Bridging the Gap between Short- and Long-Term Light Acclimation  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
140351
Type K
Principal investigator Bernát, Gábor
Title in Hungarian A rövid- és hosszútávú fényakklimáció közötti szakadék áthidalása
Title in English Bridging the Gap between Short- and Long-Term Light Acclimation
Keywords in Hungarian fotoszintézis; cianobaktérium, kromatikus akklimáció, fikobiliszóma, elektrontranszport,
Keywords in English photosynthesis; cyanobacteria; chromatic acclimation; phycobilisomes; electron transport
Discipline
Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Ortelius classification: Hydrobiology
Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences)25 %
Ortelius classification: Algology
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)25 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent HUN-REN Balaton Limnological Research Institute
Participants Kis, Mariann
Somogyi, Boglárka
Starting date 2021-04-01
Closing date 2023-12-31
Funding (in million HUF) 18.387
FTE (full time equivalent) 3.43
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A pályázat fő célkitűzése algák és cianobaktériumok fényakklimációjának vizsgálata, különös tekintettel a rövid- és hosszú távú fényakklimáció kapcsolatára kromatikus akklimáció során. A tervezett kutatások során vizsgálni kívánjuk, hogy (1) rövid- és hosszú távú fényakklimációs folyamatok miként hatnak egymásra, működnek együtt és milyen dinamikát követnek és (2) hogyan járulnak hozzá a fotoszintézishez ill. ezáltal a fotoszintetizáló organizmusok túléléséhez elengedhetetlenül szükséges redox egyensúly fenntartásához változó fényviszonyok mellett. Noha a rövid- és hosszú távú folyamatokról sokat tudunk, a rövid- és hosszú távú folyamatok kapcsolatának vizsgálata égető szükséglet és felfedezésre váró terület, mely nem kapott eddig fontosságának megfelelő figyelmet.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A projekt legfőbb kérdése a különféle rövid- és hosszútávú fényakklimációs folyamatok dinamikája és egymásrahatása kromatikus akklimáció során. Fő hipotézisünk szerint ezen folyamatok összehangoltsága alapvető fontosságú valamennyi oxigénfejlesztő fotoautotróf élőlény természetben való túlélése szempontjából. A projektben az alábbi partikuláris kérdéseket szeretnénk megválaszolni:
1. Hogyan változik az antennaméret és -összetétel a fény megváltozásakor? Hogy változik ugyanekkor a PSII/PSI arány? Milyen összefüggés áll fenn közöttük?
2. Hogyan változik a PSII-n és PSI-en átmenő elektrontranszport, és egyéb kapcsolódó paraméterek a fényátmenet során? Hogyan koordinálódnak ezek a változások? Mikénz függnek össze a fehérje-protein komplexek mennyiségével és sztöchiometriájával? Hol lokalizálódnak ezek sejten belül steady state viszonyok között és a fényátmenet során? Mi történik az elnyelt fotonokkal az átmenet közben?
3. Hogyan változik az egyes rövidtávú fényakklimációs folyamatok hozzájárulása a fényakklimáció során? Mennyire sérülékenyek a sejtek az átmeneti időszakban? Mennyire fontos a megnövelt rövidtávú fényakklimációs képesség az átmenet során? Mi váltja ki, és mi teszi a sejtet alkalmassá gyors válaszokra?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett vizsgálatok fel fogják fedni, miként változnak a fotoszintetikus fénybegyűjtés és elektrontranszport meghatározó paraméterei a fényviszonyok rövid- és hosszú távú változásai során és hogy ezek a változások miként koordinálódnak. A megszerzett ismeretek elősegíthetik az algák és fotoszintetizáló baktériumok változó fényviszonyokhoz való alkalmazkodásának sokkal jobb megértését és elvezethetnek a fényenergiát nagyobb hatásfokkal hasznosító természetes vagy bio-mimetikus rendszerek kifejlesztéséhez a jövőben. Ez egy roppant fontos gyorsan növekvő kutatási-fejlesztési terület az egész világon, amely szorosan kapcsolódik az emberiség energiaproblémáinak fenntartható (CO2-semleges) módon való megoldásához.

Versenytársainkhoz képest előny a témában szerzett előzetes tapasztalat, a személyi és tárgyi feltételek, bele értve ebbe a saját fejlesztésű egyedi alganevelő rendszerünket is. A fényakklimáció szubcelluláris szinten való követése világviszonylatban is új irány.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Túlélni a folyton változó környezetben - e tankönyvi klisé mögött minden esetben bonyolult biológiai szabályó mechanizmusok állnak. A fény, amely a legfontosabb környezeti faktor valamennyi fotoautotróf élőlény (alga, növény) számára, ill. végső energiaforrása valamennyi földi életformának folyamatosan változik - nemcsak szezonálisan és napi szinten, de perces-másodperces időintervallumon is. A különböző élőhelyeken fény spektruma is gyakran változik hely és idő függvényében. A fotoszintetizáló élőlények számos mechanizmust alakítottak ki azért, hogy ezekre a változásokra eredményesen reagáljanak és hatákony fényenergia-hasznosítást érjenek el változó fényviszonyok mellett is. Ezeknek rövid- és hosszútávú szabályozó mechanizmusoknak a kölcsönhatásairól nem sokat tudunk - a tervezett kutatások segítségével ezeket a komplex egymásrahatásokat szeretnénk jobban megismerni. A megszerzett tudás elősegítheti az algák és fotoszintetizáló baktériumok változó fényviszonyokhoz való alkalmazkodásának sokkal jobb megértését és elvezethetnek a fényenergiát nagyobb hatásfokkal hasznosító természetes vagy mesterséges rendszerek kifejlesztéséhez a jövőben. Ez egy roppant fontos gyorsan növekvő kutatási-fejlesztési terület az egész világon, amely szorosan kapcsolódik az emberiség energiaproblémáinak fenntartható (CO2-semleges) módon való megoldásához.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the proposed project is to elucidate the regulation of algal and cyanobacterial light acclimation with special attention to the relationship between short- and long-term acclimation processes during chromatic acclimation. In the proposed study, we intend to examine: (1) how short and long-term processes interplay and (2) how they contribute to maintaining the redox poise of photosynthesis in a changed light colour environment. Bridging the gap between short- and long-term light acclimation processes is long overdue and a new, unexplored direction of the field, which thus far has not reached the attention it deserves.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The key question of the project is the dynamics and interplay of short- and long-term regulatory light-acclimation processes during chromatic acclimation (CA). Our major working hypothesis is that a complex interplay of short- and long-term light acclimation is a general phenomenon in ALL oxygenic photoautotrophs and such dynamic interplay is essential for their survival under rapidly changing light environments in nature. In particular, we would like to answer the following particular questions:
1. How antenna size and composition of change during light transitions? How PSII/PSI ratios change during this transition period? Concomitantly, how cellular pigment content and composition change? How these changes are interrelated?
2. How electron transport through PSI and PSII as well as related photosynthetic parameters change during light transitions and how these changes are coordinated? How they are related to changes in abundance and stoichiometry of photosynthetic pigment-protein complexes? Where they are located within the cells in steady-state and during light transition? What is the fate of absorbed photons during the transition period?
3. What is the individual contribution of various short-term light acclimation processes during the transition period? How vulnerable the cells until a new steady-state reached? Is an enhanced efficiency of short-term light acclimation essential for maintaining photosynthetic activities during light transitions in intensity and/or colour? What triggers this up-regulation and what are the most crucial cellular elements for being capable for quick responses?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned investigations will uncover how light harvesting, electron transport and related photosynthetic parameters change during light transitions and how these changes are coordinated. The gained knowledge will promote understanding algal and cyanobacterial light acclimation and how photosynthetic organisms maintain efficient photon use in changing conditions, and developing natural or bio-inspired systems for effective light-energy utilization and bioproduct production in the future. This is a very important and fast growing field all around the world and is closely related to the need of solving global energy problems by sustainable (CO2-neutral) means.

Our project-related experience, personal and infrastructural research environment (including our custom-developed growth chambers) guarantess the sucess of the planned project and provides a significant advantage as compared to our national and international competitors. Studying light-acclimation processes at sub-cellular level by confocal microscopy is a state-of-the-art new resarch direction.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
To be able to survive in ever-changing environments is a critical biological need, and survival/acclimation strategies rely on complex regulatory processes. Sunlight, which is the most important environmental factor for photoautotrophs such as globally important cyanobacteria and microalgae, and the energy source for most life on Earth, changes continuously – seasonally, daily and also on more rapid time scales. Temporary and spatial changes in light intensities are often accompanied by spectral changes in the available light. Photosynthetic organisms have developed several molecular mechanisms to respond to these changes to optimize their photochemical efficiency and protecting themselves from damage by excess light. There is not much known about the interplay of these long- and short-term light acclimation processes; the planned investigations will provide a deeper insight into this complex interrelationship. The gained knowledge will promote understanding algal and cyanobacterial light acclimation and how photosynthetic organisms maintain efficient photon use in changing conditions, and developing natural or bio-inspired systems for effective light-energy utilization and bioproduct production in the future. This is a very important and fast growing field all around the world and is closely related to the need of solving global energy problems by sustainable (CO2-neutral) means.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A pályázat fő célkitűzése algák és cianobaktériumok fényakklimációjának vizsgálata volt, különös tekintettel a rövid- és hosszú távú fényakklimáció kapcsolatára kromatikus akklimáció során. A kutatások során vizsgáltuk, hogy (1) rövid- és hosszú távú fényakklimációs folyamatok miként hatnak egymásra, működnek együtt és milyen dinamikát követnek és (2) hogyan járulnak hozzá a fotoszintézishez ill. ezáltal a fotoszintetizáló organizmusok túléléséhez elengedhetetlenül szükséges redox egyensúly fenntartásához változó fényviszonyok mellett. Vizsgálataink során értékes információkat nyertünk édesvízi (Cyanobium gracile, Synechocystis sp. PCC 6803) és nitrogénkötő tengeri (Crocosphaera watsonii, Cyanothece sp. ATCC 51142) cianobaktériumok ill. fonalas zöldalgák (Klebsormidium sp.) környezeti- ill. fényakklimációjáról. A nyert adatokból a fotoszintetikus működést és tápanyagforgalmat leíró matematikai modelleket alkottunk. Eredményeinket rangos nemzetközi folyóiratokban jelentettük meg: a jelentéskészítés idejéig 12 tudományos közleményünk jelent meg vagy került elfogadásra a projekt támogatásával.
Results in English
The main goal of the proposed project was to elucidate the regulation of algal and cyanobacterial light acclimation with special attention to the relationship between short- and long-term acclimation processes during chromatic acclimation. In the project we examined: (1) how short and long-term processes interplay and (2) how they contribute to maintaining the redox poise of photosynthesis in a changed light environment. By our investigations, we obtained valuable information on the environmental and light acclimation of various freshwater (Cyanobium gracile, Synechocystis sp. PCC 6803) and marine diazotrophic (Crocosphaera watsonii, Cyanothece sp. ATCC 51142) cyanobacterial strains as well as of a filamentous green alga (Klebsormidium sp.). From the obtained data, we created mathematical models describing the light color dependence of photosynthetic functions and nutrient circling. We have published our results in high-rank scientific journals: up to date 12 of our scientific papers have been published or accepted with the financial support of the project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=140351
Decision
Yes





 

List of publications

  
Greipel E, Kósa A, Böddi B, Bakony M, Bernát G, Felföldi T, Preininger É, Kutasi J: Extraction of chlorophyll a from Tetradesmus obliquus – a method upgrade., Biol. Fut. ONLINE FIRST doi: 0.1007/s42977-024-00209-3, 2024
Futó P, Kutasi J, Lengyel E, Futó M, Murvai N, Jancsó M, Bernát G: Straightforward method for brassinosteroid detection in microalgae, Acta Physiol. Plant. ONLINE FIRST doi: 10.1007/s11738-024-03649-5, 2024
BERNÁT G, BOROSS N, VÖRÖS L, G.-TÓTH L, BOROS G: Oligotrophication of Lake Balaton over a 20-year period and its implications on the relationship between phytoplankton and zooplankton biomass, In: Perić, MS; et al. (szerk.) SEFS11 Abstract book, (2019) p. 2019., 2019
Bernát Gábor, Boross Nóra, Somogyi Boglárka, Vörös Lajos, G.-Tóth László, Boros Gergely: Oligotrophication of Lake Balaton over a 20-year period and its implications for the relationship between phytoplankton and zooplankton biomass, HYDROBIOLOGIA 847: pp. 3999-4013., 2020
Somogyi Boglárka, Felföldi Tamás, G.-Tóth László, Bernát Gábor, Vörös Lajos: Photoautotrophic picoplankton – a review on their occurrence, role and diversity in Lake Balaton, BIOLOGIA FUTURA 71: (4) pp. 371-382., 2020
Bernát Gábor, Zavřel Tomáš, Kotabová Eva, Kovács László, Steinbach Gábor, Vörös Lajos, Prášil Ondřej, Somogyi Boglárka, Tóth Viktor R.: Photomorphogenesis in the Picocyanobacterium Cyanobium gracile Includes Increased Phycobilisome Abundance Under Blue Light, Phycobilisome Decoupling Under Near Far-Red Light, and Wavelength-Specific Photoprotective Strategies, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 12: 612302, 2021
Tomáš Zavřel, Anna Segečová, László Kovács, Martin Lukeš, Zoltán Novák, Milán Szabó, Boglárka Somogyi, Ondřej Prášil, Jan Červený, Gábor Bernát: Photo-physiological Acclimation in Synechocystis sp. PCC 6803 Provides Insight into Growth Limitation in Underwater Spectra, , 2023
Tobias Pfennig, Elena Kullmann, Tomáš Zavřel, Andreas Nakielski, Oliver Ebenhöh, Jan Červený, Gábor Bernát, Anna Matuszyńska: Shedding Light On Blue-Green Photosynthesis: A Wavelength-Dependent Mathematical Model Of Photosynthesis In Synechocystis sp. PCC 6803, , 2023
Futó Péter, Lengyel Edina, Futó Máté, Németh Zoltán, Pirger Zsolt, Komáromy András, Padisák Judit, Felföldi Tamás, Kutasi József, Bernát Gábor: Ecophysiological characterisation of a Klebsormidium strain isolated from a cave environment, JOURNAL OF APPLIED PHYCOLOGY &: p. &., 2023
Lengyel Edina, Stenger-Kovács Csilla, Boros Gergely, Al-Imari Tiba Jassam Kaison, Novák Zoltán, Bernát Gábor: Anticipated impacts of climate change on the structure and function of phytobenthos in freshwater lakes, ENVIRONMENTAL RESEARCH 238: p. 117283., 2023
Masuda Takako, Inomura Keisuke, Gao Meng, Armin Gabrielle, Kotabová Eva, Bernát Gábor, Lawrenz-Kendrick Evelyn, Lukeš Martin, Bečková Martina, Steinbach Gábor, Komenda Josef, Prášil Ondřej: The balance between photosynthesis and respiration explains the niche differentiation between Crocosphaera and Cyanothece, COMPUTATIONAL AND STRUCTURAL BIOTECHNOLOGY JOURNAL 21: pp. 58-65., 2023
Polerecky Lubos, Masuda Takako, Eichner Meri, Rabouille Sophie, Vancová Marie, Kienhuis Michiel V. M., Bernát Gabor, Bonomi-Barufi Jose, Campbell Douglas Andrew, Claquin Pascal, Červený Jan, Giordano Mario, Kotabová Eva, Kromkamp Jacco, Lombardi Ana Teresa, Lukeš Martin, Prášil Ondrej, Stephan Susanne, Suggett David, Zavřel Tomas, Halsey Kimberly H.: Temporal Patterns and Intra- and Inter-Cellular Variability in Carbon and Nitrogen Assimilation by the Unicellular Cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 12: 620915, 2021
Bernát Gábor, Zavřel Tomáš, Kotabová Eva, Kovács László, Steinbach Gábor, Vörös Lajos, Prášil Ondřej, Somogyi Boglárka, Tóth Viktor R.: Photomorphogenesis in the Picocyanobacterium Cyanobium gracile Includes Increased Phycobilisome Abundance Under Blue Light, Phycobilisome Decoupling Under Near Far-Red Light, and Wavelength-Specific Photoprotective Strategies, FRONTIERS IN PLANT SCIENCE 12: 612302, 2021
Rabouille Sophie, Campbell Douglas A., Masuda Takako, Zavřel Tomáš, Bernát Gábor, Polerecky Lubos, Halsey Kimberly, Eichner Meri, Kotabová Eva, Stephan Susanne, Lukeš Martin, Claquin Pascal, Bonomi-Barufi José, Lombardi Ana Teresa, Červený Jan, Suggett David J., Giordano Mario, Kromkamp Jacco C., Prášil Ondřej: Electron & Biomass Dynamics of Cyanothece Under Interacting Nitrogen & Carbon Limitations, FRONTIERS IN MICROBIOLOGY 12: 617802, 2021
Inomura Keisuke, Masuda Takako, Eichner Meri, Rabouille Sophie, Zavřel Tomáš, Červený Jan, Vancová Marie, Bernát Gábor, Armin Gabrielle, Claquin Pascal, Kotabová Eva, Stephan Susanne, Suggett David J., Deutsch Curtis, Prášil Ondřej: Erratum to “Quantifying Cyanothece growth under DIC limitation” [Comput. Struct. Biotechnol. J. 19 (2021) 6456–6464], COMPUTATIONAL AND STRUCTURAL BIOTECHNOLOGY JOURNAL 20: p. 385., 2022
Inomura Keisuke, Masuda Takako, Eichner Meri, Rabouille Sophie, Zavřel Tomáš, Červený Jan, Vancová Marie, Bernát Gábor, Armin Gabrielle, Claquin Pascal, Kotabová Eva, Stephan Susanne, Suggett David J., Deutsch Curtis, Prášil Ondřej: Quantifying Cyanothece growth under DIC limitation, COMPUTATIONAL AND STRUCTURAL BIOTECHNOLOGY JOURNAL 19: pp. 6456-6464., 2021
Szabó-Tugyi Nóra, Vörös Lajos, V.-Balogh Katalin, Botta-Dukát Zoltán, Bernát Gábor, Schmera Dénes, Somogyi Boglárka: Aerobic anoxygenic phototrophs are highly abundant in hypertrophic and polyhumic waters, FEMS MICROBIOLOGY ECOLOGY 95: (8) fiz104, 2019
Bernát Gábor, Boross Nóra, Somogyi Boglárka, Vörös Lajos, G.-Tóth László, Boros Gergely: Oligotrophication of Lake Balaton over a 20-year period and its implications for the relationship between phytoplankton and zooplankton biomass, HYDROBIOLOGIA Online first: p. &., 2020
Bullerjahn George S., McKay Robert Michael L., Bernát Gábor, Prášil Ondřej, Vörös Lajos, Pálffy Károly, Tugyi Nóra, Somogyi Boglárka: Community dynamics and function of algae and bacteria during winter in central European great lakes, JOURNAL OF GREAT LAKES RESEARCH 46: (4) pp. 732-740., 2020
Somogyi Boglárka, Felföldi Tamás, G.-Tóth László, Bernát Gábor, Vörös Lajos: Photoautotrophic picoplankton – a review on their occurrence, role and diversity in Lake Balaton, BIOLOGIA FUTURA, 2020




 

Events of the project

  
2022-08-15 13:07:16
Résztvevők változása



Back »