Rola natężenia i jakości światła w regulacji budowy i funkcji kompleksów tylakoidowych w chloroplastach mezofilowych kukurydzy i grochu

Faza jasna fotosyntezy zachodzi w tylakoidach chloroplastów. Jej funkcją jest absorpcja światła i wykorzystanie jego energii do wytwarzania ATP i siły redukcyjnej NADPH. Podstawowymi mechanizmami stanowiącymi szybką odpowiedź aparatu fazy jasnej chloroplastów do krótkotrwałych oraz stresowych zmian natężenia i jakości światła podczas wzrostu są: (1) migracja oraz organizacja białek antenowych LHCII, (2) aktywność liniowego (LET) i cyklicznego (CET) transportu elektronów, jak również aranżacja kompleksów tylkoidowych w super- i megakomplekach. Są dwa główne typy fotosyntezy C3 i C4. Rośliny o fotosyntezie typu C4, wykazują szereg zmian anatomicznych i biochemicznych zwiększających wydajność fotosyntetyczną i przyrost biomasy. Posiadają dwa typy chloroplastów: granowe mezofilowe, w których zachodzą reakcje fazy zależnej od światła oraz pochew okołowiązkowych, w których zachodzą reakcje świetlne jak i cykl Calvina. Powszechnie sądzono, że przebieg reakcji fazy jasnej jest analogiczny w chloroplastach mezofilowych roślin C3 i C4. Wyższe zapotrzebowanie na ATP roślin C4 niż C3, sugeruje istnienie mechanizmów dostosowujących aparat fazy jasnej do warunków środowiskowych, odmienny niż u roślin C3. Badania przeprowadzono na chloroplastach mezofilowych grochu (C3) oraz kukurydzy (C4), izolowanych z liści roślin rosnących głównie w niskim natężeniu światła (LL, 80 μmol fotonów m-2 s-1). Ponadto, rośliny oświetlano światłem dalekiej czerwieni (FR) wzbudzającym PSI lub światłem o wysokim natężeniu wywołującym warunki stresu świetlnego. Badano szybką odpowiedź aparatu fazy jasnej do zmiennych warunków natężenia i jakości światła w obu typach chloroplastów poprzez: pomiar szybkość transportu elektronów przy użyciu elektrody tlenowej Clarka, w przebiegu LET i poszczególnych ścieżek CET, z wykorzystaniem specyficznych akceptorów elektronów i inhibitorów kompleksów tylakoidowych, (2) określono zmiany w organizacji kompleksów tylakoidowych (fluorescencja w 77K), (3) oznaczono zawartość ATP oraz syntazy ATP, szybkości produkcji ATP, (4) analizowano super- i megakompleksy tylakoidowe (frakcjonowanie, BN-PAGE i SDS-PAGE w połączeniu z immunodetekcją). Udowodniono, że badane chloroplasty wykazują: (1) zróżnicowanie fizjologiczne na poziomie organizacji jak i regulacji reakcji fazy jasnej fotosyntezy, (2) odmienny system regulacji transportu elektronów w zakresie LET i ścieżek CET. Po raz pierwszy wykazano, że enzym PTOX w chloroplastach kukurydzy może pośredniczyć w tworzeniu dodatkowego gradientu protonowego, przyczyniając się do zwiększenia produkcji ATP. Ponadto, potwierdzono, że PTOX w obu typach badanych chloroplastów, pełni znaczącą rolę w regulacji transportu elektronów oraz w szybkiej odpowiedzi na zmieniające się warunki świetlne. Przedstawiono model transportu elektorów dla obu typów chloroplastów w warunkach niskiego natężeniu światła podczas wzrostu oraz po działaniu światła FR. Wykazano, że badane chloroplasty cechują się odmienną aranżacją super- i megakompleksów oraz migracją anten LHCII w procesie „State transitions”. W chloroplastach grochu po działaniu FR, większość anten LHCII odłącza się od PSI i zasila frakcje wolnych lub zagregowanych anten. Natomiast w chloroplastach kukurydzy światło FR nie indukuje całkowitego rozpadu superkompleku PSI-LHCI-LHCII-Lhcb4, zwiększa się pula wolnych anten oraz zachodzi wzrost zawartości frakcji megakompleksów. Przeprowadzone badania pozwoliły na nowe spojrzenie na funkcję i procesy regulacyjne w chloroplastach roślin C3 oraz C4, co może pozwolić w przyszłości odpowiedzieć na pytanie, które czynniki regulacyjne są odpowiedzialne za zwiększenie przewagi fizjologicznej roślin C4 nad C3.

The light-dependent reactions occur in thylakoids and involve the absorption of light energy and its use in the production of an energy currency - ATP and reductant as NADPH compound. The primary mechanisms constituting the rapid response of the apparatus of light-independent reactions to short-term and stressful changes in light intensity and quality during growth are: (1) migration and organization of LHCII antennae, (2) linear (LET) and cyclic (CET) electron transport activity, as well as the arrangement of thylakoid complexes into super- and megacomplexes. There are two main types of photosynthesis: C3 and C4. C4 plants exhibit a series of anatomical and biochemical adjustments that increase photosynthetic efficiency and biomass accumulation. They possess two types of chloroplasts: granal mesophyll chloroplasts, where light-dependent reactions occur and bundle sheath chloroplasts, where both light reactions and the Calvin cycle take place. It was commonly accepted that the light-independent reactions are analogous in mesophyll chloroplasts of C3 and C4 plants. The higher ATP demand of C4 plants compared to C3 suggests the presence of mechanisms adjusting the light phase apparatus to environmental conditions different from those of C3 plants. These studies were conducted on mesophyll chloroplasts of pea (C3) and maize (C4) isolated from plants mainly grown under low light intensity (LL, 80 μmol photons m-2 s-1). Additionally, plants were illuminated with far-red light (FR) preferentially exciting PSI, or with high-intensity light inducing of light stress conditions. The rapid response of the light-dependent reactions apparatus to variable light intensity and quality conditions in both types of chloroplasts was investigated by: measuring the rate of electron transport using a Clark oxygen electrode, in the range of LET and several CET pathways, using specific electron acceptors and inhibitors of thylakoid complexes, (2) determining changes in the organization of thylakoid complexes (77K fluorescence), (3) determining content of ATP and ATP synthase, ATP production rates, (4) the analysis of super- and megacomplexes of thylakoids (fractionation, BN-PAGE and SDS-PAGE combined with immunodetection). It was demonstrated that the studied chloroplasts exhibit: (1) physiological differentiation in the organization and regulation of the light-dependent reactions of photosynthesis, (2) a different electron transport regulation system both in terms of LET electron transport and CET pathways. For the first time, it was shown that the PTOX enzyme in maize chloroplasts may mediate the generation of an additional proton gradient, contributing to increased ATP production. Furthermore, it was confirmed that PTOX in both types of chloroplasts plays a significant role in electron transport regulation and in the rapid response to changes in light conditions. A model of electron transport under low light intensity during growth and after exposure to FR light was presented. It was demonstrated that mesophyll chloroplasts of pea and maize exhibit different arrangements of super- and megacomplexes and LHCII antennae migration in the "State transitions" process. In pea chloroplasts after FR exposure, most of the LHCII antennae detach from PSI and supply free or aggregated antenna fractions. Whereas, in maize chloroplasts, FR light does not induce complete disassembly of the PSI-LHCI-LHCII-Lhcb4 supercomplex, there is an increase in free antenna pool and in fractions of megacomplexes. The conducted studies allowed for a new perspective on the function and regulatory processes in C3 and C4 plant chloroplasts. In the future, this may help answer the question of which regulatory factors are responsible for the physiological advantage of C4 over C3 plants.