Dokument: Non-photochemical quenching mechanisms in plants - light induced reorganization of the thylakoid membrane
| Titel: | Non-photochemical quenching mechanisms in plants - light induced reorganization of the thylakoid membrane | |||||||
| Weiterer Titel: | Non-photochemical quenching mechanisms in plants - light induced reorganization of the thylakoid membrane | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=29871 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20140701-105752-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Paul, Suman [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Holzwarth, Alfred R. [Gutachter] Prof. Dr. Seidel, Claus A. M. [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 540 Chemie | |||||||
| Beschreibungen: | Die sichere Nutzung von natürlichem Sonnenlicht ist eng verbunden mit der Ableitung der am Photosystem II (PSII)-Antenne angesammelten überschüssigen Energie, um die Reaktionszentren (RC) und anderen Teile des Photosyntheseapparates vor oxidativen Schäden zu schützen. Nicht-photochemische Löschung (nonphotochemical quenching, NPQ) ist einer der wichtigsten Mechanismen, um dieses Ziel zu erreichen. Es wird im Allgemeinen als vollständig reversibler Mechanismus betrachtet, der in der Lage ist innerhalb von Sekunden Lichtschwankungen auszugleichen und somit die Photoprotektion enorm auszuweiten. Der schnelle Teil des NPQ, bezeichnet als qE, wird durch den pH-Gradienten an der Thylakoidmembran initiiert und ist abhängig vom Vorhandensein des 22 kDa PsbS Proteins .Bei einem niedrigen pH-Wert schaltet eine durch Licht ausgelöste Konversion des Xanthopylls, d.h. die Deepoxidierung von Violaxanthin (V) zu Zeaxanthin (Z) einen zweiten Mechanismus qZ, bei dem die angeregten Chlorophylle, die sich üblicherweise an den äußeren Antennen des PSII befinden, „gelöscht“ werden. In der Literatur wurden die Funktionsmodelle üblicherweise auf der Grundlage des statischen Bildes von Thylakoidmembranen , bei dem PSII und PSI durch Granastapel und Stromalamellen begrenzt sein sollen, entwickelt. Diese Information reicht bei weitem nicht aus, um die tatsächlichen NPQ-Zustände zu verstehen, bei dem ständig wechselnde Sonneneinstrahlung, wie im natürlichen Lebensraum üblich, dazu dient, architektonische Schalter innerhalb der photosynthetischen Maschinerie auszulösen. Außerdem zeigten Topfpflanzen, wenn sie unter höheren Lichtintensitäten gewachsen sind, auch eine deutlich höhere Lichtschutzkapazität im Vergleich zu den typischerweise in der Literatur beschriebenen Lichtbedingungen angebauten Pflanzen. Ein zweistufiges NPQ-Modell (qE und qZ ) war ungeeignet die drei- bis vierfache Erhöhung der NPQ-Werte zu erklären.
Die vorliegende Arbeit behandelt diese offenen Fragen vornehmlich durch zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie an intakten Blättern unter Zuhilfenahme verschiedener physiologischer Zustände (dunkel und / oder Licht angepasst). Das hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnis wurde in einer außergewöhnlich hohen Dynamik im Pikosekunden-Zeitbereich aufgezeichnet. Dies ermöglicht es die äußerst komplexen Fluoreszenzkinetiken auf der Basis von Mehrkomponentenanalysen und Kinetik-Modellierungsansätzen („Target Analysis“) erfolgreich zu interpretieren. Detaillierte Energie-und/oder Elektronentransferwege und kinetischen Möglichkeiten zur Löschung wurden ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse wurden verwendet, um strukturelle Modelle zu bauen, die die lichtinduzierte Dynamik in der Thylakoidmembran besser verstehen lassen. In einigen Fällen wurden auch weitere Anhaltspunkte zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen mittels Elektronenmikroskopie (EM) und Pigmentanalyse in Zusammenarbeit mit anderen Forschungseinrichtungen gesammelt. Anschließend werden alle diese Informationen zusammengetragen, um: a) das vollständige Verhalten der Thylakoidmembran zu verstehen, b) zu erfahren wie zusätzliche Photonen als Wärme abgeführt werden und c) welche Komponenten und Mechanismen beteiligt sind. Die Untersuchungen wurden an intakten Blättern von Arabidopsis thaliana , Monstera deliciosa , Prunus laurocerasus und Hedera helix durchgeführt, wobei die letzteren 3 Spezies zu den immergrünen Pflanzen gehören und bei denen bekannt ist, dass sie mehr als 90% der einfallenden Sonnenlichts umwandeln. Arabidopsis wurde bevorzugt verwendet aufgrund der großen Anzahl von verfügbaren Mutanten, bei denen ausgesuchte Chlorophyllpigmente einfach eliminiert werden konnten. Wir haben uns für Pflanzen entschieden, die unter verschiedenen Lichtbedingungen angezogen wurden. Die Bedingungen wie folgt: wenig Licht (60-70 µmol Photonen m-2 s-1), Starklicht (600 bis 700 µmol Photonen m-2 s-1), natürlich schwankendes Sonnenlicht ( 1400-1600 µmol Photonen m-2 s-1) und künstliche Lichtflecken, die durch kurze Lichtpulse (1000 µmol Photonen m-2 s-1) alle 5min für 20 s. erzeugt werden. Darüber hinaus untersuchten wir auch die Adaption von unter low-light Bedingungen gewachsenen Monstera Pflanzen an eine höhere Lichteinstrahlung. Die Messungen wurden an dunkeladaptierten (ungelöschten) und an hohe Lichtmengen angepasste (gelöschte) Blattschnipsel durchgeführt. Als Antwort auf lichtinduzierten Stress zeigen sich beim kinetischen Modellieren drei grundsätzlichen Änderungen in der Energietransferdynamik des PSII , während die PSI- Kinetik grundsätzlich unverändert blieb. Daraus wird geschlossen, dass in diesen Pflanzen NPQ im Zusammenhang steht mit: 1) Zeaxanthin abhängigen Anstieg der Deaktivierung des PSII, bei dem die Antenne angelagert ist (kD); 2) PsbS abhängige Bildung einer neuen, funktionell von Photosystem II oder Photosystem I abgelösten Struktur mit einer neuen im fernroten Bereich liegenden Fluoreszenz; 3) Einer direkten Energieübertragung zwischen den PSII und PSI Systemen bei unter Starklicht und natürlich schwankendem Sonnenlicht gewachsenen Pflanzen etabliert. Die kinetischen Daten unterstützen die Möglichkeit zur Anwesenheit von zwei unabhängigen Löschorten und erinnern an früher vorgeschlagene Mechanismen qE und qZ, bei denen qE wurde mit der pH -induzierten Ablösung der Lichtsammelantennen (LHCII) und anschließendem Löschen durch das PsbS Protein verknüpft war und der qZ Mechanismus war die von Z abhängige Löschung des restlichen PSII -Komplexes. Die direkte Energieübertragung vom PSII zum oxidierten P700 Reaktionszentrum offenbart einen neuen Löschmechanismus, der als Energieüberlauf (QSO) bezeichnet wird. Dieser Mechanismus wird als die effizienteste Möglichkeit der Photoprotektion des PSII anerkannt. Bei der Ausführlichkeit dieser Arbeit zeigt sich deutlich, dass das hier vorgestellte Thylakoidmembransystem im Gegensatz zum klassischen statischen Modell sehr empfindlich auf Licht reagiert. Es wurde erkannt, dass die Faltung der Granastapel und auch die Struktur der Membran zu einer Anpassung an das Umgebungslicht führt, um höchste Umsätze und geringste oxidative Schäden bei der Photosynthese zu erreichen. Pflanzen, die bei künstlichem Starklicht oder natürlichem Sonnenlicht gewachsen sind besitzen einen deutlich höheren Lichtschutz oder eine verstärkte NPQ Kapazität, aufgrund des Überleitens der überschüssigen Energie hin zum Photosystem I. Dieser Mechanismus zeigt sich ebenfalls auch in der Elektronenmikroskopie als Auflösung der zusammengepressten Bereiche der Thylakoidmembran. Bei unter normalen Lichtbedingungen (z.B. SF) oder Low-Light angezogenen Pflanzen bleiben qE und qZ als hauptsächliche Möglichkeit zur Löschung, welche durch Photosystem II Antennenproteine realisiert werden.The safe harnessing of natural sunlight is intimately related with the dissipation of excess energy accumulated on the photosystem II (PSII) antenna, in order to protect the reaction centers (RC) and other parts of the photosynthetic apparatus from oxidative damage. Non-photochemical quenching (NPQ) is one of the main mechanisms to achieve that goal. It is generally considered as a fully reversible mechanism, which starts within seconds of light fluctuations and capable of photoprotection to a large extent. The rapid part of NPQ, termed as qE, is initiated by the pH gradient across the thylakoid membrane and dependent on the presence of 22 kDa PsbS protein. At low pH, light associated xanthophyll cycle conversion, i.e. de-epoxidation of violaxanthin (V) into zeaxanthin (Z), switches on a second mechanism, qZ, where the excited chlorophylls, most likely located on the peripheral photosystem II (PSII) antenna are quenched. In the literature, the functional models were developed based on the static picture of thylakoid membrane, where, PSII and PSI are confined to grana stacks and stroma lamella. This information is by far, not sufficient to understand the real NPQ state, where fluctuating sunlight, as experienced in natural habitat is known to trigger architectural switches inside the photosynthetic machinery. In addition, vascular plants, when grown under higher light intensity demonstrated a significantly higher photoprotection capacity compared to the typical controlled light grown plants cited in the literature. A two-site (qE and qZ) NPQ model was unsuitable to explain the three-four-fold increases in their NPQ values. The thesis addressed these questions principally by time-resolved fluorescence spectroscopy performed on intact leaves under various physiological dark and/or light adapted states. The high signal-to-noise signals were registered at exceptionally high dynamic range with picosecond resolution. This allowed the extremely complex fluorescence kinetics to be successfully interpreted on the basis of multicomponent analysis and target models. Detailed energy and/or electron transfer pathways and quenching kinetic schemes were also investigated. The results were used to build structural models to understand the light induced dynamicity inside the thylakoid membrane. In some cases, further clues were collected using electron microscopy (EM) and pigment analysis, done in collaboration. Subsequently, all these information are compiled to understand: a) the complete behavior of thylakoid membrane, b) how extra photons are dissipated as heat and c) the site(s) and mechanism(s) involved. Studies were performed on intact leaves of Arabidopsis thaliana, Monstera deliciosa, Prunus laurocerasus and Hedera helix, where the latter 3 species are evergreens and were known to dissipate more than 90% of incident sunlight. Arabidopsis remained the most preferred choice because of the availability of a large number of mutants, where desired chlorophyll pigment(s) was eliminated. Plants grown under various light conditions are elected, such as, low-light (60-70 µmol photons m-2 s-1), high-light (600-700 µmol photons m-2 s-1), natural fluctuating sunlight (1400-1600 µmol photons m-2 s-1) and also artificial sun-flecks caused by short light pulses (1000 µmol photons m-2 s-1) staying for 20-s on every 5 min interval. In addition, acclimatization of low-light grown Monstera plants to high irradiation was also studied. Measurements were performed on dark-adapted (unquenched) and high light-adapted (quenched) leaf-disks. In a response towards light-induced stress, the kinetic modelling revealed three principle changes in the energy transfer dynamics of PSII, while the PSI kinetics generally remained unaltered. It is concluded that NPQ in these plants is associated with: 1) zeaxanthin-dependent increase in the deactivation of PSII-attached antenna (kD); 2) PsbS-dependent formation of a novel far-red fluorescence compartment, functionally detached from photosystem II or photosystem I; 3) A direct energy-transfer between the PSII and PSI compartments was established for high light and natural fluctuating sunlight grown plants. The kinetic data provided support for the presence of two-independent quenching sites, reminiscent of qE and qZ mechanisms proposed earlier, where qE was associated with the pH-induced detachment of the light-harvesting antenna (LHCII) and subsequent quenching by PsbS protein and qZ mechanism was the Z dependent quenching of remaining PSII complex. The direct energy-transfer from PSII to oxidized P700 reaction center unveiled a novel quenching mechanism, termed as energy-spillover or (Qso). This mechanism is recognized as the most efficient way of photoprotection of PSII. The extensive research carried in this thesis acknowledges that thylakoid membrane is extremely responsive towards light, contrary to the classical static model. The folding of grana stacks and also the membrane architecture are found to adjust with surrounding light to achieve highest photosynthesis turnover and lowest oxidative damage. Plants grown at high light or natural sunlight possesses exceptionally higher photoprotection or NPQ capacity, mainly due to the spillover of extra energy to photosystem I. This mechanism also visualized in electron microscopy as dissolution of the appressed region. For normal light (such as SF) or low-light grown plants, qE and qZ remains as the dominating form of quenching carried by the photosystem II antenna proteins. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 01.07.2014 | |||||||
| Dateien geändert am: | 01.07.2014 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 26.05.2014 | |||||||
| Datum der Promotion: | 25.06.2014 |
