дозной кривой. Добавление экзогенного красителя усиливало летальный эффект света и позволило выявить прямую зависимость устойчивости клеточной популяции от состава и длины хромофоров пигмента. Защитное действие каротиноидов проявлялось только при наличии 9 и более двойных связей в молекуле каротина. Авторы показали участие каротиноидов в процессах фотодинамического поражения клеточной популяции. В фотоустойчивости изученных культур эти пигменты не участвуют, т. к. отмечен перехват фототоксических радикалов, что подтверждает результаты, полученные ранее на бактериях (Mathew, 1967; Harrison, 1967).
Участие каротиноидных пигментов в защите от УФ-лучей не обнаружено при облучении целого ряда каротинсодержащих бактерий: Corynebacterium poinsettiae, Micrococcus sp., Micrococcus roseus, Sarcina lutea и их бесцветных мутантов (Kunisava Stainier, 1958; Mathew, 1967; Harrison, 1967; Schwartzeil, Cooney, 1974). Отрицательные результаты получены также при УФ-облучении Neurospora crassa и ее бесцветного мутанта (Blanc et al., 1976).
Облучение спор Aspergillus giganteus (Lazarski, 1971) и дрожжевого организма Rhodosporium obovatum (Суденко та iн., 1977) позволило установить устойчивость к УФ-лучам с возрастом и преимущество окрашенных штаммов по сравнению с таковыми, отличающимися пониженным содержанием каротиноидных пигментов. Существенным недостатком публикаций Lazarski является неудачный выбор объекта изучения, так как еще White (1968) показал, что A. giganteus не представляет собой самостоятельного вида и относится к мутантам A. clavatus. Мутант, кроме окраски, может быть изменен еще по ряду свойств. Отсюда следует, что определение УФ-устойчивости и тем более выводы об участии каротиноидов в этом явлении должны проводиться только с учетом интенсивности процессов фотореактивации и ТР. Последнее замечание можно отнести и к работе Суденко та iн. (1977).
В связи с вышеизложенным можно сделать вывод, что защитное действие каротиноидов проявляется не прямо, а опосредованно и состоит во взаимодействии пигментов с токсическими фотопродуктами. При этом отмечено три различных механизма взаимодействия пигмента с возбужденными состояниями фоторецептора и кислорода: посредством физического тушения каротиноидами синглетного кислорода и возбужденного рецептора, а также химического связывания синглетного кислорода (Krinsky, 1976).
Подтверждено сходство биологических функций каротиноидов у высших растений и гетеротрофных организмов. Электронно-акцепторные свойства каротиноидов являются предпосылкой возможного их участия в ряде других метаболических и защитных реакций (Potgieter, Alexander, 1966; Joyce, White, 1971; Зобнина, Морковина, 1971; Озолина, Мочалкин, 1972; Феофилова, 1974).
Источник: Н. Н. Жданова, А. И. Василевская. Экстремальная экология грибов в природе и эксперименте. Киев: Наук. думка, 1982