A novel pathway of STN7 kinase activation and its importance in the bean's response to Iow temperature stress

Błony tylakoidowe są niezwykle plastyczne, zarówno pod względem struktury, jak i funkcji. Potrafią szybko dostosowywać się do zmiennych warunków środowiskowych poprzez zmiany w swojej strukturze, zawartości białek i barwników oraz poprzez różne modyfikacje potranslacyjne białek tylakoidowych. Fosforylacja białek LHCII jest jednym z najważniejszych procesów związanych z takimi dostosowaniami. W niniejszej pracy wykorzystano rośliny o różnej wrażliwości na chłód, aby zbadać rolę fosforylacji LHCII i procesu state transitions w odpowiedzi roślin na niską temperaturę. Badania prowadzone były z wykorzystaniem roślin tolerujących działanie chłodu: grochu zwyczajnego (Pisum sativum) i typu dzikiego (Col-0) Arabidopsis thaliana, oraz roślin chłodowrażliwych: fasoli wielokwiatowej (Phaseolus coccineus) i mutanta chs2-1 Arabidopsis (chilling sensitive 2). Wykorzystano również mutanty Arabidopsis o zaburzonym procesie fosforylacji LHCII: stn7-1 oraz tap38-2, odpowiednio pozbawione fosforylacji i defosforylacji LHCII. Odpowiedź roślin na niską temperaturę została zbadana przy użyciu dwóch różnych modeli eksperymentalnych: chłodzenia w ciemności odciętych liści lub rozet, oraz chłodzenia w ciemności całych roślin w warunkach zimnej nocy. Zbadano fosforylację LHCII w warunkach chłodu w ciemności u roślin wrażliwych i tolerujących działanie chłodu, a także lokalizację ufosforylowanych kompleksów LHCII w błonach tylakoidowych. Fosforylacja LHCII wywołana chłodzeniem w ciemności została zaobserwowana tylko u chłodowrażliwej fasoli. U fasoli zaobserwowano również aktywację procesu state transitions wraz z formowaniem superkompleksu PSI-LHCI-LHCII, a analogiczne zmiany w organizacji kompleksów fotosyntetycznych wykazano dla chłodowrażliwego mutanta Arabidopsis. Przypuszcza się, że równowaga redoks w błonach tylakoidowych pełni istotną funkcję we wrażliwości roślin na niską temperaturę. Wykazano, że chłodzenie w ciemności powoduje aktywację różnych procesów metabolicznych oraz enzymów, takich jak oksydacyjny szlak pentozofosforanowy, kompleks dehydrogenazy-NADPH (NDH) czy pirofosforylaza ADP-glukozy. Aktywność wszystkich tych enzymów jest regulowana w ciemności przez NADPH-zależną reduktazę tioredoksynową C (NTRC), której zaburzona aktywność w warunkach chłodu w ciemności może odgrywać kluczową rolę w odpowiedzi fasoli na stres niskiej temperatury. Ponadto, scharakteryzowano wieloetapowy szlak aktywacji kinazy STN7 indukowany chłodem w ciemności u chłodowrażliwej fasoli. Udowodniono, że aktywacja kinazy STN7 jest możliwa dzięki niefotochemicznej redukcji plastochinonu, realizowanej w tych warunkach przez kompleks NDH.

Thylakoid membranes are extremely flexible in terms of both structure and function. They can rapidly adjust to fluctuating environmental conditions changing their structure, the content of proteins and pigments, and various posttranslational modification of thylakoids’ proteins. LHCII phosphorylation is one of the most important processes involved in such adjustments. In this thesis, plants with different chilling sensitivities were used to investigate the role of LHCII phosphorylation and state transitions in plants’ chilling response. The research was conducted with the use of chilling-tolerant (CT) plants: garden pea (Pisum sativum) and wild type (Col-0) Arabidopsis thaliana, as well as chilling-sensitive (CS) plants: runner bean (Phaseolus coccineus) and the chs2-1 mutant of Arabidopsis (chilling sensitive 2). Arabidopsis mutants with disturbed LHCII phosphorylation process were also used: stn7-1 and tap38-2, lacking LHCII phosphorylation and dephosphorylation, respectively. Plants’ response to chilling stress was investigated using two different experimental models: dark-chilling of detached leaves and rosettes, and dark-chilling of whole plants during the cold night period. The LHCII phosphorylation pattern under dark-chilling conditions in CS and CT plants species was investigated, as well as the location of phosphorylated LHCII complexes in the thylakoid membrane. Dark-chilling-induced LHCII phosphorylation was observed only for CS bean. Activation of state transition, together with the formation of PSI-LHCI-LHCII supercomplex was noticed for CS bean, and corresponding changes in photosynthetic complexes organization in CS mutant of Arabidopsis were also observed. The redox balance in thylakoid membranes was suggested to be a major player in the plant’s chilling sensitivity. It was shown that dark-chilling triggers the activation of various metabolic processes and enzymes, like the oxidative pentose phosphate pathway, NADPH dehydrogenase complex (NDH), or ADP-glucose pyrophosphorylase. The activity of all these enzymes is regulated in the dark by NADPH-dependent thioredoxin reductase C (NTRC), which disturbed activity under dark-chilling conditions might have a key role in the bean’s response to chilling stress. Furthermore, a multi-step pathway of dark-chilling-induced activation of STN7 kinase in CS bean was characterized. It was established that STN7 activation is possible due to the nonphotochemical reduction of the plastoquinone pool, executed by the NDH complex.