The significance of photosystem II supercomplexes in light acclimation of Arabidopsis thaliana

• Applicant: Dr. Lars Dietzel
• Subject Area: Plant Physiology ; Plant Biochemistry and Biophysics
• Term: from 2013 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 239465926

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Die Energiefixierung durch photosynthetisch aktive Organismen ist einer der biologisch relvevantesten Prozesse auf unserem Planeten. Am Modellorganismus, Arabidopsis thaliana, sollte in diesem Projekt die Regulation des sauerstoffproduzierenden Photosystem II in Hinblick auf dessen Fähigkeit, verschiedene Formen von Superkomplexen auszubilden und lichtabhängig zu regulieren, untersucht werden. Drei Hauptthesen lagen dem Projekt zugrunde: i) Psb27 ist ein Hauptfaktor in der Bildung der PSII-Superkomplexe und bindet an das zentrale PSII-Protein CP43. In unseren in vivo und in vitro Bindestudien konnte keine Bindung von Psb27 an CP43 nachgewiesen werden. Western-Immuno-Assays nach (2D) blue-native Gelelektrophoresen belegen, dass Psb27 sehr gut an nicht-funktionelle PSII-Assemblierungsvorstufen und PSII- Monomere bindet. PSII Superkomplexe werden hingegen kaum gebunden. Immuno-Assays zeigen, dass das PSII-Zentrumsprotein D1 der beste Kandidat für die Psb27-Bindung ist. Zusätzliche Studien deuten darauf hin, dass präferenziell phosphoryliertes D1 gebunden wird, welches hauptsächlich in Folge einer photooxidativen Schädigung des PSII (Photoinihibition) entsteht. Somit kann eine Rolle von Psb27 in der Regulation der PSII-Superkomplexe unter limitierenden Lichtbedingungen ausgeschlossen werden. Diese neueren Erkenntnisse können den Phänotyp der psb27-Mutante aus der Erstbeschreibung von Chen et al. (2006) erklären und fügen sich mit den Ergebnissen von Hou et al. (2015) zu einem genaueren Gesamtbild zusammen: Psb27 bindet (phosphoryliertes) D1 aus einem photoinhibierten PSII-Komplex um dieses der sog. PSII-Reparatur zuzuführen. ii) CP43 wird an mehreren Stellen lichtabhängig phosphoryliert und induziert strukturelle Veränderungen in den PSII-Superkomplexen. Wir konnten durch Phosho-Protein-Retardierungsassays (Phostag™) zeigen, dass CP43 mehrfach (1-3-fach) phosphoryliert vorliegt. Schonende Trennung der PSII-Komplexe über Saccharose-Dichtegradienten zeigt eine verstärkte CP43-Phosphorylierung in den PSII-Superkomplexen. Der Phosphorylierungsgrad von CP43 beträgt nach Kinaseaktivierung beträgt hier fast 100%. Zusammen mit theoretischen elektrostatischen Berechnungen von Puthiyaveetil et al. (2017) lässt sich die These untermauern, dass CP43-Phosphorylierung einen starken Einfluss auf die Struktur und Funktion der PSII-Superkomplexe hat. iii) PSII-Remodelling ist wichtig für Photosynthese-Regulation hat deswegen Einfluss auf Pflanzenwachstum unter wechselnden Schwachlichtbedingungen. Diese Frage war und ist am schwersten eindeutig zu beantworten. Mit dem ersten Ansatz unter Verwendung von Leuchtstoffröhren unterschiedlicher Lichtqualität konnte gezeigt werden, dass es lichtabhängiges PSII-Remodelling gibt, dies auf Phosphorylierung von PSII-Untereinheiten basiert. Die Kinetik der PSII-Phosphorylierung, welche zu kleineren PSII- Superkomplexen führt, verläuft mit weniger als einer Stunde etwa 10-mal schneller als die dephosphorylierungsabhängige Bildung größerer PSII-Superkomplexe. Quantitative Bestimmung der Parameter der Pflanzenfitness, wie z.B. Samenanzahl oder Biomasse gestaltete sich schwierig. Erst die Etablierung eines steuerbaren LED-Systems ermöglichte uns, unterschiedliche Lichtqualitäten mit nahezu identischen photosynthetischen Photonenflussraten zu erzeugen. Mit diesem System können sowohl qualitative Änderungen der PSII-Superkomplexstruktur als auch quantitative Änderungen in den untersuchten Pflanzen, wie z.B. Biomasseakkumulation bestimmt werden.

Publications

• (2015) Light signaling in photosynthetic eukaryotes with ‚green‘ and ‚red‘ chloroplasts. Environ. Exp. Bot. 114: 30–47
  Lepetit B, Dietzel L
  
• (2015) Production of ketocarotenoids in tobacco alters the photosynthetic efficiency by reducing photosystem II supercomplex and LHCII trimer stability. Photosynth. Res. 123: 157–165
  Röding A, Dietzel L, Schlicke H, Grimm B, Sandmann G, Büchel C
  
• (2016) Light-harvesting Complexes (LHCs) Cluster Spontaneously in Membrane Environment Leading to Shortening of Their Excited State Lifetimes. J. Biol. Chem. 291: 16730–16739
  Natali A, Gruber JM, Dietzel L, Stuart MCA, van Grondelle R, Croce R
  
• (2016) PhostagTM-gel retardation and in situ thylakoid kinase assay for determination of chloroplast protein phosphorylation targets. Endocyt. Cell Res. 27: 62–70
  Dytyuk Y, Flügge F, Czarnecki O, Grimm B, Dietzel L
  
• (2016) The changing role of the small PSII subunits Psb27 and Psb28. Endocyt. Cell Res. 27: 22–28
  Flügge F, Dietzel L
  
• (2018) Isolating and Incorporating Light-Harvesting Antennas from Diatom Cyclotella Meneghiniana in Liposomes with Thylakoid Lipids. J. Vis. Exp.
  Pieper K, Gundermann K, Dietzel L