Identification, physiological role and potential biotechnological applications of the alternative electron donors of photosystem II in cyanobacteria, algae and plants
A második fotokémiai rendszer alternatív elektrondonorának kémiai természete és élettani szerepe cianobaktériumokban, algákban és növényekben; potenciális biotechnológiai alkalmazások
Title in English
Identification, physiological role and potential biotechnological applications of the alternative electron donors of photosystem II in cyanobacteria, algae and plants
Keywords in Hungarian
alternatív elektrondonor, aszkorbát, biohidrogén, klorofill a fluoreszcencia, második fotokémiai rendszer, vízbontó komplex
Keywords in English
alternative electron donor, ascorbate, biohydrogen, chl a fluorescence, oxygen-evolving complex, photosystem II
Discipline
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
Ortelius classification: Physiological biophysics
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Starting date
2008-04-01
Closing date
2012-04-30
Funding (in million HUF)
14.791
FTE (full time equivalent)
2.35
state
closed project
Summary in Hungarian
A légköri oxigén fotoszintetikus eredetű, a víz oxidációjából származik. A vízbontó komplex a fotoszintetikus elektrontranszport-lánc egyik legsérülékenyebb komponense. Nemrégiben publikált eredményeink azt mutatják (Tóth et al. Biochim Biophys Acta 1767: 295-305), hogy ha a vízbontó komplex sérült, a vízmolekulák helyett nagy mennyiségben jelenlévő, alternatív elektrondonorok juttatnak elektronokat a második fotokémiai rendszerhez. Jelen projekt célja: (i) az alternatív elektrondonorok kémiai azonosítása és a reakcióutak meghatározása, (ii) élettani szerepük vizsgálata cianobaktériumokban, zöldalgákban és növényekben az elektrontranszportlánc bioszintézise során és különböző környezeti stressz hatása mellett, (iii) inaktivált vízbontó komplexszel rendelkező vadtípusú és mutáns (instabil vízbontó komplexű) cianobaktériumok és zöldalgák nevelési körülményeinek optimalizálása az anaerob lineáris elektrontranszport javítása érdekében, amely fokozott hidrogéntermelést tehet lehetővé. A fogadó-intézmény és laboratórium szellemi és műszaki infrastruktúrája –egy Dual PAM készülékkel és egy alganevelővel kiegészítve - lehetővé teszi a projekt sikeres végrehajtását. Egyetemi hallgatók vesznek részt a projektben. Nemzetközileg elismert csoportokkal működünk együtt, akik mutánsokkal és egyes, a fogadóintézményben rendelkezésre nem álló mérőműszerekkel és szakértelemmel segítik munkánkat. A pályázó jelölt PhD fokozatát a Genfi Egyetemen, Svájcban szerezte meg 2006-ban és 7 lektorált folyóiratcikk szerzője. A projekt eredményeit nemzetközi konferenciákon és magasrangú folyóiratokban kívánjuk közölni.
Summary
Atmospheric oxygen arises from photosynthetic water oxidation. The oxygen-evolving complex (OEC) is one of the most vulnerable components of the photosynthetic electron transport chain. We have recently shown (Tóth et al. Biochim Biophys Acta 1767: 295-305) that if OEC is destroyed, a large pool of naturally occurring alternative electron donors feed electrons to photosystem II instead of water. The objectives of our present project are: (i) to chemically identify these alternative electron donors and determine the reaction pathways; (ii) to study their physiological role in cyanobacteria, green algae and plants during the assembly of the photosynthetic machinery and under a variety of environmental stress conditions; and (iii) to optimize the physiological conditions in wild-type cyanobacterial and green algal cells and in mutants with unstable OECs, a tool to ensure high rates of linear electron transport in the absence of OEC – this may enhance hydrogen production because of the absence of oxygen. The infrastructure, to be complemented with an algal growth chamber and a Dual PAM instrument, and expertise in the host institute and laboratory are suited for the successful realization of the project. Diploma students will be involved. We collaborate with internationally recognized laboratories, who provide us mutants and some experimental facilities that are not available in the host institute. The applicant obtained her PhD degree at the University of Geneva, in Switzerland in 2006 and has published 7 articles in peer-reviewed journals. We plan to present the results of this project at international conferences and to publish articles in peer-reviewed journals of high scientific standard.
Final report
Results in Hungarian
Az aszkorbát (C-vitamin) esszenciális antioxidáns az ember és az állatok számára egyaránt. Növényekben nagy mennyiségben (2-20 mM) szintetizálódik és fontos antioxidáns szerepe mellett más egyéb enzimatikus folyamatokhoz is szükséges. Munkánk során az aszkorbát a fotoszintézisben betöltött, eddig ismeretlen szerepét vizsgáltuk.
I. Bizonyítottuk, hogy az aszkorbát a második fotokémiai rendszer alternatív elektrondonora növényekben és zöldalgákban egyaránt és hő által inaktivált vízbontó aktivitás mellett jelentős mennyiségű elektront szolgáltat az elektrontranszport-lánc számára. Az elektronátadás félideje kb. 25 ms vadtípusú és 55 ms aszkorbát-deficiens mutánsokban, ami a környezeti körülményektől is függ.
II. A donor oldal által indukált fotoinhibíciót mérsékelve az aszkorbát jelentős szerepet tölt be a növények hőstresszel szembeni védekezésében.
III. Az aszkorbáttól második fotokémiai rendszerhez irányuló alternatív elektrontranszport jelenségét sikeresen hasznosítottuk a Chlamydomonas reinhardtii zöldalga biohidrogén-termelésének serkentésére.
Results in English
In humans and all animals ascorbate (vitamin C) is an essential antioxidant. In plants ascorbate is synthesized in large quantities (2-20 mM), and has been shown to play a role as antioxidant and it is required for several other enzymatic processes. In this project a novel role of this compound in photosynthesis was explored.
I. We have shown that ascorbate is an alternative electron donor of photosystem II in higher plants and green algae and it is capable of supporting a sustained electron transport activity in heat-stressed leaves containing inactivated oxygen-evolving complexes. The halftime of electron donation is about 25 ms in wild-type Arabidopsis leaves, and 55 ms in ascorbate-deficient mutants and the rate is also dependent on the environmental conditions.
II. By slowing down donor-side-induced photodamage to photosystem II, ascorbate contributes significantly to the ability of plants to withstand heat-stress conditions.
III. The phenomenon of alternative electron transport from ascorbate through photosystem II was successfully exploited in enhancing biohydrogen production in the green alga Chlamydomonas reinhardtii.
Tóth SZ, Puthur JT, Nagy V, Garab G: Experimental evidence for ascorbate-dependent electron transport in leaves with inactive oxygen-evolving complexes, Plant Physiol 149: 1568-1578, 2009
Tóth SZ, Nagy V, Puthur JT, Kovács L, Garab G: The physiological role of ascorbate as photosystem II electron donor: protection against photoinactivation in heat-stressed leaves., Plant Physiol 156: 1-11, 2011
Nagy V, Tengölics R, Schansker G, Rákhely G, Kovács K, Garab G, Tóth SZ: Stimulatory effect of ascorbate, the alternative electron donor of photosystem II, on the hydrogen production of sulphur-deprived Chlamydomonas reinhardtii., Int J Hydrogen Energy 37: 8864–8871, 2012
Dinç E, Tóth SZ, Schansker G, Ayaydin F, Kovacs L, Dudits D, Garab G, Bottka S: Synthetic Antisense Oligodeoxynucleotides to Transiently Suppress Different Nucleus- and Chloroplast-Encoded Proteins of Higher Plant Chloroplasts, Plant Physiol 2011 157: 1628-1641, 2011
Schansker G, Tóth SZ, Kovács L, Holzwarth AR, Garab G: Evidence for a fluorescence yield change driven by a light-induced conformational change within photosystem II during the fast chlorophyll a fluorescence rise., Biochim Biophys Acta-Bioenergetics 1807: 1032-1043, 2011
Dinç E, Ceppi MG, Tóth SZ, Bottka S, Schansker G: The Chl a fluorescence intensity is remarkably insensitive to changes in the leaf chlorophyll content as long as the Chla/b ratio remains unaffected., Biochim Biphys Acta 1817: 770-779, 2012
Peeva VN, Tóth SZ, Cornic G, Ducruet J-M: Thermoluminescence and P700 redox kinetics as complementary tools to investigate the cyclic/chlororespiratory electron pathways in stress conditions in barley leaves., Physiol Plantarum 144: 83–97, 2012
Tóth SZ, Schansker G, Garab G: Roles of chloroplast luminal ascorbate in photoprotection, in preparation, 2012
