P05 –Vergleichende Untersuchungen zur Funktion von KEA3 bei PMF Partitionierung und Photoprotektion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Armbruster
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507704013

Chloroplasten PMF wird durch lichtgetriebenen, protonengekoppelten Elektronentransport über die Thylakoidmembran erzeugt. Dies produziert sowohl ein Membranpotential (∆ψ) als auch einen Protonenkonzentrationsgradienten (∆pH), deren Beiträge zur PMF zum Teil von Thylakoid-Ionentransportprozessen bestimmt werden. Die ∆pH-Komponente der PMF oder, genauer gesagt, die lumenale Protonenkonzentration bestimmt den Anteil der Lichtenergie, welcher für Photochemie genutzt werden kann. Unsere Daten von Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) zeigen, dass der K+-Austausch-Antiporter 3 (KEA3) in der Thylakoidmembran eine grundlegende Rolle für die Flexibilität der Photosynthese von Gefäßpflanzen bei Lichtschwankungen spielt. KEA3 ist in der Lage, den Energiezustand des Chloroplastenstromas zu erkennen und passt als Reaktion darauf die Werte des energieabhängigen Quenching-Mechanismus (qE) an. Wenn der Energiezustand niedrig ist, wird KEA3 aktiviert, um die Protonenkonzentration im Lumen zu verringern und somit qE abzuschalten. Während KEA3 die PMF-Zusammensetzung beeinflusst und die ∆pH-Komponente verringert, scheint es nur geringe Auswirkungen auf die PMF-Größe und damit ihre energetische Funktion zu haben. Zudem konnten wir zeigen, dass eine De-Regulierung der KEA3-Aktivität zu vorübergehend höheren CO2-Fixierungsraten führen kann, was darauf hindeutete, dass KEA3-Regulierung ein mögliches Ziel für die Verbesserung von Photosynthese darstellt. Ein tiefgreifendes Verständnis der KEA3-Regulierung und ihrer Interaktion mit dem komplexen Netzwerk photosynthetischer Reaktionen wird für die weitere Verfolgung dieses Ansatzes von entscheidender Bedeutung sein. Im Rahmen der GoPMF Forschungsgruppe wollen wir unser Wissen über die Funktion von KEA3 bei der PMF-Verteilung und deren Regulierung durch einen vergleichenden Ansatz zu erweitern: (i) Durch Messungen von KEA3-Aktivität bei der einzelligen Alge Chlamydomonas reinhardtii wollen wir evolutionäre Auswirkungen auf die KEA3-Funktion und -Regulierung verstehen, (ii) durch den Vergleich stromaler Energiedynamiken zwischen Arabidopsis und Chlamydomonas wollen wir charakterisieren, wie sich Umweltveränderungen auf den Energiezustand der Chloroplasten auswirken und dies mit KEA3-Aktivität in Verbindung bringen, (iii) durch die Aufdeckung von KEA3-regulierenden Faktoren werden wir Veränderungen im stromalen Energiezustand mit KEA3-Aktivität in Verbindung bringen und schließlich (iv) durch die Expression modifizierter KEA3-Versionen in planta diese Zusammenhänge experimentell bestätigen und unser Wissen über die PMF-Modulation durch KEA3 nutzen, um zu versuchen photosynthetische Leistung und Pflanzenwachstum zu verbessern (siehe auch grafische Zusammenfassung P05). Unsere Arbeit wird ein wesentlicher Bestandteil des Ziels GoPMF 2 sein und zusätzlich zu den Zielen 1, 3, 4 und 5 beitragen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5573: Dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft in der Photosynthese
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor David Mark Kramer, Ph.D.