Einfluss CO₂-permeabler Aquaporine auf die Fotosynthese in Synechococcus sp. PCC7002

Joseph, Franziska Maria (2024)
Einfluss CO₂-permeabler Aquaporine auf die Fotosynthese in Synechococcus sp. PCC7002.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026907
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26907

Kurzbeschreibung (Abstract)

Einige der als passive Wassertransporter entdeckten Aquaporine sind auch CO₂-durchlässig. Überexprimiert in Pflanzen führten diese bereits zu einer besseren Verteilung von CO₂ im Zellgewebe und einer damit verbundenen, verbesserten Fotosyntheseleistung.

In fotosynthetisch aktiven, einzelligen Cyanobakterien wird anorganischer Kohlenstoff hingegen bereits in Form von Bicarbonat (HCO₃⁻) in der Zelle aufkonzentriert. Dadurch wird auch bei schlechter CO₂-Verfügbarkeit eine hohe Fotosyntheserate sichergestellt. Ob der Einbau CO₂-durchlässiger Aquaporine auch hier Auswirkungen hat, sollte im Zuge dieser Arbeit geklärt werden. Hierfür wurde ein putativ CO₂ und H₂O durchlässiges menschliches Aquaporin (hAQP1), sowie ein CO₂-durchlässiges Aquaporin aus der Tabakpflanze Nicotiana tabacum (NtAQP1) in das Cyanobakterium Synechococcus sp. PCC7002 eingebaut. Zum Vergleich wurde der unveränderte Stamm (Kontrolle) und eine Transformante mitgeführt, in die ein ausschließlich wasserdurchlässiges Aquaporin aus Tabak (NtPIP2;1) eingebaut wurde.

Die heterologe Produktion der Aquaporine hAQP1 und NtAQP1 führte in den Cyanobakterien zu einer um mindestens 15-20 % erhöhten Brutto-Fotosynthese- bzw. O₂-Produktionsrate, wie Messungen mit einer O₂-Optode zeigten. Gleichzeitig änderte sich die maximale O₂-Produktionsrate nach Einbau des ausschließlich wasserdurchlässigen Aquaporins NtPIP2;1 nicht. Im lichtlimitierten Bereich der Fotosynthese, war aber teilweise eine Abnahme der O₂-Produktion zu beobachten. So wird der Lichtkompensationspunkt erst bei einer höheren Beleuchtungsstärke erreicht.

Als Grund für die erhöhten O₂-Produktionsraten wurde im lichtlimitierten Bereich der Fotosynthese eine erhöhte Effizienz des PSII angenommen, an dem O₂ entsteht. Die erhöhte Effizienz wurde, wie Messungen der 77 K Fluoreszenzspektren nach Anregung der Phycobilisome (PBS) bestätigten, durch „state transitions“ ausgelöst. In +hAQP1 und +NtAQP1 wird dadurch mehr der von den PBS eingefangenen Lichtenergie ans PSII weitergeleitet, in +NtPIP2;1 weniger. Auslöser für die „state transitions“ ist der Redoxstatus des Plastochinolpools. Dieser ist abhängig von der Nutzung der durch die Elektronentransportkette weitergeleiteten Elektronen. Ausgehend vom CO₂-Fluss in die Zelle wird mehr oder weniger CO₂ zu HCO₃⁻ umgewandelt. Dadurch ändern sich die Nutzungsverhältnisse und der Redoxstatus des Plastochinolpools. Die heterologe Produktion CO₂-durchlässiger Aquaporine in Cyanobakterien wirkt sich dabei positiv auf die Nutzung der gewonnenen Elektronen aus und führt dadurch zu einer erhöhten PSII-Effizienz. Weniger Elektronen müssen hier über zyklischen Elektronentransport (CET) recycelt werden. Dass Zellen von +hAQP1 und +NtAQP1 beide erhöhte O₂-Produktionsraten und eine erhöhte PSII-Effizienz aufzeigen, weist darauf hin, dass durch beide Aquaporine die CO₂-Verfügbarkeit in der Zelle verbessert wird. Durch die verbesserte CO₂-Verfügbarkeit könnte es auch zu erhöhten CO₂-Fixierungsraten kommen. Auswirkungen auf den Phänotyp bzw. das Wachstum oder die Biomasseakkumulation konnten allerdings nicht beobachtet werden. Im lichtgesättigten Bereich der Fotosynthese haben die erhöhten maximalen O₂-Produktionsraten bei +hAQP1 und +NtAQP1 wahrscheinlich einen anderen Grund. Hier können alle Fotosysteme ausreichend mit Lichtenergie versorgt und die gleiche maximale PSII-Effizienz erreicht werden. In +hAQP1 und +NtAQP1 muss aber weniger überschüssige, reduzierende Kraft recycelt werden. Neben CET kann dieses Recyceln auch über alternative, teilweise O₂-verbrauchende Elektronenflusswege (AEF) geschehen. In der Kontrolle und +NtPIP2;1 wird mehr O₂ durch AEF reduziert, da hier mehr reduzierende Kraft recycelt werden muss.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Joseph, Franziska Maria

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Einfluss CO₂-permeabler Aquaporine auf die Fotosynthese in Synechococcus sp. PCC7002

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Kaldenhoff, Prof. Dr. Ralf ; Jürgens, Prof. Dr. Andreas

Publikationsjahr:

26 März 2024

Ort:

Darmstadt

Kollation:

126 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

15 März 2024

DOI:

10.26083/tuprints-00026907

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26907

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Some aquaporins originally discovered as passive water transporters are also CO₂-conductive. When overexpressed in plants, they have led to a better distribution of CO₂ in the cell tissue resulting in improved photosynthetic performance.

In photosynthetically active, unicellular cyanobacteria, on the other hand, anorganic carbon is already concentrated in the cell in the form of bicarbonate (HCO₃⁻). Thereby ensuring a high rate of photosynthesis even when CO₂ availability is poor. Whether the integration of CO₂-permeable aquaporins also has an effect on these cells should be investigated in this work. For this purpose, a putative CO₂ and H₂O permeable human aquaporin (hAQP1) and a CO₂ permeable aquaporin from the tobacco plant Nicotiana tabacum (NtAQP1) were produced in the cyanobacterium Synechococcus sp. PCC7002. For comparison, the unmodified strain (control) and a transformant producing an exclusively water-permeable aquaporin from tobacco (NtPIP2;1) were included.

The heterologous production of hAQP1 and NtAQP1 led to an increased gross photosynthesis and O₂ production rate in the cyanobacteria by at least 15-20 %. This could be shown by measurements with an O₂ optode. At the same time, the maximum O₂ production rate did not change after integration of the water-permeable aquaporin NtPIP2;1. In the light-limited state of photosynthesis, however, a partial decrease in O₂ production was observed. The light compensation point is achieved at a higher light intensity.

The reason for the increased O₂ production rates was assumed to be an increased PSII-efficiency in the light-limited region of photosynthesis. At the PSII O₂ evolves during photosynthesis. As confirmed by measurements of 77 K fluorescence spectra after excitation of the phycobilisomes (PBS), the increased efficiency was triggered by "state transitions". In +hAQP1 and +NtAQP1 more of the light energy captured by the PBS is transferred to PSII, in +NtPIP2;1 less. The state transitions are triggered by the redox status of the plastoquinone pool. This is dependent on the utilization of the electrons transferred through the electron transport chain. Based on the CO₂ flow into the cell, more or less CO₂ is converted to HCO₃⁻ in the cyanobacteria. This changes the utilization ratios and the redox status of the plastoquinone pool. The heterologous production of CO₂-conductive aquaporins has a positive effect on the utilization of the electrons obtained and leads to increased PSII efficiency. Fewer electrons have to be recycled via cyclic electron transport (CET). The fact that cells of +hAQP1 and +NtAQP1 both show increased O₂ production rates and increased PSII efficiency indicates that both aquaporins improve CO₂ availability in the cell. The improved CO₂ availability could also lead to increased CO₂ fixation rates. However, no effects on the phenotype, growth or biomass accumulation were observed.

In the light-saturated range of photosynthesis, the increased maximum O₂ production rates in +hAQP1 and +NtAQP1 probably have a different reason. Here, all photosystems can be supplied with sufficient amounts of light energy and the same maximum PSII efficiency can be achieved. In +hAQP1 and +NtAQP1, however, less excess reducing power needs to be recycled. In addition to CET, recycling can also occur via alternative electron flow pathways (AEF) that partially consume O₂. In the control and +NtPIP2;1, more O₂ is reduced by AEF, as more reducing power has to be recycled here.

Englisch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-269079

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

10 Fachbereich Biologie
10 Fachbereich Biologie > Applied Plant Sciences

Hinterlegungsdatum:

26 Mär 2024 13:29

Letzte Änderung: