Dokument: Lichtregulation der Zeaxanthin Epoxidase in Pflanzen

Titel:	Lichtregulation der Zeaxanthin Epoxidase in Pflanzen
Weiterer Titel:	Light Regulation of Zeaxanthin Epoxidase in Plants
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=60171
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220719-111406-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Bethmann, Stephanie Tanja [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,65 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.07.2022 / geändert 13.07.2022
Beitragende:	Prof. Dr. Jahns, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter]
Stichwörter:	Photo-oxidative stress, Photoinhibition, D1 turnover, Photoprotection, Reactive oxygen species, Xanthophyll cycle, Zeaxanthin epoxidase
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Pflanzen sind häufig fluktuierenden Lichtbedingungen ausgesetzt. Die geeignete Anpassung an solche Lichtbedingungen ist essentiell für die Konkurrenzfähigkeit von Pflanzen. Photooxidativer Stress stellt einen der herausforderndsten Stressfaktoren für Pflanzen dar, da die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) bei der Nutzung der Lichtenergie in der Photosynthese unvermeidbar ist. Pflanzen haben daher verschiedene Mechanismen der Photoprotektion entwickelt, um der Bildung von ROS vorzubeugen und gebildete ROS zu entgiften. Das photoprotektive Pigment Zeaxanthin (Zx) ist an beiden Strategien beteiligt. Zx wird bei Starklicht im Xanthophyllzyklus von dem Enzym Violaxanthin (Vx) De-epoxidase (VDE), welches Vx zu Zx umwandelt, gebildet. Die Rückumwandlung von Zx zu Vx, die überwiegend im Dunkeln und bei Schwachlicht (LL) stattfindet, wird von der Zx Epoxidase (ZEP) katalysiert. Zx trägt auf zwei Arten zum Lichtschutz bei: Gebunden an die Antennenproteine von Photosystem II (PSII) ist Zx am pH-abhängigen (qE) und Zx-abhängigen (qZ) Mechanismus der nicht-photochemischen Löschung (NPQ) von Anregungsenergie beteiligt. Dabei wird im Überschuss absorbierte Lichtenergie in Form von Wärme abgeführt und dadurch die Entstehung von ROS verhindert. Als freies Pigment in der Lipidphase der Thylakoidmembran ist Zx an der Entgiftung bereits gebildeter ROS beteiligt. In A. thaliana wird die Epoxidation von Zx bei langanhaltendem Starklicht schrittweise herunterreguliert, parallel zur ansteigenden Photoinhibition von PSII. In dieser Arbeit wurde die gemeinsame Regulation von ZEP und PSII Aktivität im Zusammenhang mit der kurz- und langfristigen Anpassung an Starklicht in verschiedenen Pflanzenspezies (A. thaliana, N. benthamiana, P. sativum and S. oleracea) eingehend charakterisiert. Darüber hinaus wurde die molekulare Grundlage der Lichtregulation der ZEP-Aktivität unter in vitro Bedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Koregulierung von ZEP und PSII Aktivität in allen Spezies und unter allen Wachstumsbedingungen erfolgt. Ausgeprägter Starklicht-Stress führte nicht nur zu einer vollständigen Inaktivierung von ZEP und PSII, sondern auch zum Abbau der ZEP parallel zum Abbau von D1. Die aus Inaktivierung und Abbau der ZEP resultierende Aufrechterhaltung eines hohen Gehaltes an Zx in der Thylakoidmembran deutet auf eine wichtige photoprotektive Funktion von Zx im Zusammenhang mit der Photoinhibition und der Reparatur von PSII im Starklicht hin. Spezies-spezifische Unterschiede in der Starklicht-Empfindlichkeit und somit unterschiedliche Anpassungsfähigkeiten der untersuchten Pflanzen an Starklicht konnten auf Unterschiede in der Blattdicke, der Menge an Xanthophyll-Zyklus Pigmenten (Vx, Antheraxanthin (Ax) und Zx) und der qE-Kapazität zurückgeführt werden. Untersuchungen zur Lichtregulation der ZEP-Aktivität unter in vitro Bedingungen zeigten, dass die ZEP im dunkel- und lichtadaptierten Zustand eine ähnliche Aktivität besitzt, welche durch Zugabe von Reduktionsmitteln (wie z.B. Dithiothreitol) nicht stimuliert werden kann. Diese Befunde sprechen gegen eine Regulation der ZEP Aktivität durch Thiol-Modulation. Behandlung der ZEP mit verschiedenen ROS zeigte, dass die ZEP zeit- und konzentrationsabhängig durch Wasserstoffperoxid (H2O2) inaktiviert wird, jedoch nicht durch Singulettsauerstoff und Superoxid. Dies legt nahe, dass die unter in vivo Bedingungen zu beobachtende Starklicht-induzierte Inaktivierung der ZEP auf einer Oxidation der ZEP durch H2O2 beruht. Plants are frequently exposed to fluctuating light conditions. Proper acclimation to such light conditions is essential for the competitiveness of plants in the field. Photo-oxidative stress is one of the most challenging stress factors for plants since reactive oxygen species (ROS) are inevitably formed upon photosynthetic light utilization. Hence, plants have developed several photoprotective mechanisms to prevent the formation of ROS and to detoxify already existing ROS. The photoprotective pigment zeaxanthin (Zx) contributes to both strategies. Zx is formed upon high light (HL) in the xanthophyll cycle by the enzyme violaxanthin (Vx) de-epoxidase (VDE), which converts Vx to Zx. The reconversion of Zx to Vx, which occurs predominantly in the dark as well as in low light (LL), is catalyzed by Zx epoxidase (ZEP). Zx has a dual function in photoprotection: bound to antenna of photosystem II (PSII), Zx is involved in the energy-dependent (qE) and in the Zx-dependent (qZ) mechanism of non-photochemical quenching (NPQ) of excitation energy. In these photoprotective mechanisms, excessively absorbed light energy is dissipated as heat and thereby the formation of ROS is prevented. As free pigment in the lipid phase of the thylakoid membrane, Zx contributes to the detoxification of already existing ROS. In A. thaliana, ZEP activity and hence Zx epoxidation was shown to be gradually downregulated in parallel with increasing photoinhibition of PSII in response to HL exposure. In this work, the concerted regulation of ZEP and PSII activity in response to short- and long-term acclimation to HL was characterized in detail in different plant species (A. thaliana, N. benthamiana, P. sativum and S. oleracea). Moreover, the molecular basis of the light-regulation of ZEP activity was addressed under in vitro conditions. The experimental results reveal that the co-regulation of ZEP and PSII activity represents a common feature of all studied species and under all growth light conditions. Severe HL stress resulted not only in complete inactivation of PSII and ZEP, but also in the degradation of ZEP protein in parallel with D1. As a consequence of ZEP inactivation and degradation, high amounts of Zx are retained in the thylakoid membrane during photoinhibition of PSII, indicating an important photoprotective role of Zx during photoinhibition and repair of PSII under long-lasting HL conditions. Species-specific differences in HL sensitivity and thus different HL acclimation properties were shown to be predominantly determined by differences in the leaf thickness, the pool size of xanthophyll cycle pigments (Vx, antheraxanthin (Ax) and Zx) and the qE capacity. Analyses of the light-regulation of ZEP activity under in vitro conditions revealed a similar high activity of ZEP in the dark- and light-acclimated state. Moreover, ZEP activity could generally not be stimulated by reductants, such as dithiothreitol, suggesting that ZEP is not light-regulated by thiol-modification. Treatment of ZEP with different ROS showed that ZEP is irreversibly inhibited by hydrogen peroxide (H2O2) in a time- and concentration-dependent manner, but not by singlet oxygen and superoxide. This implies that the observed HL induced inactivation of ZEP under in vivo conditions is likely based on an oxidation of ZEP by H2O2.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	19.07.2022
Dateien geändert am:	19.07.2022
Promotionsantrag am:	19.05.2022
Datum der Promotion:	30.06.2022