Dokument: Regulation of energy-dependent quenching (qE) of excess light by the thylakoid transmembrane electric field (Δψ) as a dynamic component of the chloroplast proton motive force (pmf)

Titel:	Regulation of energy-dependent quenching (qE) of excess light by the thylakoid transmembrane electric field (Δψ) as a dynamic component of the chloroplast proton motive force (pmf)
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=34585
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150615-092753-4
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Pavlovic, Lazar [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 36,65 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 15.06.2015 / geändert 15.06.2015
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	All photosynthetic organisms periodically absorb more light than can be used efficiently during photosynthesis. The ‘energy’-dependent qE component of non-photochemical quenching (NPQ) is the predominant and most effective means of photoprotection during major short-term light fluxes. NPQ is largely controlled by the thylakoid lumen pH and thus transthylakoid proton gradient (ΔpH) according to an unknown photo-physical mechanism requiring PsbS-mediated LHCII conformational changes and zeaxanthin (ZX) formation. The ΔpH in contrast to electric field (Δψ) component of the proton motive force (pmf) is known to play a central regulatory role in both photochemical and non-photochemical reactions. It is hypothesized that the Δψ may play a role in early light activation of qE. Characterization of NPQ based on Chl fluorescence quenching in isolated spinach thylakoids treated with ΔpH-abolishing nigericin or gramicidin underscored the importance of the ΔpH in qE formation in saturating light. This was confirmed by in vitro estimates of the ΔpH via measurements of 9-AA fluorescence quenching and abolishment of lumen pH-regulated ZX formation under the same conditions. However, low concentrations of Δψ-abolishing valinomycin with 50 mM KCl had no impact on NPQ formation. As such, there is no support for a hypothesized role of Δψ in early qE activation in vitro. Analyses of pmf partitioning in vivo in wild-type A. thaliana indicate that the total light-induced pmf within a defined range regulates the extent of NPQ responses at various intensities, particularly during early activation of qE in limiting light. Chiefly, the pmf early on in low and high light is stored largely as the Δψ (~ 60 %), which may contribute to early light activation of qE when the pmf is above a certain critical threshold for qE activation. This is supported by differential early NPQ induction at low and higher intensities despite comparable pmf partitioning and lumen acidification. The extent of early qE responses is thus not only regulated by the lumen pH within a defined range, but also by other factors to include possibly the Δψ. Regulation of qE is also mediated by changes in proton efflux (gH+) via the ATP synthase, as shown in high light and low CO2 conditions. This gH+-dependent regulation of qE is governed by changes in stromal Pi availability. Comparison of early violaxanthin de-epoxidation to ZX at low and higher intensities underscores a delayed response of pH-dependent qE activation in relation to lumen acidification. Alternatively, qE responds not only to early lumen acidification, particularly in low light, but also to other regulatory factors to include the Δψ, largely contributing to early pmf formation. Analysis of pmf partitioning in Arabidopsis mutant lines underscores a substantial Δψ contribution to the light-induced pmf under certain conditions. This was observed after 1-3 min in low light in npq2 and in particular after 1-3 min of illumination in high light in L17 and to a lesser extent in npq1. The proposed role of Δψ in early qE activation in these mutant lines will be further discussed in more detailed analyses of mutant-specific differences in the dynamics of pmf partitioning in low and high light. Alle photosyntetisch aktiven Lebewesen absorbieren regelmäßig mehr Energie als sie effektiv für die Photosynthese nutzen können. Der „Energie“-abhängige qE Mechanismus der nicht-photochemischen Energie-Löschung (engl. non-photochemical quenching, NPQ) ist der wichtigste und dominierende Schritt der Photoprotektion während sich schnell ändernder Lichtbedingungen. NPQ Prozesse sind hauptsächlich durch den Lumen pH kontrolliert. Mit dem Aufbau eines pH Gradienten (ΔpH) werden, nach bisher unbekanntem Mechanismus, PsbS-Protein abhängige Konformationsänderungen in den Lichtsammelkomplexen des Photosystem II (engl. light-harvesting-complex, LHCII) durchgeführt. Zusätzlich wird die pH abhängige Bildung des Zeaxanthin (ZX) aktiviert. Beide Mechanismen basieren auf dem Aufbau eines pH Gradienten, welcher eine zentrale Rolle in der photochemischen und nicht-photochemischen Energielöschung spielt. Im Gegensatz dazu steht die andere Komponente der Protonen motorischen Kraft (engl. proton motive force, pmf): das elektrische Feld (Δψ). Vermutlich ist Δψ in den frühen Prozessen der lichtabhängigen qE Aktivierung wichtig. Schätzungen des ΔpH mit Hilfe von 9-AA, Messungen zur Löschung der Chlorophyll Fluoreszenz und das Ausbleiben der pH-abhängigen Umwandlung von ZX in vitro bestätigten die Relevanz des ΔpH für die Ausbildung des qE Mechanismus unter sättigen Lichtbedingungen. Dafür wurde das NPQ unter sättigenden Lichtbedingungen und der Zugabe von Nigericin und Gramicidin, welche beide den ΔpH abbauen, charakterisiert. Im Gegensatz dazu hatte die Zugabe von niedrig konzentriertem Valinomycin, welches das Δψ abbaut, in Kombination mit 50 mM KCl keinen Effekt auf den Aufbau des NPQ. Daraus resultierend konnte der zuvor angenommene Einfluss des Δψ auf die frühe Ausbildung des qE in vitro nicht bestätigt werden. In vivo Analysen zur pmf Partitionierung in Wildtyp A. thaliaana Pflanzen zeigten, dass innerhalb eines bestimmten Bereiches das Ausmaß des NPQ von der Licht-induzierten gesamt-pmf reguliert wird, insbesondere die frühe Aktivierung des qE Mechanismus unter limitierenden Lichtbedingungen. Unter Schwach- und Starklichtbedingungen ist die initiale pmf hauptsächlich als Δψ gespeichert (~ 60%), welches möglicherweise zu der frühen Aktivierung des qE beiträgt, allerdings nur wenn die pmf einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Unterstütz wird diese Annahme dadurch, dass Stark- und Schwachlicht unterschiedlich hohes NPQ induzieren, die pmf Partitionierung und Ansäuerung des Lumens unter den Bedingungen jedoch vergleichbar sind. Das Ausmaß der frühen qE Antwort kann innerhalb eines bestimmten Bereiches deshalb nicht nur durch den Lumen pH reguliert sein, sondern durch weitere Faktoren, wie möglicherweise das Δψ. Unter Starklicht oder niedrigen CO2 Bedingungen wird qE auch durch Änderungen im Protonen Efflux durch die ATP Synthase (gH+) beeinflusst. Diese gH+- abhängige Regulation hängt von Veränderungen der stromalen Pi Verfügbarkeit ab. Anhand des Vergleiches der frühe Deepoxidationphase von Violaxanthin zu ZX unter Schwach- und Starklichtbedingungen wird deutlich, dass die Reaktion des pH abhängigen qE Mechanismus im Vergleich zu der Ansäuerung des Lumens verzögert ist. Daraus resultierend ist die qE Antwort, speziell in Schwachlicht, nicht nur von der anfänglichen Ansäuerung des Lumens abhängig, sondern auch von anderen, regulierenden Faktoren, wie das Δψ, welches einen hohen Beitrag zur anfänglichen Ausbildung der pmf leistet. Analysen der pmf Partitionierung in Arabidopsis Mutanten unter bestimmten Bedingungen unterstrichen die Bedeutung des Δψ an der Licht-induzierten pmf. Gezeigt wurde dies in npq2 Mutanten unter Schwachlicht Bedingungen nach 1-3 Min, sowie nach 1-3 Min Belichtung mit Starklicht in L17 und npq1, in letzterem in geringerem Ausmaß. Des Weiteren wurden Mutanten-spezifische Unterschiede in der Dynamik der pmf Partitionierung unter Schwach- und Starklicht Bedingungen sowie die mögliche Rolle des Δψ an der anfänglichen Aktivierung des qE detaillierter diskutiert.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	15.06.2015
Dateien geändert am:	15.06.2015
Promotionsantrag am:	29.04.2015
Datum der Promotion:	09.06.2015