Dokument: The role of the PsbS protein in the regulation of energy dissipation in vascular plants and green algae

Titel:	The role of the PsbS protein in the regulation of energy dissipation in vascular plants and green algae
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=37227
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20160219-083411-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Msc. Correa Galvis, Viviana Andrea [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,40 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 18.02.2016 / geändert 18.02.2016
Stichwörter:	Non photochemical quenching, cross linking, PsbS, Chlamydomonas reinhardtii
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Sunlight drives photosynthesis, the biological process that oxidizes water to molecular oxygen and fixes CO2 into complex carbohydrates. Under most natural conditions, however, the absorbed light energy exceeds the capacity of light utilization in photosynthesis, giving rise to the formation of reactive oxygen species and thus photo-oxidative damage of the chloroplast. Non-photochemical quenching of excitation energy (NPQ) in the antenna of photosystem II (LHCII) allows the harmless dissipation of excess light energy as heat and thereby avoids oxidative damage to the photosynthetic apparatus. The energy dependent-quenching mechanism (qE) represents the dominating NPQ component under most conditions. In Arabidopsis thaliana, NPQ is a constitutive mechanism and depends on the ΔpH-dependent activation of the PsbS protein, the rearrangement of LHCII complexes and the xanthophyll zeaxanthin (Zx). PsbS is supposed to activate NPQ through specific, light-regulated interactions with PSII antenna proteins. In this work, an effective assay using chemical cross-linking was developed to sequester PsbS with its interaction partners in dark (qE inactive) and light states (qE active). The localization and protein interactions of PsbS in thylakoid membranes were determined by mass spectrometric analyses of proteins co-purified with PsbS after chemical cross-linking. The analyses provided evidence that PsbS is localized in PSII supercomplexes and that the light activation of qE is based on the monomerization of dimeric PsbS, and an increased interaction of PsbS with Lhcb1, the major component of trimeric LHCII. In the green algae Chlamydomonas reinhardtii, NPQ has to be activated upon high light acclimation and essentially requires the accumulation of the LHCSR proteins. Expression of the PsbS protein in C. reinhardtii has not been reported so far. In this work, it is shown that PsbS is a light induced protein that accumulates under high light and is further controlled by CO2 availability. At high CO2, PsbS was only transiently expressed under high light and was degraded after 1 h. PsbS accumulation correlated with an enhanced NPQ capacity in high light acclimated cells grown at low CO2. However, PsbS could not complement the function of LHCSR in LHCSR-deficient mutants. These data suggest that PsbS might be involved in the regulation of the qE capacity in C. reinhardtii by promoting conformational changes required for NPQ activation in the antenna of photosystem II, similar to its counterpart in land plants. Sonnenenergie ist die Triebkraft der Photosynthese, der biologische Prozess, in dem Wasser zu molekularem Sauerstoff oxidiert und CO2 fixiert und zu komplexen Zuckern verarbeitet wird. Unter den meisten natürlichen Bedingungen wird jedoch mehr Lichtenergie absorbiert als für Photosynthese genutzt werden kann. Die überschüssig absorbierte Energie kann zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies und letztendlich zur Schädigung des Chloroplasten führen. Durch die nicht-photochemische Löschung von Anregungsenergie (NPQ) in der Antenne (LHCII) von Photosystem II wird überschüssige Energie in Form von Wärme abgeführt und so der Photosyntheseapparat vor oxidativer Schädigung geschützt. Unter den meisten Bedingungen stellt der Energie-abhängige Mechanismus (qE) die dominierende Komponente des NPQ dar. In Arabidopsis thaliana kann der qE Mechanismus unabhängig von den Wachstumsbedingungen jederzeit im Starklicht aktiviert werden. Die Licht-Aktivierung von qE ist von der pH-regulierten Aktivierung des PsbS Proteins, der ebenfalls pH-regulierten Synthese des Xanthophylls Zeaxanthin (Zx), sowie von Konformationsänderungen der LHCII Komplexe abhängig. Vermutlich aktivieren dabei spezifische, licht-regulierte Interaktionen des PsbS Proteins mit Antennenproteinen des PSII das NPQ. In dieser Arbeit wurde ein effektiver Ansatz, der auf der chemischen Vernetzung von Proteinen beruht, entwickelt, um Interaktionspartner des PsbS Proteins im dunkeladaptierten (qE inaktiven) und lichtadaptierten (qE aktiven) Zustand zu identifizieren. Anhand von massenspektrometrischen Analysen von Proteinen, die nach der chemischen Vernetzung zusammen mit PsbS aufgereinigt wurden, konnten sowohl die Lokalisation, als auch die Interaktionspartner von PsbS in der Thylakoidmembran bestimmt werden. Basierend auf diesen Analysen konnte PsbS am PSII Superkomplex lokalisiert werden. Die Licht-Aktivierung von qE geht mit der Monomerisierung des dimeren PsbS einher, wobei insbesondere die Interaktion von PsbS mit Lhcb1, der dominierenden Komponente der trimeren LHCII Komplexe, verstärkt wird. In der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii kann NPQ nur in Zellen aktiviert werden, die an Starklicht akklimatisiert sind. Für die Ausbildung des NPQ ist hier das LHCSR Protein essentiell. Die Expression des PsbS Proteins in C. reinhardtii konnte bisher nicht nachgewiesen werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass PsbS ein lichtinduziertes Protein ist, welches unter Starklicht Bedingungen akkumuliert und ferner von der CO2 Verfügbarkeit kontrolliert wird. Bei hoher CO2 Verfügbarkeit wird PsbS lediglich transient exprimiert und unter Starklicht bereits nach einer Stunde abgebaut. Bei niedriger CO2 Verfügbarkeit korreliert eine erhöhte NPQ Kapazität mit der Akkumulation von PsbS in Starklicht-akklimatisierten Zellen. In LHCSR Mangelmutanten wurde jedoch gezeigt, dass die Funktion des LHCSR Proteins nicht durch die des PsbS Proteins komplementiert werden kann. Auf dieser Grundlage kann vermutet werden, dass PsbS in C. reinhardtii an der Regulation der qE Kapazität involviert ist. Hierbei könnte PsbS Konformationsänderungen, die für die Aktivierung des NPQ in der PSII Antenne benötigt werden, unterstützen, analog zu der Funktion in höheren Pflanzen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	19.02.2016
Dateien geändert am:	19.02.2016
Promotionsantrag am:	09.11.2015
Datum der Promotion:	07.12.2015