Photoinhibition and regulation of photosynthesis

Abstract

Plants are photosynthetic organisms that use light to reduce carbon dioxide, nitrate and sulfate to synthesise the organic molecules that are the building blocks of all life. The reductants are produced in the photosynthetic linear electron transfer chain in which two photosystems, PSII and PSI, operate in series. Excitation of PSII extracts electrons from water and the electrons are transferred to PSI for a second excitation, after which the electrons are potent reductants for anabolic reactions. Both photosystems require light to function, but they can also be damaged by light. This phenomenon is called photoinhibition. Plants have several overlapping mechanisms to prevent photoinhibition, but too large or rapid changes in environmental conditions can overwhelm the capacity of these protective mechanisms.

The first two papers included in the thesis, investigated the effects of photoinhibition of either PSI or PSII on the regulation of photosynthesis in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), a common model organism. The observed changes occurred in the phosphorylation of light-harvesting antenna proteins, which regulate the allocation of light to PSI and PSII. The detected changes, previously associated with acclimation to fluctuations in light intensity and quality, are able to restore the functional balance between the photosystems after photoinhibition. PSI photoinhibition also induces the accumulation of ATP synthase and cytochrome b6f complex in the thylakoid membrane. Chronic PSI photoinhibition also alters the redox regulation of enzymes involved in light reactions and carbon metabolism. These mechanisms have previously been linked to acclimation to changes in environmental conditions. My results show that the same mechanisms are also important in minimising the adverse effects of photoinhibition.

The third paper included in the thesis, examined how a 10°C drop in temperature alters high light acclimation in lettuce (Lactuca sativa). Under these conditions, lettuce is extremely efficient at quenching excitation energy to heat and protecting the PSII photoinhibition repair cycle from photodamage. This is proposed to occur through the concerted function of phosphorylation of the minor antenna protein, LHCB4, and accumulation of the light-harvesting-like protein, SEP2. Further analysis also revealed that PSII repair is regulated at the maturation stage of the reaction centre protein D1 under these conditions. The distinct regulatory mechanisms identified in lettuce show that plants have diverse mechanisms to protect photosynthesis, depending on the plant species and the environmental stresses to which they are exposed. The molecular characterisation of these different mechanisms paves the way for improving the stress tolerance and productivity of crop species.

<b>Fotoinhibitio ja fotosynteesin säätely</b>

Kasvit muodostavat elämälle välttämättömiä orgaanisia molekyylejä pelkistämällä hiilidioksidia, nitraattia ja sulfaattia. Tähän tarvittavat pelkistimet tuotetaan fotosynteesin lineaarisessa elektroninsiirtoketjussa, jossa kaksi fotosysteemiä, PSII ja PSI, toimivat sarjassa. PSII:n viritys irrottaa elektronit vedestä, jotka siirretään edelleen PSI:een uudelleen viritettäviksi, ja siten kykeneviksi toimimaan tehokkaina pelkistiminä metaboliareaktioissa. Molemmat fotosysteemit tarvitsevat valoa toimiakseen, mutta ne myös herkästi vaurioituvat valon vaikutuksesta fotoinhibitioksi kutsutussa ilmiössä. Kasveilla on useita päällekkäisiä mekanismeja, joilla ne pyrkivät estämään fotoinhibitiota, mutta liian suuret ja nopeat muutokset ympäristöolosuhteissa voivat ylittää näiden suojamekanismien kapasiteetin. Tämä aiheuttaa toiminnallisten fotosysteemien määrän vähenemisen viherhiukkasissa.

Väitöskirjan ensimmäisessä kokonaisuudessa tutkin miten sekä PSI:n että PSII:n fotoinhibitiot vaikuttavat fotosynteesin säätelyyn kasvibiologian malliorganismissa lituruohossa (Arabidopsis thaliana). Suurin muutos säätelyssä tapahtuu fotosysteemeille valoa keräävien antenniproteiinien fosforylaatiossa, joka säätelee valon jakaantumista PSI:lle ja PSII:lle. Nämä muutokset, jotka on aiemmin liitetty sopeutumiseen valon määrän ja laadun muutoksiin, pystyvät myös palauttamaan fotosysteemien välisen tasapainon fotoinhibition jälkeen. Lisäksi osoitin PSI:n fotoinhibition muuttavan ATP syntaasin ja Sytokromi b6f kompleksin määriä tylakoidimembraanissa. PSI:n krooninen fotoinhibitio aiheuttaa myös muutoksia viherhiukkasten valoreaktioihin ja hiilimetaboliaan liittyvien entsyymien pelkistystilassa ja näihin perustuvassa säätelyssä. Aikaisemmin edellä mainittuja mekanismeja on tutkittu ympäristöolosuhteiden muutoksiin sopeutumisessa, mutta tulokseni kuitenkin osoittavat, että samoilla mekanismeilla on tärkeä merkitys fotoinhibition haittavaikutusten lieventämisessä.

Väitöskirjan toisessa kokonaisuudessa selvitin, miten 10 °C:n lasku lämpötilassa vaikuttaa salaatin (Lactuca sativa) sopeutumiseen kirkkaaseen valoon. Osoitin salaatin näissä olosuhteissa pystyvän tehokkaasti muuntamaan liiallisen viritysenergian lämmöksi sekä suojamaan PSII:n fotoinhibition korjauskiertoa ylimääräisiltä valovaurioilta. Tämä näyttäisi johtuvan pienen antenniproteiinin, LHCB4:n, spesifisestä fosforylaatiosta ja stressin indusoiman proteiinin, SEP2:n, määrän noususta. Yksityiskohtaisempi analyysi myös paljasti reaktiokeskusproteiini D1:n C-terminaalisen prosessoinnin säätelevän PSII:n korjauskierron tehokkuutta matalan lämpötilan ja kirkkaan valon yhdistelmästressissä. Salaatissa havaitut erityiset säätelymekanismit osoittavat, että kasvien välillä on suurta vaihtelua fotosynteesin suojautumismekanismeissa, riippuen sekä kasvilajista että ympäristöstressistä. Kasvilajien välisten erojen tunnistaminen mahdollistaa parhaiden säätelymekanismien muokkaamisen viljelykasveihin niiden stressinsietokyvyn parantamiseksi.