Entmystifizierung der Rolle pflanzlicher Thioredoxine vom X- und Y-Typ

Die Möglichkeit, schwankendem Licht ausgesetzt zu sein, hat es erforderlich gemacht, dass Pflanzen Schutzmechanismen entwickeln, wenn die Lichtintensität die Photosynthesekapazität übersteigt. Unter diesen Bedingungen verursachen reaktive Sauerstoffspezies eine Photoinhibition, die die Effizienz der Photosynthese beeinträchtigt. Um diesem Verlust der Photosyntheseeffizienz entgegenzuwirken, entwickelten Chloroplasten Thioredoxin (Trx)-Proteine, die das Redoxgleichgewicht im Photosyntheseapparat regulieren und eine lichtschützende Funktion erfüllen.

Diese Proteine ​​ermöglichen es Pflanzen, die Photosynthese als Reaktion auf Schwankungen der Lichtintensität zu modulieren. Von den Chloroplasten-Trx-Proteinen ist bekannt, dass Trx vom x- und y-Typ funktionell verwandt sind, über ihre Funktion unter schwankenden Lichtbedingungen ist jedoch wenig bekannt.

Während der Lichtreaktionen der Photosynthese werden Elektronen, die bei der Spaltung von Wasser im Photosystem II entstehen, über den Cytochrom-b6f-Komplex im Chloroplasten über die Elektronentransportkette (ETC) zum Photosystem I (PSI) transportiert. Forscher der Okayama-Universität und der Kyoto Sangyo-Universität in Japan, die Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) verwenden, um die Trx-Regulation während der Photosynthese zu untersuchen, haben kürzlich entdeckt, dass Trxs vom x- und y-Typ ein Redoxungleichgewicht auf der elektronenaufnehmenden Seite des PSI verhindern.

Dies ist ein bedeutender Befund, da ein Mechanismus identifiziert wurde, an dem weniger bekannte Trxs beteiligt sind und der verhindert, dass PSI unter schwankenden Lichtbedingungen eine Photoinhibition erleidet.

Assistenzprofessor Yuki Okegawa vom Institut für Pflanzenwissenschaften und Ressourcen der Universität Okayama leitete das Forschungsteam und verfasste die Studie, die in veröffentlicht wurde Pflanzenphysiologie. Dr. Wataru Sakamoto, ebenfalls vom Institute of Plant Science and Resources, war einer der Co-Autoren dieser Studie.

Über die Motivation der Gruppe, die Forschung fortzusetzen, bemerkt Dr. Okegawa: „Arabidopsis enthält fünf Arten von Trxs, vier Trx m, zwei Trx f, zwei Trx y, Trx x und Trx z. Von den fünf Arten sind Trx f und Trx m machen mehr als 90 % der Trx-Proteine ​​des Chloroplasten aus, aber Trx x und Trx y sind Minderheiten, die weniger als 10 % der Trx-Proteine ​​ausmachen. Warum ist das so? Über Trx vom x- und y-Typ ist wenig bekannt. Deshalb haben wir beschlossen, ihre Rolle bei der Photosynthese und bei Lichtstress zu untersuchen.“

Die Gruppe erzeugte trx x-Einzel-, trx y1-trx y2-Doppel- und trx x trx y1-trx y2-Dreifachmutanten in Arabidopsis und untersuchte die Veränderungen des PSI während der Photosynthese. Sie fanden heraus, dass bei schlechten Lichtverhältnissen die Elektronenakzeptorseite von PSI in trx x- und trx x trx y1 trx y2-Mutanten im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen gehemmt war.

In ähnlicher Weise beobachtete das Team, dass diese beiden Mutanten während Schwach- und Starklichtphasen mit schwankendem Licht eine stärkere Hemmung auf der PSI-Elektronenakzeptorseite zeigten.

„Im Vergleich zu den Wildtyp-Pflanzen führte diese Hemmung der PSI-Elektronenakzeptorseite unter schwankendem Licht zu einer starken PSI-Photohemmung in den Mutanten trx x und trx x trx y1 trx y2. Als wir das Pflanzenwachstum unter diesen schwankenden Lichtbedingungen maßen, war das trx x und trx x trx y1 trx y2-Mutanten zeigten ein beeinträchtigtes Wachstum und enthielten sogar geringere PSI-Werte“, erklärt Dr. Okegawa, während sie die wichtigen Erkenntnisse aus der Arbeit bespricht.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Trx x und Trx y jeglichem Redox-Ungleichgewicht auf der PSI-Elektronenakzeptorseite entgegenwirken, die Fortsetzung der Photosynthese ermöglichen und eine Photoinhibition verhindern. Diese Trxs erleichtern den Transport von Elektronen durch den ETC unter schwankenden Lichtbedingungen.

Die Gruppe geht davon aus, dass Trx x und Trx y bei Übergängen von schwachem zu starkem Licht als Elektronensenken fungieren und den oxidierten Zustand auf der PSI-Elektronenakzeptorseite aufrechterhalten. Doch welche Implikationen hat dieser Befund?

„Nun, diese Funktion ist bei konstanten Lichtverhältnissen nicht kritisch. Aus adaptiver Sicht fungiert die Aufrechterhaltung des Redoxgleichgewichts auf der PSI-Elektronenakzeptorseite jedoch als Sicherheitsnetz und hilft, sich auf plötzliche Änderungen der Lichtintensität vorzubereiten“, sagt Dr . Okegawa.

Weitere Forschungen zu den Lichtschutzmechanismen von Pflanzen können eines Tages dazu beitragen, lichtstresstolerante Nutzpflanzen zu entwickeln. Dr. Okegawa und sein Team glauben, dass diese Fortschritte eine entscheidende Rolle bei der Bewältigung der Nahrungsmittelknappheit spielen werden, die auf eine unzureichende Pflanzenproduktion zurückzuführen ist.