Universität zu Köln

Functional Analysis of the D- and E- subunits of photosystem I in Arabidopsis thaliana

Ihnatowicz, Anna (2005) Functional Analysis of the D- and E- subunits of photosystem I in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Although photosynthesis has been intensively studied, many open questions remain, which still need to be answered. The aim of this thesis was to further investigate the PSI complex, which in the course of the light reaction of photosynthesis catalyzes the light-induced transfer of electrons from plastocyanin on the lumenal side to ferredoxin on the stromal side. In this thesis emphasis was put on the reducing side of PSI, so-called stromal ridge of PSI, which is composed of the subunits D, E and C. Functional analyses of Arabidopsis plants carrying disrupted genes for PSI-E and PSI-D subunits were performed. Analyzing PSI-D, it was shown that of the two genes coding for this subunit only a mutation in PSI-D1 led to a general alteration in the polypeptide composition of PSI and thus also in the photosynthetic electron flow. The characterization of psad1-1 psad2-1 double mutant indicated that PSI-D is necessary for the stability of PSI in Arabidopsis. A complete lack of the D subunit led to seedling lethality under photoautotrophic conditions. The instability of Arabidopsis PSI without PSI-D can be explained either by an increase in degradation of the incomplete PSI complex or by downregulation of the synthesis of PSI subunits. In contrast, Arabidopsis plants lacking the PSI-E subunit were able to grow under photoautotrophic conditions. However, they showed severe phenotype including a significant reduction in size and pale green pigmentation, which was turning more yellowish during development. The psae1-3 psae2-1 double mutant exhibited a high-chlorophyll fluorescence phenotype, which had already been observed in the psad1-1 psad2-1 double mutant. This indicates that photosynthetic electron flow is severely altered also in Arabidopsis plants lacking PSI-E subunit. Further spectroscopic, biochemical and physiological studies are in progress in order to understand the biological consequences of a complete lack of PSI-E subunit and its importance for photosynthesis in plants. An unexpected feature observed in both psad1-1 and psae1-3 single mutants, was a significantly increased level of thylakoid protein phosphorylation and therefore the presence of some new phosphopeptides that could not be detected in WT. A striking feature was that even the level of PSI phosphorylation was affected by these mutations. The only PSI phosphopeptide detected so far had been the PSI-D1 protein. Regarding the complementation analysis performed in this thesis it seems that phosphorylation of PSI-D1 does not play a key function in the PSI. Anyhow, it can not be excluded that this phosphorylation might play a role, if plants are grown under particular environmental conditions, not tested in this work. Mass spectrometry techniques and methods of proteomics allowed the successful identification and analysis of one previously unknown phosphoprotein Lhca4. This was the first light-harvesting protein outside of LHCII to be phosphorylated. However, a distinct role for Lhca4 phosphorylation remains unknown. Further studies are needed in order to elucidate the cause and consequences of Lhca4 phosphorylation and to get further insight into the implication of a high level of thylakoid protein phosphorylation as observed in psad1-1 and psae1-3 mutants.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Obwohl Photosynthese bereits in der Wissenschaft detaillierter untersucht wurde, bleiben noch viele Fragen offen, die zu beantworten sind. Ziel dieser Arbeit war eine vertiefte Analyse des Photosystems I (PSI), das während der Lichtreaktion den Elektronentransfer vom luminal gelegenen Plastocyanin zum stromal gelegenen Ferredoxin katalysiert. Im Vordergrund dieser Arbeit stand die reduzierende Seite von PSI, die sog. stromal ridge. Diese besteht aus den Untereinheiten D, E und C. Hierzu wurden Analysen an transgenen Arabidopsispflanzen durchgeführt, bei denen die Expression der funktionalen Gene, die für die PSI-Untereinheiten E und D kodieren, unterdrückt war. Während der Untersuchungen von PSI-D zeigte sich, dass nur das Fehlen von PSI-D1 zu einer beträchtlichen Veränderung der Polypeptidzusammensetzung von PSI, wie auch des photosynthetischen Elektronenflusses führt. Die Charakteristik der Doppelmutanten psad1-1 psad2-1 ließ erkennen, dass PSI-D für die Stabilität von PSI in Arabidopsis notwendig ist. Das vollständige Fehlen der Untereinheit D führte zur Letalität der Keimlinge unter photoautrophen Bedingungen. Für die Instabilität von PSI ohne die PSI-D-Untereinheit konnte entweder durch einen Anstieg der Degradationsrate des unvollständigen PSI oder durch eine herunterregulierte Synthese der Untereinheiten von PSI ursächlich sein. Im Gegensatz dazu waren Arabidopsispflanzen ohne die Untereinheit PSI-E in der Lage unter photoautrophen Bedingungen zu wachsen. Jedoch wiesen diese Pflanzen einen stark veränderten Phänotyp auf. Dieser war gekennzeichnet durch eine beachtliche Reduktion des Wuchses und der Pigmentation. Diese psae-Mutanten werden im Laufe ihrer Entwicklung gelb. Wie auch die Doppelmutante psad1-1 psad2-1 zeigte auch die Doppelmutante psae1-3 psae2-1 eine erhöhte Chlorophyllfluoreszenz. Dies deutete darauf hin, dass der photosynthetische Elektronenfluss auch in Arabidopsispflanzen ohne die Untereinheit PSI-E stark gestört ist. Weitere spektroskopische, biochemische und physiologische Untersuchungen wurden durchgeführt um die biologischen Konsequenzen des vollständigen Fehlens der Untereinheit PSI-E zu verstehen und seine Bedeutung für die Photosynthese zu erkennen. Gemeinsam für beide Mutanten psad1 und psae1-3 ist eine erhebliche Zunahme der Phosphorylierung von Proteinen der Thylakoidmembran. Darüber hinaus konnten in den Mutanten psad1 und psae1-3 neben dem bereits bekannten Phosphopetid PSI-D1 weitere, bislang unbekannte Phosphopeptide in der PSI-Fraktion nachgewiesen werden. Auf Grund von Komplementationsanalysen konnte angenommen werden, dass die PSI-D1 Phosphorylierung unter den getesteten Bedingungen keine Schlüsselrolle einnimmt. Weiterhin ungeklärt blieb, ob die Phosphorylierung dieses Proteins eine Rolle unter speziellen Wachstumsbedingungen spielen könnte. Massenspektrometrie-Techniken und Proteomics-Methoden erlaubten die erfolgreiche Identifizierung und die Analyse des bislang unbekannten Phosphoproteins Lhca4. Dieses Protein ist das erste phosphorylierte Protein eines Lichtsammelkomplexes außerhalb LHCII. Die Funktion von Lhca4-Phosphorylierung ist noch unbekannt. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die Funktion Lhca4-Phosphorylierung zu erklären und die Ursache der erhöhten Phosphorylierung der anderen Proteine der Thylakoidmembran der Mutanten psad1 und psae1-3 zu analysieren.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Ihnatowicz, Annaihnat@mpiz-koeln.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-16973
    Subjects: Life sciences
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 10 July 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 20 Mar 2006 12:22:49
    Referee
    NameAcademic Title
    Salamini, FrancescoProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1697

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