Changes in the photosynthetic activity and content of chlorophylls and carotenoids in the Peltigera canina and Peltigera aphthosa lichens under the action of eleva

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Lichens are ancient symbiotic organisms that can survive in extreme conditions through unique resistance mechanisms. Lichens are associations between a fungus (mycobiont) and algae and/or cyanobacteria (photobionts). The photobiont composition of lichen can determine the specificity of the stress response to abiotic factors, including unfavorable temperatures. This work analysed stress-induced changes in the photosynthetic activity and content of chlorophylls and carotenoids on the closely related Peltigera canina and Peltigera aphthosa lichens, which differ by photobiontic composition, under elevated temperature. Stress treatment resulted in a decrease in the photochemical activity of photosystem II (PSII) in both lichens. By the analysis of stress-induced changes in the content of photosynthetic pigments in lichens, the exposure to elevated temperature of the P. canina lichen induced astaxanthin accumulation but P. aphthosa significantly decreased in the content of chlorophyll а and xanthophylls synthesized from β-carotene. Thus, the identified significant differences in the composition of chlorophylls and carotenoids in the studied lichens suggest the involvement of various mechanisms of stress response to the action of elevated temperature due to the specificity of their photobiontic composition.

About the authors

Aisylu F. Khajrullina

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: a16280110@gmail.com
ORCID iD: 0009-0009-5349-604X

Master’s Degree Student, Laboratory Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism 

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111

Venera R. Khabibrakhmanova

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences; Kazan National Research Technological University

Email: venerakhabirakhmanova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0969-7591

Candidate of Sciences (Chemistry), Associate Professor at the Department of Food Biotechnology at the Kazan National Research Technological University, Senior Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism of the Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111; Kazan

Daniya F. Rakhmatullina

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: rdf137@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8237-2929

Candidate of Sciences (Biology), Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism 

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111

Ekaterina I. Galeeva

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: kgu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5827-6339

Candidate of Sciences (Biology), Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism 

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111

Oleg P. Guryanov

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: gurjanov58@gmail.com
ORCID iD: 0009-0002-9946-9150

Candidate of Sciences (Biology), Senior Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism 

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111

Richard P. Beckett

University of KwaZulu-Natal

Email: rpbeckett@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0530-4244

Professor, PhD, School of Life Sciences

South Africa, Scottsville

Farida V. Minibayeva

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences; Kazan (Volga Region) Federal University

Email: fminibayeva@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0827-181X

Doctor of Sciences (Biology), Head of the Laboratory of Redox Metabolism

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111; Kazan

Julia N. Valitova

Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Kazan Science Centre of the Russian Academy of Sciences

Email: yulavalitova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3486-9989

Candidate of Sciences (Biology), Senior Researcher at the Laboratory of Redox Metabolism 

Russian Federation, 2/31 Lobachevsky str., Kazan, 420111

References

  1. Maslova, T. G. Funkcii karotinoidov v listyah vysshih rastenij (obzor) [Functions of carotenoids in leaves of higher plants (review)] / T. G. Maslova, E. F. Markovskaya, N. N. Slemnev // Zhurnal obshchei biologii [Journal of General Biology]. – 2020. – Vol. 81, № 4. – P. 297–310.
  2. Caferri, R. Assessing photoprotective functions of carotenoids in photosynthetic systems of plants and green algae / R. Caferri, Z. Guardini, R. Bassi, L. Dall’Osto // Methods Enzymology. – 2022. – Vol. 674. – P. 53–84.
  3. Czeczuga, B. Carotenoids from green-algae and cyanobacteria as phyco- and photobionts of Peltigera species / B. Czeczuga, E. Czeczuga-Semeniuk, O. Vitikainen, T. Ahti // Journal of the Hattori Botanical Laboratory. – 2024. – Vol. 96. – P. 281–290.
  4. Dymova, O. V. Pigmentnyj kompleks rastenij v usloviyah tayozhnoj zony evropejskogo Severo-Vostoka (organizaciya i funkcionirovanie) [The pigment complex of plants in the conditions of the taiga zone of the European Northeast (organization and functioning)]: extended abstract of Doctor’s thesis (Biology) / Dymova O. V. – Ufa, 2019. – 46 p.
  5. Kotlova, E. R. Antiokislitelnye sistemy lishajnikov [Antioxidant systems of lichens]: extended abstract of Candidate’s thesis (Biology) / Kotlova E. R. – Saint-Petersburg, 2000. – 34 p.
  6. Vallese, C. Modelling range dynamics of terricolous lichens of the genus Peltigera in the Alps under a climate change scenario / C. Vallese, J. Nascimbene, P. Giordani [et al.] // Fungal Ecology. – 2020. – Vol. 49.
  7. Tegler, B. Physiological-environmental interactions in lichens. XII. The seasonal variation of the heat stress response of Cladonia rangiferina / B. Tegler, K. A. Kershaw // The New Phytologist. – 1981. – Vol. 87, № 2. – P. 395–401.
  8. Dyakov, M. Yu. Influence of extreme ambient temperatures and anaerobic conditions on Peltigera aphthosa (L.) Willd. viability / M. Yu. Dyakov, I. D. Insarova, D. E. Kharabadze [et al.] // Life Sciences in Space Research. – 2015. – Vol. 7. – P. 66–72.
  9. Вeckett, R. P. Stress physiology and the symbiosis / P. R. Beckett, I. Kranner, F. V. Minibayeva // Lichen Biology. – 2008. – P. 134–151.
  10. Chen, K. Heat tolerance of the mycobionts and phycobionts from three desert lichens / K. Chen, J.–C. Wei // Mycosystema. – 2015. – Vol. 34, № 5. – P.1007–1014.
  11. Nascimbene, J. Epiphytic lichen diversity along elevational gradients: biological traits reveal a complex response to water and energy / J. Nascimbene, L. Marini // Journal of Biogeography. – Vol. 42. – P. 1222–1232.
  12. Phinney, N. Photobiont-dependent humidity threshold for chlorolichen photosystem II activation / N. Phinney, K. A. Solhaug, Y. Gauslaa // Planta. – 2019. – Vol. 250.
  13. Goltsev, V. N. Ispolzovanie peremennoj fluorescencii hlorofilla dlya ocenki fiziologicheskogo sostoyaniya fotosinteticheskogo apparata rastenij [The use of variable chlorophyll fluorescence for assessments of the physiological state of the photosynthetic apparatus of plants] / V. N. Goltsev, V. N. Kalaji, M. Paunov [et al.] // Plant Physiology. – 2016. – Vol. 63, № 6. – P. 881–907.
  14. Takaichi, S. Unique carotenoids in the terrestrial cyanobacterium Nostoc commune NIES–24: 2–hydroxymyxol 2′–fucoside, nostoxanthin and canthaxanthin / S. Takaichi, T. Maoka, M. Mochimaru // Current Microbiology. – 2009. – Vol. 59. – P. 413–419.
  15. Rumengan, A. Identification of pigment profiles and antioxidant activity of Rhizophora mucronata mangrove leaves origin Lembeh, North Sulawesi, Indonesia / A. Rumengan, E. Mandiangan, W. Tanod [et al.] // Biodiversitas [Journal of Biological Diversity]. – 2021. – Vol. 22.
  16. Lichen Biology / ed. T. H. Nash III. – London : Cambridge University Press, 2008.
  17. Chekanov, K. Spatial organization of the three-component lichen Peltigera aphthosa in functional terms / K. Chekanov, A. Feoktistov, E. Lobakova // Physiologia Plantarum. – 2017. – Vol. 160. – P. 328–338.
  18. Goltsev, V. N. Variable chlorophyll fluorescence and its use for assessing physiological condition of photosynthetic apparatus / V. N. Goltsev, P. M. Russ, H. M. Kalaji [et al.] // Journal of Plant Physiology. – 2016. – Vol. 6. – P. 869–893.
  19. Beckett, R. Photoprotection in lichens: adaptations of photobionts to high light / R. Beckett, F. Minibayeva, K. A. Solhaug, T. Roach // The Lichenologist. – 2021. – Vol. 53. – P. 21–33.
  20. Golubkova, N. S. Otnoshenie lishajnikov k substratu i drugim faktoram vneshnej sredy [The relation of lichens to the substrate and other environmental factors] / N. S. Golubkova. – Moscow : Enlightenment, 1977. – 487 p.
  21. Pokorska, B. Photoinhibition and D1 protein degradation in mesophyll and agranal bundle sheath thylakoids of maize / B. Pokorska, E. Romanowska // Functional Plant Biology. – 2007. – Vol. 34. – P. 844–852.
  22. Kalaji, H. M. Frequently asked questions about chlorophyll fluorescence, the sequel / H. M. Kalaji, G. Schansker, M. Brestic [et al.] // Photosynthesis Research. – 2017. – Vol. 132. – P. 13–66.
  23. Golovko, T. K. Fotosinteticheskie pigmenty i azot v tallomah lishajnikov boreal’noj flory [Photosynthetic pigments and nitrogen in the thallomas of lichens of the boreal flora] / T. K. Golovko, O. V. Dymova, G. N. Tabalenkova, T. N. Pystina // Teoreticheskaya i prikladnaya ekologiya [Theoretical and Applied Ecology]. – 2015. – Vol. 4. – P. 38–44.
  24. Potts, M. Variation in phospholipid ester-linked fatty acids and carotenoids of desiccated Nostoc commune (Cyanobacteria) from different geographic locations / M. Potts, J. J. Olie, J. S. Nickels [et al.] // Applied and Environmental Microbiology. – 1987. – Vol. 53, № 1. – P. 4–9.
  25. Gornostaeva, E. A. Vliyanie ionov medi i nikelya na pochvennye cianobakterii i cianobakterialnye soobshchestva [The influence of copper and nickel ions on soil cyanobacteria and cyanobacterial communities] : Candidate’s thesis (Biology) / Gornostaeva E. A. – Moscow, 2015. – 189 p.
  26. Ladygin, V. G. Puti biosinteza, lokalizaciya, metabolizm i funkcii karotinoidov v hloroplastah razlichnyh vidov vodoroslej [Ways of biosynthesis, localization, metabolism and functions of carotenoids in chloroplasts of various types of algae] / V. G. Ladygin // Voprosy sovremennoj algologii [Issues of Modern Algology]. – Pushchino, 2015. – 87 p.
  27. Bobzin, K. Influence of residual stresses in hard tool coatings on the cutting performance / K. Bobzin, T. Brögelmann, H. J. Maier [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. – 2021. – Vol. 69. – P. 340–350.
  28. Matsubara, S. Short- and long-term operation of the lutein-epoxide cycle in light-harvesting antenna complexes / S. Matsubara, T. Morosinotto, C. B. Osmond, R. Bassi // Plant Physiology. – 2007. – Vol. 144, № 2. – P. 926–941.
  29. Sandmann, G. Carotenoids and their biosynthesis in fungi / G. Sandmann // Molecules. – 2022. – Vol. 27, № 4. – 1431 p.
  30. Aizpuru, A. Traditional and new trend strategies to enhance pigment contents in microalgae / A. Aizpuru, A. González–Sánchez // World Journal of Microbiology and Biotechnology. – 2024. – Vol. 40, № 9. – 272 p.
  31. Domonkos, I. Carotenoids, versatile components of oxygenic photosynthesis / I. Domonkos, M. Kis, Z. Gombos, B. Ughy // Progress in Lipid Research. – 2013. – Vol. 52, № 4. – P. 539–561.
  32. Yuehui, Z. Roles of xanthophyll carotenoids in protection against photoinhibition and oxidative stress in the cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002 / Z. Yuehui, E. Joel, M. L. Graham [et al.] // Archives of Biochemistry and Biophysics. – 2010. – Vol. 504, № 1. – P. 86–99.
  33. Garbayo, I. Identification and physiological aspects of a novel carotenoid–enriched, metal–resistant microalga isolated from an acidic river in Huelva (Spain) (1) / I. Garbayo, R. Torronteras, E. Forján [et al.] // Journal of Phycology. – 2012. – Vol. 48, № 3. – P. 607–614.
  34. Pasqualetti, M. Lutein production by Coccomyxa sp. SCCA048 isolated from a heavy metal-polluted river in Sardinia (Italy) / M. Pasqualetti, S. Tempesta, V. Malavasi [et al.] // Journal of Environmental Protection and Ecology. – 2015. – Vol. 16. – P. 1262–1272.
  35. Hartung, W. The evolution of abscisic acid (ABA) and ABA function in lower plants, fungi and lichen / W. Hartung, J. Sachsplatz // Functional Plant Biology. – 2010. – Vol. 37, № 9. – P. 806–812.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».