Dokument: Funktion und Regulation von PsbS in C. reinhardtii
| Titel: | Funktion und Regulation von PsbS in C. reinhardtii | |||||||
| Weiterer Titel: | Function and regulation of PsbS in C. reinhardtii | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66301 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250715-090900-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Hemker, Fritz Gerhard [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Jahns, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | |||||||
| Beschreibungen: | Chlamydomonas reinhardtii is a unicellular green alga that has the potential to serve as a multifaceted modern-day crop. For efficient agriculture of C. reinhardtii, it is crucial to understand in detail photosynthesis and stress defense including the underlying molecular processes. Under field conditions, photosynthetic organisms are frequently exposed to rapidly varying and often harmful light intensities, so that efficient photoprotection is essentially required for survival. Efficient photoprotection is ensured by a network of different physiological and molecular mechanisms. One of the most powerful mechanisms is non-photochemical quenching (NPQ) of excitation energy that involves multiple strategies to dissipate excess light energy as heat while still enabling growth via photosynthesis. In C. reinhardtii, the dominating quenching process is termed qE, the energy-dependent component of NPQ. qE is based on the pH-regulated activation of LHCSR proteins, which in turn induce quenching of excitation energy through interaction with LHCII proteins of PSII. Vascular plants have lost the genetic information on LHCSR proteins, but the PsbS protein adopted the function as pH-regulator of qE. Interestingly, C. reinhardtii possesses an ortholog of PsbS that is similarly regulated as the LHCSR proteins. However, the precise function of PsbS in C. reinhardtii remains unknown. PsbS accumulates within a few hours upon acclimation to high light (HL) intensities but is degraded after 8-16 h of HL exposure. These characteristics led to the assumption that PsbS might be required for qE activation in the early stages of HL acclimation. In this thesis, the regulation pattern and the possible function of PsbS in C. reinhardtii in photoprotection were analyzed under various conditions. In fluctuating light conditions, PsbS degradation was found to be reduced compared to continuous light, indicating that rapid changes of the light intensity influence PsbS accumulation. Moreover, the stress level of C. reinhardtii was enhanced and both the pool size and the de-epoxidation state of the xanthophyll cycle pigments were altered under those conditions. Combining high light and salt stress increased PsbS accumulation in comparison with control conditions. Again, this enhanced accumulation was accompanied by higher stress levels and an increased de-epoxidation state of the xanthophyll cycle pigments. Finally, analysis of PsbS knock-out mutants clarified that PsbS has no immediate influence on qE or fitness under constant or fluctuating light conditions but might rather impact the structure and fluidity of thylakoid membranes, as derived from altered xanthophyll conversion. This conclusion agrees with an enhanced accumulation of PsbS under salt stress conditions where the remodeling of the thylakoid membrane is a crucial defense mechanism. Even though PsbS has clearly different functions in qE and different accumulation patterns in vascular plants and green algae, the regulation of thylakoid membrane organization is likely a central property of PsbS which remained unchanged during evolution.Chlamydomonas reinhardtii ist eine einzellige Grünalge mit dem Potential, eine vielseitige Produktionsplattform zu werden. Um C. reinhardtii effizient anzuziehen, ist es wichtig, Photosynthese und Stressreaktionen im Detail zu verstehen, einschließlich der zugrunde liegenden molekularen Prozesse. Unter Freilandbedingungen sind photosynthetische Organismen regelmäßig schnell variierenden und häufig schädlichen Lichtintensitäten ausgesetzt. Daher ist effiziente Photoprotektion entscheidend für deren Überleben. Diese effiziente Photoprotektion wird durch ein Netzwerk verschiedener physiologischer und molekularer Mechanismen sichergestellt. Eine der effektivsten Methoden ist dabei die nicht-photochemische Löschung (NPQ) von Anregungsenergie, welche mehrere Mechanismen und Strategien umfasst, die überschüssige Lichtenergie in Form von Wärme abzugeben, ohne dabei die Nutzung der Photosynthese für das Wachstum zu beeinträchtigen. In C. reinhardtii ist der dabei dominierende Prozess der sogenannte qE-Mechanismus, die energieabhängige Komponente des NPQ. Der qE-Mechanismus beruht auf der pH-regulierten Aktivierung der LHCSR Proteine, welche die Löschung überschüssiger Anregungsenergie durch Interaktion mit LHCII Proteinen induzieren. Gefäßpflanzen verwenden statt LHCSR Proteinen das PsbS Protein für den gleichen Mechanismus. Interessanterweise besitzt C. reinhardtii ebenfalls ein Ortholog des PsbS, das ähnlich reguliert wird wie LHCSR. Bis heute ist die genaue Funktion von PsbS in C. reinhardtii allerdings noch nicht aufgeklärt. PsbS akkumuliert innerhalb weniger Stunden bei der Anpassung an Starklichtbedingungen und wird aktiv nach ungefähr 8 bis 10 Stunden im Starklicht abgebaut. Diese Dynamik hat zu der Annahme geführt, dass PsbS in den frühen Phasen der qE Aktivierung eine Rolle spielen könnte. In dieser Arbeit wurde die Regulation und potenzielle Funktion von PsbS unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass der Abbau von PsbS unter fluktuierenden Lichtbedingungen im Vergleich mit kontinuierlicher Belichtung vermindert wurde, vor allem bei schnellen Wechseln von Dunkelheit und Starklicht. C. reinhardtii zeigte unter diesen Bedingungen einen erhöhten Stresszustand und sowohl die Menge an Xanthophyllzykluspigmenten als auch deren De-epoxidationszustand waren erhöht. Zudem wurde eine stark erhöhte Akkumulation von PsbS bei kombiniertem Starklicht- und Salzstress festgestellt. Dabei wurde erneut eine Erhöhung des Stresslevels und des De-epoxidationsstatus der Xanthophyllzykluspigmente festgestellt. Des Weiteren zeigten zwei PsbS Knock-out Mutanten, dass PsbS keinen direkten Einfluss auf qE oder die Fitness der Zellen unter den verwendeten konstanten oder fluktuierenden Bedingungen hat. Stattdessen wies die veränderte Umwandlung der Xanthophylle darauf hin, dass PsbS wahrscheinlich die Membranstruktur und/oder -fluidität verändert. Diese Schlussfolgerung wird von dem Befund unterstützt, dass der PsbS Gehalt unter Salzstress erhöht war, wodurch der Umbau der Thylakoidmembran gefördert werden könnte, der unter Salzstress eine wichtige Akklimatisierungsstrategie darstellt. PsbS in Grünalgen zeigt im Vergleich zu höheren Pflanzen also deutliche Unterschiede in Bezug auf Regulation und Funktion des qE, aber die Regulation der Organisation der Thylakoidmembran scheint eine zentrale, gemeinsame Eigenschaft zu sein. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen | |||||||
| Dokument erstellt am: | 15.07.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 15.07.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 31.01.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 14.06.2024 |
