Dokument: Computergestützte Analyse und Optimierung der photosynthetischen Kohlenstofffixierung
| Titel: | Computergestützte Analyse und Optimierung der photosynthetischen Kohlenstofffixierung | |||||||
| Weiterer Titel: | Computational analysis and optimisation of photosynthetic carbon fixation | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=67859 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20250106-093943-1 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Aalst, Marvin Christian [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Ebenhöh, Oliver [Gutachter] Walker, Berkley J. [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Photosynthetische Organismen verwenden Lichtenergie, um Kohlendioxid in Biomasse zu binden und bilden damit die Grundlage fast aller terrestrischen trophischen Netzwerke auf der Erde.
Im Rahmen der Zivilisation werden photosynthetische Organismen auch als Nutzpflanzen und Stoffwechselfabriken, z. B. für die Produktion von Terpenen, genutzt. Die Menge an verfügbarem Licht, die für diese Zwecke genutzt wird, ist von großer Bedeutung, um die Produktion von Biomasse oder Metaboliten von Interesse zu maximieren. Dies wiederum ist für die Nachhaltigkeit und die Ernährungssicherheit von Bedeutung, da es sich auf die Effizienz der Wasser-, Nährstoff- und Landnutzung auswirkt. Um zu verstehen, wie die Effizienz der Lichtenergienutzung maximiert werden kann, muss der Prozess, wie diese Energie zur Bindung von Kohlendioxid genutzt wird, ganzheitlich verstanden werden. Dazu gehören die photosynthetische Elektronentransportkette (PETC), der Calvin-Benson-Bassham-Zyklus (CBB) und die Photorespiration. In dieser Arbeit wurden mathematische Modelle verwendet, um die Interdependenz und die Kontrolle von PETC, CBB und Photorespiration sowie die Produktion von Sekundärmetaboliten zu untersuchen. Anhand eines Modells, das PETC und CBB kombiniert, konnte gezeigt werden, dass bei starkem Licht und hohem intrazellulären Kohlendioxid eine Erhöhung der SBPase-Aktivität die Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) verringern kann. Ebenso erhöht eine Verringerung des zyklischen Elektronenflusses die Produktion von ROS, während gleichzeitig ATP verbraucht wird, was wiederum den CBB-Zyklus beeinträchtigt. Durch die Analyse der metabolischen Kontrolle wurde festgestellt, dass die Steuerung der Kohlenstofffixierung von der Lichtintensität und der Kohlendioxidkonzentration abhängt. Unter niedrigen Lichtbedingungen kontrollieren die Photosysteme den Fluss der Kohlenstofffixierung, während sich diese Kontrolle unter hohen Lichtbedingungen auf RuBisCO und SBPase verlagert, je nachdem, ob die intrazelluläre Kohlendioxidkonzentration niedrig oder hoch ist. Bei der Untersuchung der Interdependenz von CBB und Photorespiration wurde festgestellt, dass alternative Kohlenstofffixierungswege der vielversprechendste Weg sind, um die erhebliche Verringerung des Ernteertrags aufgrund der Photorespiration zu vermeiden. Dieser Effekt war jedoch unter Bedingungen mit niedriger intrazellulärer Kohlendioxidkonzentration am stärksten ausgeprägt, welche entweder durch eine niedrige atmosphärische Kohlendioxidkonzentration oder eine verringerte Transportrate entsteht. Schließlich hat die Untersuchung der Terpenoid-Synthese in photosynthetischen Drüsentrichomen gezeigt, dass die PETC eine Verschiebung der Kohlenstoffverteilung ermöglichen kann. Diese Verschiebung wird durch eine Verringerung der katabolen Aktivität aufgrund zusätzlicher Energiezufuhr verursacht, wodurch mehr des zugeführten Kohlenstoffs für anabole Prozesse verwendet werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen sowohl zur Entwicklung effizienterer Nutzpflanzen für einen nachhaltigen Ansatz zur Ernährungssicherung als auch zur Entwicklung und Konzeption alternativer Wege im Allgemeinen beitragen.Photosynthetic organisms harvest light energy to fix carbon dioxide into biomass, creating the foundation of almost all terrestrial trophic networks on Earth. In the context of civilisation, photosynthetic organisms are also used as crops and metabolic factories, e.g. for the production of terpenes. The amount of available light used for these objectives is of great importance to maximise the production of biomass or metabolites of interest. This in turn is relevant to sustainability and food security, as it affects water, nutrient and land use efficicency. To understand how the efficiency of light energy usage can be maximised, the process of how that energy is used to fix carbon dioxide needs to be understood holistically. This includes the photosynthetic electron transport chain (PETC), the Calvin-Benson-Bassham (CBB) cycle and photorespiration. In this work mathematical models were used to study the interdependence and control of the PETC, CBB and photorespiration, as well as the production of secondary metabolites. Using a model combining the PETC and CBB, it could be shown that under high light and high intracellular carbon dioxide an increase in SBPase activity could decrease the production of reactive oxygen species (ROS). Likewise, a reduction of cyclic electron flow increases the production of ROS, while also depleting ATP, thus affecting the CBB cycle. Expanding on this, using metabolic control analysis it was found that the control of carbon fixation is dependent on the light intensity and the carbon dioxide concentration. In low light conditions the photosystems control the flux of carbon fixation, while in high light conditions this control shifts to RuBisCO and SBPase, depending on whether the intracellular carbon dioxide concentration is low or high respectively. When studying the interdependence of the CBB and photorespiration it was found that carbon-fixing alternative pathways are the most promising way of avoiding the significant decrease in crop yield due to photorespiration. However, this effect was most pronunced in conditions with low intracellular carbon dioxide concentration, due to either by a low atmospheric carbon dioxide concentration or a reduced transport rate. Lastly, studying the terpenoid synthesis in photosynthetic glandular trichomes showed that the PETC can allow a shift in carbon partitioning. This shift is caused by a reduction in the catabolic activity due to additional energy supply which allows more of the supplied carbon to be used for anabolic processes. It is envisaged that the findings of this work shall contribute to both the development of more effecient crops for a sustainable approach to food security and the development and design philosophy of alternative pathways in general. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät | |||||||
| Dokument erstellt am: | 06.01.2025 | |||||||
| Dateien geändert am: | 06.01.2025 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 03.07.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 10.10.2024 |
