Structural role of carotenoids in self-organization of plastid inner membranes

Sieć wewnętrznych błon plastydów stanowi złożony układ białkowo-lipidowo-barwnikowy, zdolny do samoorganizacji i dynamicznych przekształceń w czasie ontogenezy rośliny i w odpowiedzi na czynniki środowiskowe. W ciemności, w etioplastach tworzy się parakrystaliczny układ błon ciała prolamellarnego (PLB). Po ekspozycji na światło, sieć ta przekształca się bezpośrednio w układy lamellarne tylakoidów, tworząc ścieśnione regiony gran i połączone z nimi helikalnie tylakoidy stromy. Znaczenie lipidów polarnych i białek w tworzeniu i stabilizacji struktury błon plastydów jest szeroko badane. Strukturalna rola karotenoidów, lipofilowych barwników niezbędnych w procesie fotosyntezy, pozostawała jednak nadal niejasna. Karotenoidy zlokalizowane są w dwóch odrębnych frakcjach błon plastydowych; jako składniki kompleksów fotosyntetycznych modulują ich funkcję, a karotenoidy znajdujące się bezpośrednio w dwuwarstwie lipidowej wpływają na jej właściwości fizykochemiczne. Podwójna lokalizacja karotenoidów i ich powszechne występowanie wskazują na istotną rolę w samoorganizacji sieci błon plastydowych. W niniejszej pracy zostały wykorzystane mutanty Arabidopsis thaliana o zaburzonym składzie karotenoidów w celu zbadania znaczenia tych cząsteczek w procesie tworzenia parakrystalicznej struktury PLB w etioplastach oraz lamellarnych układów tylakoidów gran i stromy w chloroplastach. Wykazano kluczową rolę beta-ksantofili w utrzymywaniu parakrystalicznej struktury PLB oraz synergistyczną rolę luteiny i beta-karotenu w procesie fałdowania gran. Ponadto zaobserwowano nietypowy dla chloroplastowych tylakoidów stromy układ przestrzenny typu „gyroidu”, którego obecność powiązano z podwyższonym poziomem zeaksantyny zarejestrowanym w tej frakcji błonowej. Stwierdzono, że skład karotenoidów nie odgrywa istotnej roli w procesie transformacji układów tubularnych w lamellarne podczas biogenezy chloroplastu. W celu przeprowadzenia dokładnej jakościowej i ilościowej analizy periodycznych układów błonowych na podstawie obrazu mikroskopowego, zaprojektowano i wdrożono narzędzie programowe – SPIRE (Surface Projection Image Recognition Environment). Opracowano również procedurę wydajnej analizy układów błonowych i zastosowano ją do identyfikacji struktury PLB roślin okrytozalążkowych jako powierzchni typu „diamentu”. Otrzymane wyniki wskazały, że modelowanie komputerowe systemu wewnętrznych periodycznych błon może być alternatywne do metody tomografii komputerowej. Rozpoznanie roli jaką poszczególne karotenoidy odgrywają w samoorganizacji wewnętrznych błon plastydów, będące przedmiotem niniejszej rozprawy, znacząco poszerza wiedzę o tym złożonym wewnątrzkomórkowym procesie.

Internal plastid membrane network is a complex assembly of protein-lipid-pigment components that can self-organize and dynamically rearrange during plant ontogenesis as well as in response to environmental factors. In the darkness, a paracrystalline periodic membrane structure of a prolamellar body (PLB) forms in etioplasts. After light exposure, it transforms directly into a lamellar chloroplast thylakoid network, forming appressed grana regions helically connected with stroma thylakoid lamellae. The role of polar lipid and protein components in the formation and maintenance of such intricate membrane arrangements has been studied extensively. However, the influence of carotenoid components, lipophilic pigments necessary for photosynthetic activity, on the ultrastructure of the internal plastid membrane network has remained elusive. Carotenoids are localized in two distinctive fractions of plastid membranes. As a component of pigment-protein photosynthetic complexes, carotenoids modulate their function and directly in the lipid bilayer - influence physicochemical properties of the membrane. Such double localization and abundance indicate that caretonoids may play an important role in the self-organization of the plastid membrane network. In this thesis, several carotenoid-deficient Arabidopsis thaliana mutants were used to investigate the importance of carotenoids in the formation of the paracrystalline membrane structure of PLB in etioplasts and lamellar arrangement of grana and stroma thylakoids in chloroplasts. A key role of beta-xantophylls in the maintenance of PLB paracrystallinity and a synergistic role of lutein and beta-carotene in grana membrane folding was shown. Moreover, an unusual stroma thylakoid configuration resembling Schoen G type (gyroid) was observed and linked to the increased level of zeaxanthin in this membrane compartment. It was shown that carotenoid composition plays no significant role in the tubular to lamellar rearrangement during the chloroplast biogenesis process. A novel software tool – SPIRE (Surface Projection Image Recognition Environment) was developed and implemented to aid the qualitative and quantitative analysis of the intricate plastid membrane structure. An efficient workflow for the membrane pattern matching was proposed and used to identify spatial PLB geometry in angiosperms as a Schwarz D (diamond) type. The results of this thesis proved that computational 3D modeling of internal periodic membrane systems can be an alternative to electron tomography. The identification of the role which particular carotenoids play in the self-organization of the plastid inner-membrane network described in the thesis significantly extends the knowledge of this complex cellular process.