Termo-optically induced structural changes in photosynthetic systems  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
63252
Type K
Principal investigator Garab, Győző
Title in Hungarian Termo-optikai szerkezetváltozások fotoszintetikus rendszerekben
Title in English Termo-optically induced structural changes in photosynthetic systems
Keywords in Hungarian fotoszintézis, kloroplasztisz, LHCII, spektroszkópia, mikroszkópia, hőmérsékletfüggés, fényadaptáció
Keywords in English photosynthesis, chloroplasts, LHCII, spectroscopy, mikroscopy, temperature dependence, light adaptation nyadaptáció
Discipline
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)60 %
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)35 %
Crop protection (Council of Complex Environmental Sciences)5 %
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants Jávorfi, Tamás
Kovács, László
Krunova, Sashka
Mustárdy, László
Steinbach, Gábor
Várkonyi, Zsuzsanna
Zsíros, Ottó
Starting date 2006-02-01
Closing date 2010-01-31
Funding (in million HUF) 15.948
FTE (full time equivalent) 8.53
state closed project
Summary in Hungarian
A pályázat fő célkitűzése az, hogy feltárja a termo-optikai szerkezetváltozások fizikai-molekuláris mechanizmusának részleteit, a szerkezetváltozások pontos természetét és fiziológiai jelentőségét különböző természetes és mesterséges fotoszintetikus rendszerekben. A biológiai termo-optikai mechanizmus létére és működésére néhány évvel ezelőtt állítottunk fel hipotézist. Bevezetését azért javasoltuk, hogy magyarázzuk azt a váratlan megfigyelésünket, hogy egy, a fotoszintézis fénybegyűjtését végző antennakomplex, az LHCII, fényindukált reverzibilis szerkezetváltozásokra is képes. (Az LHCII a Bioszféra legnagyobb mennyiségben előforduló membránfehérje komplexe). Az elmúlt években számos bizonyítékot szolgáltattunk termo-optikai szerkezetváltozások létezésére és megmutattuk, hogy ezeknek a változásoknak nagy valószínűséggel fontos szerepük van a növények fényadaptációs és fotoprotektív regulációs mechanizmusaiban; a szakirodalomban is megerősítést kaptunk néhány munkacsoporttól. Mindazonáltal számos alapvető kérdés még tisztázásra vár. Ezek szisztematikus tanulmányozására kérünk lehetőséget az OTKA-tól, mely egyúttal biztosítaná az EU FP6 Marie Curie Training Programban való sikeres részvételünket ugyanezen témakörben.
Summary
In the proposed project we would like to uncover the details of the physical-molecular mechanism of the thermo-optically inducible structural changes in native and artificial photosynthetic systems; we would also like to clarify the nature of the structural changes, as well the physiological significance of this novel mechanism. The biological thermo-optic effect was proposed by us, several years ago, based on the unexpected observation that LHCII, the main light harvesting complex of plants (which is the most abundant membrane protein complex in the Biosphere), is capable of undergoing light-induced reversible structural changes. In the past several years, we have provided evidence, numerous experimental data and theoretical model, for the existence of these changes and of the thermo-optic mechanism in photosynthesis; the presently available data, including literature data along these lines from other laboratories, strongly suggest that this mechanism plays a role in the light adaptation and photoprotection of plants. Nevertheless, a number of basic questions are yet to be answered on this area. We ask the support of OTKA to achieve these goals, and also to help us in participating in the EU FP6 Marie Curie Training Program (INTRO2) on this field.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásaink feltárták a korábban a laboratóriumunkban elsőként leírt biológiai termo-optikai effektus fizikai/molekuláris hátterének fontos sajátságait és az ezzel a mechanizmussal indukálható szerkezetváltozások természetét és fiziológiai jelentőségét valamint ezek szerkezeti hátterének fontos elemeit különböző fotoszintetikus fénybegyűjtő antenna rendszerekben ill. membránokban. Meghatároztuk a gerjesztési energia disszipációjából származó hőcsomagok szétoszlásának ultragyors kinetikáját. Megállapítottuk, hogy termo-optikailag kiváltható szerkezetváltozások több, egymástól jelentősen eltérő felépítésű antennarendszerben is megfigyelhetők. Eredményeink megerősítették azt a korábbi feltételezésünket, hogy a termo-optikai szerkezetváltozások fontos szerepet játszanak fényadaptációs és fotoprotektív regulációs mechanizmusokban. Feltártuk - a Bioszféra legelterjedtebb membrárendszerének - gránumos tilakoid membránoknak a 3 dimenziós szerkezetét. Vizsgálataink elsőként derítettek fényt arra, hogy intakt, funkcionális tilakoid membránok lipid fázis viselkedése egyetlen, kettősréteg struktúrával nem írható le, ami alapvetően befolyásolhatja a tilakoid membrán dinamikai sajátságait.
Results in English
We have elucidated important elements of the physical/molecular basis of the biological thermo-optic effect, which had been described first in our laboratory, and revealed the nature, physiological significance and structural background of thermo-optically inducible reorhganizations in different photosynthetic light harvesting antennae and membranes. We have determined the 'spreading' kinetics of the heat-package induced by the dissipation of excess excitation energies. We have shown that thermo-optically induced reorganizations occur in different antenna systems with different molecular organizations. We have confirmed our assumption that these reorganizations play important roles in the regulatory processes of light adaptation and photoprotection of plants. We have revealed the 3 dimensional membrane organization of the granal thylakoid membranes, the most abundant membrane system of the Biosphere. We have shown, for the first time, that the lipid phase behavior of intact functional thylakoid membranes cannot be described by assuming a single phase, the bilyer organization of the lipids; this might have improtant consequences on the dynamic features of thyalkoid membranes.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=63252
Decision
Yes





 

List of publications

  
Krumova B.S., Laptenok P.S., Kovacs L., Toth T., van Hoek A., Garab G., van Amerongen H.: Digalactosyl-diacylglycerol-deficiency lowers the thermalstability of thylakoidmembranes, Photosynthesis Research DOI. 10.1007/s11120-010-9581-5, 2010
Krumova B.S.: The role of lipids in the global organozation of thylakoid membranes of higher plants, Ph.D. Thesis, 2009
Steinbach G.,Pomozi I., Jánosa D.P., Makovitzky J., Garab G.: Confocal Fluorescence Detected Linear Dichroism Imaging of Isolated Human Amyloid Fibrils. Role of Supercoiling, Journal of Fluorescence, 2010
Garab G., Pomozi I.: Differenciálpolariyációs kiegészítő mérőegység léyerpásztázó mikroszkópokhozConfocal Fluorescence Detected Linear Dichroism Imaging of Isolated Human Amyloid Fibrils. Role of Supercoiling, Szabadalmi bejelentés, 2007
Krumova SB., Dijkema C., van Amerongen H., Garab G.: Polymorphic lipid phase behavior of spinach thylakoid membranes: Modulation by temperature, light and pH, CHEMISTRY AND PHYSICS OF LIPIDS 143 (1-2): 80-80 SEP 2006, 2006
Sas KN., Kovacs L., Zsiros O., Gombos Z., Garab G., Hemmingsen L., Danielsen E.: Fast cadmium inhibition of photosynthesis in cyanobacteria in vivo and in vitro studies using perturbed angular correlation of gamma-rays, JOURNAL OF BIOLOGICAL INORGANIC CHEMISTRY 11 (6): 725-734 SEP 2006, 2006
Gulbinas V., Karpicz R., Garab G., Valkunas L.: Nonequilibrium heating in LHCII complexes monitored by ultrafast absorbance transients, BIOCHEMISTRY 45 (31): 9559-9565 AUG 8 2006, 2006
Jávorfi T., Erostyák J., Gál J., Buzády A., Menczel L., Garab G., Naqvi KR.: Quantitative spectrophotornetry using integrating cavities, JOURNAL OF PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY B-BIOLOGY 82 (2): 127-131 FEB 1 2006, 2006
Garab G.: Thermo-Optic Reorganizations in Light-Harvesting Antennae, Photosynthesis is the Post-Genomic Era: Structure and Funtcion of Photosynthesis, Pushchino 2006. aug. 20-26., 2006
Lambrev P., Várkonyi Zs., Krumova S., Busheva M., Garab G.: Importance of Trimer-Trimer Interactions in the Native State of LHCII, Photosynthesis in the Post-Genomic Era: Structure and Funtcion of Photosynthesis, Pushchino 2006. aug. 20-26., 2006
Krumova S., Dijkema C., Garab G. van Amerongen H.: Polymorphic Lipid Phase Behavior in SpinachThylakoid Membranes, Modulation by Temperature, Light and pH, Photosynthesis in the Post-Genomic Era: Structure and Funtcion of Photosynthesis, Pushchino 2006. aug. 20-26., 2006
Szabó M., Lepetit B., Goss R., Wilhelm Ch., Garab G.: Macromolecular organization of thylakoid membranes in the diatom Phaeodactylum tricornutum, Intro2 Network on Photosystem II, International Workshop, Nonphotochemical Questing and Photoprotection in Photosystem II. Parsberg, 24-27.September, 2006
Várkonyi Zs., Kiss A., Lambrev P., Busheva M., Garab G.: Phosphorylation enhances the structural flexibility of thilakoid membranes, Intro2 Network on Photosystem II, International Workshop, Nonphotochemical Questing and Photoprotection in Photosystem II. Parsberg, 24-27.September 2006., 2006
Stoitchkova K., Zsiros O., Jávorfi T., Páli T., Andreeva A, Gombos Z., Garab G.: Thermo-Opticaly Induced Changes in the Antenna System of Cyanobacteria, Intro2 Network on Photosystem II, International Workshop, Nonphotochemical Quenching and Photoprotection in Photosystem II, Parsberg, 24-26 September 2006., 2006
M. Szabó, B. Lepetit, R. Goss, C. Wilhelm, L. Mustárdy, G. Garab: Structurally flexible macro-organization of the pigment–protein complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum, Photosynth Res, 95:237-245, 2007
Toth SZ, Kovacs L, Puthur J, Garab G.: Do alternative electron donors protect heat-inactivated photosystem II from photoinhibition?, 14th Photosynthesis Congress, Glasgow, 2007
Garab G. Mustárdy L, Buttle, K.: Three dimensional architecture of the granum-stroma thylakoid membrane system revealed by electron tomography, 14th Photosynthesis Congress, Glasgow, 2007
Garab G.: Thermo-optially induced reorganization in light-harvesting antennae, Reginal Biophysics Conference, Balatonfüred, 2007
Toth SZ, Schansker G, Garab G, Strasser RJ: Photosynthetic Electron Transport Activity in Heat-treated Barley Leaves: The Role of Internal Alternative Electron Donors to Photosystem II, BBA-BIOENERGETICS 1767: (4) 295-305, 2007
Stoitchkova K, Zsiros O, Javorfi T, Pali T, Andreeva A, Gombos Z, Garab G: Heat- And Light-induced Reorganizations in The Phycobilisome Antenna of Synechocystis sp Pcc 6803. Thermo-optic Effect, BBA-BIOENERGETICS 1767: (6) 750-, 2007
Lambrev PH, Varkonyi Z, Krumova S, Kovacs L, Miloslavina Y, Holzwarth AR, Garab G: Importance of Trimer-trimer Interactions For The Native State of The Plant Light-harvesting Complex II, BBA-BIOENERGETICS 1767: (6) 847-853, 2007
P. H. Lambrev, T. Tsonev, V. Velikova, K. Georgieva, M. D. Lambreva, I. Yordanov, L. Kovács, G. Garab: Trapping of the quenched conformation associated with non-photochemical quenching of chlorophyll fluorescence at low temperature, Photosynth Res, 94:321-332, 2007
Lepetit B, Volke D, Szabo M, Hoffmann R, Garab G, Wilhelm C, Goss R: Spectroscopic and molecular characterization of the oligomeric antenna of the diatom Phaeodactylum tricornutum, BIOCHEMISTRY 46 (34): 9813-9822, 2007
Krumova S, Dijkema C, de Waard P, Van As H, Garab G, van Amerongen H: Phase behavior of phosphatidylglycerol in spinach thylakoid membranes as revealed by 31P-NMR, Biochimica et Biophysica Acta 1778 (2008) 997–1003, 2008
Krumova S, Koehorst RBM, Bóta A, Páli T, van Hoek A, Garab G, van Amerongen H: Temperature dependence of the lipid packing in thylakoid membranes studied by time- and spectrally resolved fluorescence of Merocyanine 540, Biochimica et Biophysica Acta 1778 (2008) 2823–2833, 2008
Yang C, Lambrev P, Chen Z, Jávorfi T, Kiss AZ, Paulsen H, Garab G: The negatively charged amino acids in the lumenal loop influence the pigment binding and conformation of the major light-harvesting chlorophyll a/b complex of photosystem, Biochimica et Biophysica Acta 1777, 1463–1470, 2008
Miloslavina Y, Wehner A, Lambrev PH, Wientjes E, Reus M, Garab G, Croce R, Holzwarth AR: Far-red fluorescence: A direct spectroscopic marker for LHCII oligomer formation in non-photochemical quenching, FEBS Letters 582 (2008) 3625–3631, 2008
Mustardy L, Buttle K,Steinbach G, Garab G: The Three-Dimensional Network of the Thylakoid Membranes in Plants: Quasihelical Model of the Granum-Stroma Assembly, The Plant Cell, Vol. 20: 2552–2557, 2008
Mustárdy L, Buttle K, Steinbach G, Garab G: Three-dimensional architecture of the granum-stroma thylakoid membrane system revealed by electron tomography, Allen JF, Gantt E, Golbeck JH, and Osmond B. (eds.) Photosynthesis. Energy from the Sun: 14th International Congress on Photosynthesis. Spinger, Heidelberg. 771-774, 2008
Garab G, Mannella CA: Reply: on 3D models of higher plant thylakoid networks - elements of consensus, controversies, future experiments, Plant Cell, 20: 2549-2551, 2008
Lepetit B, Volke D, Szabó M, Hoffmann R, Garab G, Wilhelm C and Goss R: The oligomeric antenna of the diatom P. tricornutm - Localization of diadinoxanthin cycle pigments., Allen JF, Gantt E, Goldbeck JH, and Osmond B (eds), Photosynthesis. Energy from the Sun, pp 277-280, Springer, 2008
Steinbach G, Pomozi I, Zsiros O, Páy A, Horváth VG, Garab G.: Imaging Fluorescence Detected Linear Dichroism of Plant Cell Walls in Laser Scanning Confocal Microscope, Cytometry Part A 73: 202-208, 2008
Gombos I, Steinbach G, Pomozi I, Balogh A, Vámosi G, Gansen A, László G, Garab G, Matkó J.: Some new faces of membrane microdomains: a complex confocal fluorescence, differential polarization and FCS imaging study on live immune cells, Cytometry Part A 37: 220-229, 2008
Lukacs A., Garab G., Papp E.: Measurement of the optical parameters of purple membrane and plant light-harvesting complex films with optical waveguide lightmode spectroscopy, BIOSENSORS & BIOELECTRONICS 21 (8): 1606-1612 FEB 15 2006, 2006
Lepetit B, Volke D, Szabo M, Hoffmann R, Garab G. Wilhelm C, Goss R.: Characterization of the oligomeric antenna of the diatom P-tricornutum, Photosynth. Res., 2007
Toth SZ, Puthur JT, Garab G: Naturally occurring alternative electron donors of photosystem II., Photosynthesis. Energy from the Sun: 14th International Congress on Photosynthesis., 2008
Szabo M, Lepetit B, Goss R, Wilhelm C, Mustardy L, Garab G: Structurally flexible macro-organization of the pigment-protein complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum, PHOTOSYNTH RES 95: (2-3)237-245 (2008), 2007
Garab G, van Amerongen H: Linear dichroism and circular dichroism in photosynthesis research, PHOTOSYNTH RES 101: (2-3)135-146 (2009), 2009
Varkonyi Z, Nagy G, Lambrev P, Kiss AZ, Szekely N, Rosta L, Garab G: Effect of phosphorylation on the thermal and light stability of the thylakoid membranes, PHOTOSYNTH RES 99: (3)161-171 (2009), 2009
Steinbach G, Pomozi I, Zsiros O, Menczel L, Garab G: Imaging anisotropy using differential polarization laser scanning confocal microscopy, ACTA HISTOCHEM 111: (4)317-326 (2009), 2009
Toth SZ, Puthur JT, Nagy V, Garab G: Experimental evidence for ascorbate-dependent electron transport in leaves with inactive oxygen-evolving complexes, PLANT PHYSIOL 149: (3)1568-1578 (2009), 2009



Back »