Dokument: Probing Dynamic Regulation of Photosynthesis Using Harmonically Oscillating Light
| Titel: | Probing Dynamic Regulation of Photosynthesis Using Harmonically Oscillating Light | |||||||
| Weiterer Titel: | Untersuchung der dynamischen Regulierung der Photosynthese unter Verwendung von harmonisch oszillierendem Licht | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66411 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240826-111547-9 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Niu, Yuxi [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Dr. Matsubara, Shizue [Gutachter] Prof. Ebenhöh, Oliver [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | |||||||
| Beschreibungen: | The sunlight that plants are confronted with in nature and that is used by plant photosynthesis is often highly dynamic. Multiple regulatory mechanisms have evolved to cope with natural light fluctuations, presumably leading to the resilience and robustness of photosynthesis. Recent studies have demonstrated that manipulating the kinetics and capacities of photoprotective mechanisms via genetic engineering holds promise for improving photosynthetic efficiency and crop productivity. However, an in-depth understanding of these fine-tuning mechanisms is still lacking due to the complexity of photosynthetic regulatory networks, the variability of light environments, and the limitations of sensing techniques.
This study investigated the dynamic regulatory processes of plant photosynthesis by a frequency-domain method using harmonically oscillating light to unveil distinct operational frequencies or frequency limits for the key molecular mechanisms contributing to the dynamic regulation of photosynthesis under fluctuating light. The frequency limits were characterized by changes in dynamic responses of plant photosynthesis to light oscillations of different frequencies, which were monitored here by measurements of chlorophyll fluorescence (ChlF) as well as the redox changes of plastocyanin (PC), primary donor of photosystem I (P700), and ferredoxin (Fd) proxies. Three response domains (α, α/β, β) occurring in the frequencies typical of plant canopies were determined, and two frequency limits separating these domains were identified (Chapter 2). Qualitative differences in the dynamic responses of photosynthesis between wild-type Arabidopsis thaliana and mutants that are deficient in rapidly reversible non-photochemical quenching (NPQ) components pointed to the existence of two frequency limits associated with PsbS protein- and violaxanthin de-epoxidase (VDE)-dependent NPQ. The PsbS-dependent mechanism operated at a frequency of about 1/10 Hz - 1/30 Hz, while the frequency limit of the VDE-dependent process was about 1/60 Hz - 1/120 Hz. The contrasting responses of two mutants lacking specific pathways of cyclic electron transport (CET), namely the PGR5/PGRL1-dependent pathway and the NDH-like complex-dependent pathway, also indicated that regulatory mechanisms with apparently similar functions may have distinct frequency limits in oscillating light. The PGR5/PGRL1-dependent CET seems to operate rapidly, as manifested by the contrasting responses of the pgrl1ab mutant and its wild-type plant at all frequencies. The frequency limit of this CET pathway may lie beyond the frequencies tested in this study. The NDH-like complex-dependent CET, on the other hand, may operate at a frequency around 1/30 Hz - 1/60 Hz, as deduced from the changes in the dynamics of Fd redox states in the crr2-2 mutant compared to its wild-type. The results suggest that each of the dynamic regulatory mechanisms has its own operational frequency range within which the contributing molecular processes can function. If the frequency of light oscillation matched the specific frequency limit of a regulatory process, the signal was significantly amplified, resulting in a resonance. In contrast, when the light oscillation exceeded this specific frequency limit, this regulatory process was not able to keep pace with light changes and could respond only to the average light intensity. By exploiting such resonance properties, harmonically oscillating light can be used to characterize the inherent frequency limits of the different regulatory mechanisms and identify their contributions during light fluctuations. The frequency 1/60 Hz induced abundant characteristic features of photosynthetic dynamics in the experiments shown in Chapter 2 and was thus used to investigate the effect of different amplitudes of light oscillations on dynamic regulation of photosynthesis (Chapter 3). The quantum yields related to PSI and PSII function and the redox changes of PC and Fd were examined in Arabidopsis wild-types and mutants by superimposing saturation pulses on harmonically oscillating light. The results suggest that the PGR5/PGRL1-dependent CET can contribute to the protection of photosystems even under light fluctuations with small amplitudes, while the NDH-like complex-dependent CET may act as a safety valve in light fluctuations with large amplitudes. The dynamic relationships between irradiance and photosynthetic responses in changing light conditions were characterized by the fingerprint of ChlF under oscillating light (Chapter 4). The relationships observed in the oscillating light conditions were more complex than those found by traditional steady-state measurements. Responses in the fast oscillation frequencies (1 Hz - 1/10 Hz) can be explained solely by constitutive non-linearity due to saturation of photosynthetic pathways or to filling and emptying of the photosynthetic redox pools. Regulatory non-linearity emerged in slower oscillation frequencies (about 1/30 Hz), in which dynamic regulation of rapidly reversible NPQ (qE) contributed to the distortion of the relationships between irradiance and ChlF responses, with ChlF yield decreasing in the light increasing phase. When the frequency was slow enough (< 1/120 Hz), photosynthesis appeared to reach a stationary state through the operation of regulatory processes, which effectively counteracted changes in light intensity and maintained the dynamic equilibrium of the photosynthesis systems. Dynamics of photosynthesis in oscillating light are largely non-linear and information-rich due to the high variability of the amplitude and frequency of light changes. Sensing and analyzing the resonance features of regulatory processes and non-linear characteristics of photosynthetic responses using harmonically oscillating light can help us gain insights into different regulatory mechanisms and their functions in dynamically changing light environments.Das Sonnenlicht, mit dem Pflanzen in der Natur konfrontiert sind und das von der pflanzlichen Photosynthese genutzt wird, ist oft sehr dynamisch. Es haben sich zahlreiche Regulierungsmechanismen entwickelt, um mit den natürlichen Lichtschwankungen fertig zu werden, was vermutlich zur Widerstandsfähigkeit und Robustheit der Photosynthese beiträgt. Jüngste Studien haben gezeigt, dass gentechnische Modifikationen der Kinetik und der Kapazitäten von Lichtschutzmechanismen vielversprechende Möglichkeiten zur Verbesserung der photosynthetischen Effizienz und der Produktivität von Pflanzen aufzeigen. Aufgrund der Komplexität der photosynthetischen Regulationsnetzwerke, der Variabilität der Lichtverhältnisse und der begrenzten Möglichkeiten der Sensortechnik fehlt es jedoch noch an einem tiefergehenden Verständnis dieser fein abgestimmten Mechanismen. In der vorliegenden Arbeit wurden die dynamischen Regulierungsprozesse der pflanzlichen Photosynthese mit Hilfe einer Frequenzdomänen-Methode unter Verwendung von harmonisch oszillierendem Licht untersucht, um unterschiedliche Betriebsfrequenzen oder Frequenzgrenzen für die wichtigsten molekularen Mechanismen aufzudecken, die zur dynamischen Regulierung der Photosynthese unter fluktuierendem Licht beitragen. Die Frequenzgrenzen wurden durch Veränderungen in den dynamischen Reaktionen der Photosynthese auf Lichtschwankungen charakterisiert und durch Messungen der Chlorophyllfluoreszenz (ChlF) sowie der Redoxveränderungen von Plastocyanin (PC), dem primären Donor des Photosystems I (P700) und Ferredoxin (Fd) eingeordnet. Es wurden drei Reaktionsbereiche (α, α/β, β) bestimmt, die in den für den Kronenbereich von Pflanzen typischen Frequenzen auftreten und es wurden zwei Frequenzgrenzen ermittelt, die diese Bereiche voneinander trennen (Kapitel 2). Qualitative Unterschiede in den dynamischen Reaktionen der Photosynthese zwischen dem Wildtyp von Arabidopsis thaliana und Mutanten mit Mutationen in den schnell reversiblen Komponenten des nicht-photochemischen Quenching (NPQ), weisen auf die Existenz von zwei Frequenzgrenzen hin, die mit dem PsbS-Protein und dem Violaxanthin-Depoxidase (VDE) abhängigen NPQ verbunden sind. Der PsbS-abhängige Mechanismus arbeitete bei einer Frequenz von etwa 1/10 Hz - 1/30 Hz, während die Frequenzgrenze des VDE-abhängigen Prozesses bei etwa 1/60 Hz - 1/120 Hz lag. Die gegensätzlichen Reaktionen von zwei Mutanten, denen spezifische Wege des zyklischen Elektronentransports (CET) fehlen, nämlich der PGR5/PGRL1-abhängige Weg und der NDH-ähnliche Komplex-abhängige Weg, weisen ebenfalls darauf hin, dass Regulierungsmechanismen mit scheinbar ähnlichen Funktionen unterschiedliche Frequenzgrenzen bei oszillierendem Licht haben können. Der PGR5/PGRL1-abhängige CET scheint schnell zu funktionieren, wie die unterschiedlichen Reaktionen der pgrl1ab-Mutante und des Wildtyps bei allen Frequenzen zeigen. Die Frequenzgrenzen dieses CET-Wegs liegen möglicherweise jenseits der in dieser Studie getesteten Frequenzen. Die vom NDH-ähnlichen Komplex-abhängige CET könnte dagegen bei Frequenzen um 1/30 Hz - 1/60 Hz arbeiten, was aus den Veränderungen in der Dynamik der Fd-Redoxzustände in der crr2-2-Mutante im Vergleich zum Wildtyp abgeleitet werden kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass jeder der dynamischen Regulationsmechanismen einen eigenen Frequenzbereich hat, innerhalb dessen die beteiligten molekularen Prozesse funktionieren können. Wenn die Frequenz der Lichtschwingung mit der spezifischen Frequenzgrenze eines regulatorischen Prozesses übereinstimmte, wurde das Signal deutlich verstärkt, was zu einer Resonanz führte. Überschreitet die Lichtschwingung hingegen diese spezifische Frequenzgrenze, kann dieser Regelungsprozess nicht mit den Lichtänderungen Schritt halten und nur auf die durchschnittliche Lichtintensität reagieren. Durch Ausnutzung solcher Resonanzeigenschaften kann harmonisch oszillierendes Licht genutzt werden, um die inhärenten Frequenzgrenzen der verschiedenen Regelungsmechanismen zu charakterisieren und ihre Beiträge bei Lichtschwankungen zu ermitteln. Eine Frequenz (1/60 Hz), die in den Experimenten in Kapitel 2 zahlreiche charakteristische Merkmale der photosynthetischen Dynamik hervorgerufen hatte, wurde verwendet, um die Auswirkungen verschiedener Amplituden von Lichtschwingungen auf die dynamische Regulation der Photosynthese zu untersuchen (Kapitel 3). Die Quantenerträge, die mit der PSI- und PSII-Funktion und den Redoxveränderungen von PC und Fd zusammenhängen, wurden in Arabidopsis-Wildtypen und den Mutanten durch Überlagerung von Sättigungspulsen mit harmonisch oszillierendem Licht untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die PGR5/PGRL1-abhängige CET zum Schutz der Photosysteme auch bei Lichtschwankungen mit kleinen Amplituden beitragen könnte, während die NDH-ähnliche Komplex-abhängige CET als Sicherheitsventil bei Lichtschwankungen mit großen Amplituden fungieren könnte. Die dynamischen Beziehungen zwischen Bestrahlungsstärke und photosynthetischen Reaktionen unter wechselnden Lichtbedingungen wurden durch detaillierte Untersuchungen von ChlF unter oszillierendem Licht charakterisiert (Kapitel 4). Die unter den oszillierenden Lichtbedingungen beobachteten Beziehungen waren komplexer als die, die bei herkömmlichen steady-state Messungen festgestellt wurden. Die Reaktionen bei den schnellen Oszillationsfrequenzen (1 Hz - 1/10 Hz) lassen sich ausschließlich durch konstitutive Nichtlinearität erklären, die auf die Sättigung der photosynthetischen Stoffwechselwege oder das Füllen und Entleeren der photosynthetischen Redox-Pools zurückzuführen ist. Bei langsameren Oszillationsfrequenzen (etwa 1/30 Hz) zeigte sich eine regulatorische Nichtlinearität, bei der die dynamische Regulierung der schnell reversiblen NPQ (qE) zur Verzerrung der Beziehungen zwischen Bestrahlungsstärke und ChlF-Antworten beitrug, wobei die ChlF-Ausbeute in der Phase der Lichterhöhung abnahm. Wenn die Frequenz langsam genug war (< 1/120 Hz), schien die Photosynthese einen stationären Zustand durch den Betrieb von Regulierungsprozessen zu erreichen, die Änderungen der Lichtintensität wirksam entgegenwirkten und das dynamische Gleichgewicht der Photosynthesesysteme aufrechterhielten. Die Dynamik der Photosynthese bei oszillierendem Licht ist aufgrund der hohen Variabilität von Amplitude und Frequenz der Lichtänderungen weitgehend nichtlinear und informationsreich. Die Erfassung und Analyse der Resonanzmerkmale von Regelungsprozessen und der nichtlinearen Eigenschaften photosynthetischer Reaktionen unter Verwendung von harmonisch oszillierendem Licht kann uns helfen, Einblicke in verschiedene Regelungsmechanismen und ihre Funktionen in sich dynamisch verändernden Lichtumgebungen zu gewinnen. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 26.08.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 26.08.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 25.01.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 20.06.2024 |
