Dokument: Dynamic Regulation of Oxygenic Photosynthesis: Study of Long term Acclimation to Photooxidative Stress induced by Excess of Light

Titel:	Dynamic Regulation of Oxygenic Photosynthesis: Study of Long term Acclimation to Photooxidative Stress induced by Excess of Light
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56662
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210708-073348-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Puggioni, Maria Paola [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 10,66 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.06.2021 / geändert 23.06.2021
Beitragende:	Dr. Matsubara, Shizue [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Weber, Andreas [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	In natürlichen Umgebungen erleben photosynthetische Organismen dynamische Lichtveränderungen, die durch mehrere kurz- und langfristige Mechanismen ausgeglichen werden. Diese Mechanismen haben sich entwickelt, um Schäden am photosynthetischen Apparat zu minimieren und eine effektive photosynthetische Leistung zu gewährleisten, damit die Organismen in dynamischen Umgebungen gedeihen können. Eine kürzlich durchgeführte Studie an der Blatt-Transkriptom und Proteom von Arabidobsis thaliana zeigte, dass hunderte von Genen und Proteinen unter dynamischer Lichtschwankung (FL) auch dynamisch reguliert werden im Vergleich zu konstantem Licht (CL) (Schneider et al., 2019; Niedermaier et al., 2020). Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit liefern einen Beitrag zum Verständnis der dynamischen Regulation der Photosynthese und der langfristigen Strategien von Pflanzen zur Anpassung ihres photosynthetischen Apparates an den photo-oxidativen Stress, der durch einen Überschuss an Licht (EL) induziert wird. Die funktionellen Beziehungen zwischen Lichtwahrnehmung, Lichtsignalisierung und molekularen Mechanismen, die der Regulierung der photosynthetischen Akklimatisierung an EL zugrunde liegen, wurden durch die Charakterisierung des UV-A/Blaulicht-Photorezeptors Cryptochrome 1 (CRY1) untersucht. Die funktionelle und physiologische Charakterisierung der Knock-out (KO) Mutanten cry1-304 hat eine wesentliche und redundanzfreie Rolle des CRY1 bei der Bereitstellung der notwendigen Komponenten zur Aufrechterhaltung der Photosynthese unter CL- und FL-Bedingungen aufgezeigt. Das Fehlen von CRY1 in cry1-304-Pflanzen führt tatsächlich zu einem starken photosynthetisches Ungleichgewicht in Bezug auf geringere Lichtschutz- und Elektronentransportkapazitäten, sowohl auf der Ebene von dem Photosystem II (PSII) als auch von dem Photosystem I (PSI). Dies zeigt eine strenge Einschränkung in den Downstream-Reaktionen von PSI. Der Phänotyp unter nicht-photoinhibitorischen Bedingungen wurde unter FL-Bedingungen weiter verschärft. Außerdem zeigten PSII und PSI unter FL-Bedingungen eine intensive Photoinhibition, zusammen mit einer stark verringerten „Nicht-photochemische Löschung“ (NPQ) und PSII-Elektronentransportkapazität. Der Phänotyp mit schwerer Wachstumsstörung in cry1-304-Pflanzen (sowohl unter HL als auch in FL) spiegelt den unter diesen Bedingungen auftretenden photo-oxidativen Stress und das photosynthetische Ungleichgewicht wider und zeigt, dass CRY1 für die EL-Toleranz erforderlich ist. Da CRY1 ein hoher Upstream-Faktor in den Lichtsignalwegen ist, beinhalten seine Wirkungen sicherlich den Beitrag mehrfacher Komponenten, die in dem cry1-304-Mutant fehlreguliert sind. Aus den oben genannten Gründen sind weitere Untersuchungen erforderlich, um zu verstehen, wie die lichtabhängigen Signalnetzwerke (gesteuert durch CRY1 und Redoxsignale vom Chloroplasten) während des Prozesses der langfristigen photosynthetischen Akklimatisierung integriert werden. Der Photorezeptor CRY1 wurde im Zellkern und im Zytoplasma nachgewiesen, deswegen wurden auch seine Funktionen in Abhängigkeit von seiner zellulären Lokalisierung analysiert. In früheren Arbeiten charakterisierten Wu und Spalding (2007) die physiologischen Phänotypen der transgenen Linien, die GFP-fusioniertes CRY1 im Zellkern und im Zytoplasma überexprimieren. In dieser Arbeit wurde ein neuer Satz transgener Linien ohne GFP-Fusion erzeugt und mit denen von Wu und Spalding (2007) verglichen. Leider zeigten die Linien in dieser Studie keine Rettung des in cry1-304-Mutanten beobachteten Phänotyps. Weitere Bemühungen zur Charakterisierung der Rolle dieser spezifischen lokalisierten CRY1-Pools könnten in der Zukunft dazu beitragen, die Mechanismen zu analysieren, mit denen zelluläre Netzwerkkomponenten (die mehrere Organellen und subzelluläre Kompartimente umfassen) koordiniert werden und wie globale Lichtsignalreaktionen auf sich ändernde Umgebungen vermitteln. Schließlich wurde in dieser Studie die Rolle von AT3G56290 bei der photosynthetischen Akklimatisierung an EL untersucht. AT3G56290 ist ein spezifischer Kandidat mit unbekannter Funktion, der hochreguliert im FL-Blatt-Transkriptom gefunden wurde (Schneider et al., 2019) und als potenziell an der Integration von Licht- und Plastidensignalen beteiligt beschrieben wurde (Ruckle et al.2012). Die Co-Expressionsanalyse ergab, dass dieses Gen funktionell mit Genen verwandt sein könnte, die am Chloroplasten-Lipid- und Isoprenoid-Stoffwechsel sowie an der Transkriptionsregulation der Photosynthese beteiligt sind. Gezielte KO-Pflanzen von AT3G56290 wurden erfolgreich mit Hilfe der CRISPR/Cas9-Technologie erzeugt. Zuletzt zeigten diese Linien im Vergleich zur Wildtyp (WT) keine offensichtlichen Veränderungen in der Morphologie oder in der Entwicklung der photosynthetischen Phänotypen. Dennoch stellen sie einen ersten Schritt zur weiteren Charakterisierung dieser Mutanten und ihrer potentiellen Rolle bei der Akklimatisierung an den durch EL induzierten oxidativen Stress dar. In natural environments photosynthetic organisms experience dynamic changes of light, which are balanced by a number of short- and long-term mechanisms that have evolved to minimize damage to the photosynthetic apparatus and ensure effective photosynthetic performance in order to prosper in dynamic environments. Recent studies in Arabidopsis thaliana leaf transcriptome and proteome revealed that hundreds of genes and proteins are subjected to dynamic regulation under dynamic fluctuation of light (FL) compared to constant light (CL) (Schneider et al., 2019; Niedermaier et al., 2020). The results of this PhD work contribute to better understand the dynamic regulation of photosynthesis and the long-term strategies of plants to acclimate their photosynthetic apparatus to photo-oxidative stress induced by excess of light (EL). The functional relationships between light perception, light signaling and molecular mechanisms underlying the regulation of photosynthetic acclimation to EL have been addressed through the characterization of the UV-A and blue light (BL) photoreceptor CRYPTOCHROME 1 (CRY1). Functional and physiological characterization of the knock-out (KO) mutants cry1-304 has revealed an essential and non-redundant role of CRY1 in providing necessary components to sustain photosynthesis under both CL and FL conditions. In fact, the lack of CRY1 in cry1-304 plants leads to a severe photosynthetic imbalance in terms of lower photoprotection and electron transport capacities at the level of both photosystem II (PSII) and photosystem I (PSI), revealing a strong limitation in the reactions downstream of PSI. The phenotype observed under no-photoinhibitory conditions was further exacerbated under FL conditions, where both PSII and PSI displayed intense photoinhibition together with strongly decreased Non Photochemical Quenching (NPQ) and PSII electron transport capacity. The severe growth phenotype observed in cry1-304 plants under both in HL and in FL reflects the photo-oxidative stress and photosynthetic imbalance experienced under these conditions and indicates that CRY1 is required for EL tolerance. As CRY1 is a very upstream factor in the light signaling pathways, its effects certainly involve the contribution of multiple components that are mis-regulated in cry1-304 mutant. Thus, further investigations are required to understand how the light-dependent signaling networks, controlled by CRY1 and redox signals coming from the chloroplast, are integrated during the process of long-term photosynthetic acclimation. Since CRY1 has been detected in the nucleus and the cytoplasm, the localization-dependent functions of CRY1 were also addressed. The physiological phenotypes of the previously described transgenic lines overexpressing GFP-fused CRY1 in the nucleus, in the cytoplasm or in both (Wu and Spalding, 2007) were characterized and compared with the same set of new transgenic lines generated in this study without GFP fusion. Unfortunately, the latter lines did not show rescue of the phenotype observed in cry1-304 mutants. Further efforts in characterize the role of these specific localized CRY1 pools might contribute in the future in dissecting the mechanisms by which cellular network components that involves multiple organelles and subcellular compartments are coordinated and mediate global light signaling responses to changing environments. Lastly, the role of a gene with unknown function, AT3G56290, in photosynthetic acclimation to EL was investigated as it was found upregulated in A. thaliana leaf transcriptome under FL (Schneider et al., 2019) and described as a potential candidate that is involved in the integration of light and plastid signaling (Ruckle et al., 2012). Gene co-expression analysis indicated a possible functional relation with genes involved in chloroplast lipid and isoprenoid metabolism and transcriptional regulation of photosynthesis. Targeted KO plants of AT3G56290 were successfully generated by using the CRISPR/Cas9 technology. Although these lines showed no evident changes in morphology, plant development or photosynthetic phenotypes when compared with wild type (WT) under EL, they represent a first step to further characterize these mutants and the potential role of AT3G56290 in acclimation to oxidative stress induced from EL.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.07.2021
Dateien geändert am:	08.07.2021
Promotionsantrag am:	16.11.2020
Datum der Promotion:	28.01.2021