Dynamic regulation of photosynthesis by chloroplast thioredoxin systems

Abstract

Oxygenic photosynthesis is sunlight-energized conversion of CO2 into carbohydrates using electrons extracted from water. It occurs in cyanobacteria and in their endosymbiotic evolutionary descendants, the chloroplasts of plants and algae, and enables the existence of most ecosystems on Earth. Electron transfer from water to ferredoxin produces NADPH and generates an electrochemical proton gradient across the thylakoid membrane, which is utilized to power the ATP synthase. In the stroma, the products of the light reactions are then used to assimilate CO2 into sugar phosphates in the Calvin–Benson cycle. In natural growth conditions, plants experience fast and unpredictable fluctuations in light intensity and other environmental factors. This has necessitated evolution of intricate regulatory mechanisms to prevent damage to the photosynthetic machinery and to avoid energy-expensive futile reactions. An important way to control these mechanisms is through formation and cleavage of disulfide bridges in chloroplast proteins by thioredoxins. Indeed, plant chloroplasts contain a large variety of thioredoxin isoforms, as well as two distinct thioredoxin systems; one dependent on ferredoxin as reductant, the other on NADPH.

In this thesis I have investigated the role of the NADPH-dependent chloroplast thioredoxin system (NTRC) in regulation of photosynthetic processes, as well as the coordination between the NTRC- and ferredoxindependent systems. I demonstrate that NTRC forms a crucial regulatory hub in chloroplasts that allows maintenance of redox balance between the photosynthetic electron transfer chain and stromal metabolism, particularly in low light conditions. This is achieved through regulation of the activities of the ATP synthase and enzymes of the Calvin–Benson cycle, as well as non-photochemical quenching, cyclic electron transfer around photosystem I via the NADH dehydrogenase-like complex, and reversible redistribution of excitation energy between the photosystems. I show that significant crosstalk exists between the thioredoxin systems, which allows dynamic control of photosynthetic processes and photoprotective mechanisms in fluctuating light conditions. Understanding these regulatory mechanisms of photosynthesis is of utmost importance in bioengineering projects aiming to maximize crop yields or biofuel production. Moreover, my results suggest that enhancement of chloroplast thioredoxin activity may provide a simple but effective tool for those purposes

Happea tuottavassa fotosynteesissä hiilidioksidia muunnetaan sokereiksi auringon valoenergian sekä vedeltä peräisin olevien elektronien avulla. Syanobakteerit sekä niiden evolutiiviset jälkeläiset eli kasvien ja levien viherhiukkaset kykenevät fotosynteettiseen sokereiden tuottoon mahdollistaen lähes kaikkien Maapallon ekosysteemien toiminnan. Fotosynteesin elektroninsiirto vedeltä ferredoksiinille tuottaa NADPH:ta ja johtaa elektrokemiallisen protonigradientin muodostumiseen tylakoidikalvon yli. Protonigradientti toimii ATP-syntaasin käyttövoimana, ja NADPH:ta ja ATP:tä käytetään energialähteenä Calvin– Benson–syklissä tapahtuvassa hiilidioksidin sidonnassa. Luonnonolosuhteissa valon voimakkuus ja muut ympäristötekijät vaihtelevat nopeasti kasvien kasvupaikoilla. Tämä on luonut valintapaineen moninaisten säätelymekanismien kehittymiselle fotosynteesikoneiston energiankeruun turvaamiseksi ja vahingoittumisen välttämiseksi. Tioredoksiinit kuuluvat säätelyproteiineihin, jotka katalysoivat proteiinien rikkisiltojen pelkistystä ja ovat keskeisiä viherhiukkasten toimintaa sääteleviä yhdisteitä. Kasvien viherhiukkasissa on useita tioredoksiini-proteiineja sekä kaksi erillistä tioredoksiinijärjestelmää, joista toinen käyttää ferredoksiinia ja toinen NADPH:ta pelkistyksessä tarvittavien elektronien lähteenä.

Väitöskirjassani olen tutkinut NADPH-riippuvaisen tioredoksiinijärjestelmän (NTRC:n) roolia fotosynteettisten prosessien säätelijänä, sekä NTRC- ja ferredoksiini-riippuvaisen järjestelmän välistä vuorovaikutussuhdetta. Tutkimukseni osoittaa, että NTRC:llä on keskeinen tehtävä hapetus–pelkistys-tasapainon säilyttämisessä fotosynteesin valoreaktioiden ja strooman hiilimetabolian välillä, etenkin heikossa valossa ja valo-olosuhteiden äkillisten muutosten aikana. NTRC säätelee ATP-syntaasin ja Calvin–Benson-syklin entsyymien aktiivisuutta, ylimääräisen viritysenergian hajottamista, syklistä elektronikiertoa, sekä viritysenergian jakautumista valoreaktio II:n ja I:n kesken. Työni osoittaa myös, että NTRC- ja ferredoksiini-riippuvainen tioredoksiinijärjestelmä ovat vuorovaikutuksessa keskenään, mikä mahdollistaa fotosynteettisten reaktioiden ja suojamekanismien dynaamisen säätelyn vaihtelevissa valoolosuhteissa. Näiden säätelymekanismien ymmärtäminen on hyvin tärkeää kun pyritään bioteknisin keinoin maksimoimaan viljelykasvien tai biopolttoaineen tuottoa. Kloroplastin tioredoksiinijärjestelmien toiminnan tehostaminen yksinkertaisella geenimuokkauksella saattaa olla hyödyllinen työkalu kasvien kasvun ja tuottavuuden parantamiseksi.