Structurally flexible macro-organization of the pigment-protein complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum

By means of circular dichroism (CD) spectroscopy, we have characterized the organization of the photosynthetic complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum at different levels of structural complexity: in intact cells, isolated thylakoid membranes and purified fucoxanthin chlorophyll protein (FCP) complexes. We found that the CD spectrum of whole cells was dominated by a large band at (+)698 nm, accompanied by a long tail from differential scattering, features typical for psi-type (polymerization or salt-induced) CD. The CD spectrum additionally contained intense (-)679 nm, (+)445 nm and (-)470 nm bands, which were also present in isolated thylakoid membranes and FCPs. While the latter two bands were evidently produced by excitonic interactions, the nature of the (-)679 nm band remained unclear. Electrochromic absorbance changes also revealed the existence of a CD-silent long-wavelength (∼545 nm) absorbing fucoxanthin molecule with very high sensitivity to the transmembrane electrical field. In intact cells the main CD band at (+)698 nm appeared to be associated with the multilamellar organization of the thylakoid membranes. It was sensitive to the osmotic pressure and was selectively diminished at elevated temperatures and was capable of undergoing light-induced reversible changes. In isolated thylakoid membranes, the psi-type CD band, which was lost during the isolation procedure, could be partially restored by addition of Mg-ions, along with the maximum quantum yield and the non-photochemical quenching of singlet excited chlorophyll a, measured by fluorescence transients. © 2007 Springer Science+Business Media B.V

Kecskebúza (Aegilops) fajok stressztűrő képességének vizsgálata a termesztett búza génforrásainak bővítése céljával. = Analysis of the stress tolerance in Aegilops species to expand the gene-pool of bread wheat

A pályázat keretében kitűzött céloknak megfelelően a mediterrán és nyugat-ázsiai elterjedésű, különböző mértékben száraz termőhelyekről származó Aegilpops fajok vonalait első lépésben a vízhiány, a magas hőmérséklettel, ill. fényintenzitással szembeni ellenálló képesség alapján szelektáltuk. Ehhez olyan több paraméter alapján minősítő szelekciós rendszert alkalmaztunk, amely költség hatékony és jól reprezentálja a növény stressztoleranciáját. A módszer alkalmazásával kiválasztott vonalak szárazságtűrését vízkultúrában és talajkísérletekben jellemeztük és több fiziológiai paraméter alapján 3 olyan "stratégiá"-t állapítottunk meg, amely szerepet játszik a száraz periódus átvészelésében: abszolút szárazságtűrők, vízmegtartók, vízvesztők. Emellett sikerült közös vonásokat felfedni a három környezeti tényező kivédésére irányuló mechanizmusokban, valamint rávilágítottunk nettó fotoszintézis sztóma és mezofillum gátlásának eltérő arányaira az egyes stratégiák esetében. A kr1 gént tartalmazó Mv9kr1 genotípusú őszi, valamint a ph1b mutációt hordozó Chinese Spring tavaszi búzát a legperspektivikusabbnak bizonyult Aegiliops vonalakkal keresztezve F1 hibrideket állítottunk elő. Mindez a későbbiekben alapját képezheti olyan addíciós vonalak előállításának, amely a búza kromoszómákon kívül már csak egy idegen kromoszómát tartalmaz. | According to the aims of this grant, Aegilops species originating from Mediterranean and Asiatic arid or semi-arid regions were examined and selected with respect to major abiotic stress factors. A relatively fast and economical selection system using several parameters was employed for the estimation of stress tolerance in these plants and for the selection of tolerant genotypes. Additionally, on the basis of several physiological parameters, some strategies can be assumed to have a bearing on the plants' survival of the dry period: drought-tolerant genotypes, water-preserving genotypes and water-losing genotypes. On the other hand, it seems likely that the protection against excess light, high temperature, and water deficit reveals common characteristics, and the extent of stomatal and mesophyll limitation of net photosynthesis is different in the given strategy types during drought. F1 hybrids were developed by intergeneric crossing of the Aegilops accessions having the best stress tolerance traits with the winter wheat genotype Mv9kr1 and ph1b mutant Chinese Spring. These F1 hybrids are the first stage in developing various wheat/Aegilops translocations having valuable traits for wheat improvement

A gránum szerkezete és flexibilitása, szerepe regulációs folyamatokban = Granum: structure, flexibility, role in regulatory processes

Electrontomográfiás vizsgálatokkal bizonyítottuk, hogy a gránumos kloroplasztiszokban a sztróma tilakoidok helikálisan csatlakoznak a gránumokhoz. Vizsgáltuk a gránumos szerkezet flexibilitását. Kisszögű röngenszórással (SAXS), kisszögű neutronszórással (SANS), valamint röngenmikroszkóp (XRM) segítségével vizsgáltuk a membránrendszernek a fényre, valamint ozmotikus és ionösszetételre bekövetkezett szerkezeti változásait. Ezek segitségével bizonyíthatóvá vált a különbüző stresszhatásokra történt szerkezetváltozás, Cirkuláris dikroizmus segitségével kimutattuk, hogy a 2. fotoszisztémához tartozó fénybegyüjtő komplex fontos szerepet tölt be ebben a fényadaptációs és fotoprotekciós regulációs folyamatokban. Kimutattuk, hogy különböző mikroszkópikus biológiai részecskék (kloroplasztisz, gránum partikulumok, izolált LHCII lamelláris aggregátumai, kromoszóma) jól orientálhatóak lineárisan poláros lézer csipesz segitségével. Vizsgáltuk az egysejtű diatom Phaeodactylum tricornutum fénybegyüjtő pigment-protein antenna komplexek makroszerveződését és annak szerkezeti flexibilitását. | With the help of electron tomography we proved that the stroma thylakoids are helically wound around the granaum thylakoids. We studied the flexibility of granal structure using SAXS, SANS and XRM methods. The results show that the light, osmotic and ionic stresses cause structural changes. Circular dicroism shows that the light harvesting complex of photosystem II plays an important role in the light adaptation and protects from the excess light. We have shown that different biological particles (like chloroplasts, granal particles, isolated LHCII lamellar aggregates and chromosomes) can be oriented with linearly polarized laser tweezers. We have studied the structurally flexible macro-organization of the pigment-protein complexes of the diatom Phaeodactylum tricornutum

Termo-optikai szerkezetváltozások fotoszintetikus rendszerekben = Termo-optically induced structural changes in photosynthetic systems

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. | 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

Visualizing the mobility and distribution of chlorophyll proteins in higher plant thylakoid membranes: effects of photoinhibition and protein phosphorylation

The definitive version is available at www.blackwell-synergy.co

Applying two-photon excitation fluorescence lifetime imaging microscopy to study photosynthesis in plant leaves

This study investigates to which extent two-photon excitation (TPE) fluorescence lifetime imaging microscopy can be applied to study picosecond fluorescence kinetics of individual chloroplasts in leaves. Using femtosecond 860 nm excitation pulses, fluorescence lifetimes can be measured in leaves of Arabidopsis thaliana and Alocasia wentii under excitation-annihilation free conditions, both for the F0- and the Fm-state. The corresponding average lifetimes are ~250 ps and ~1.5 ns, respectively, similar to those of isolated chloroplasts. These values appear to be the same for chloroplasts in the top, middle, and bottom layer of the leaves. With the spatial resolution of ~500 nm in the focal (xy) plane and 2 μm in the z direction, it appears to be impossible to fully resolve the grana stacks and stroma lamellae, but variations in the fluorescence lifetimes, and thus of the composition on a pixel-to-pixel base can be observed

Membrane curvature in cell biology: An integration of molecular mechanisms.

Curving biological membranes establishes the complex architecture of the cell and mediates membrane traffic to control flux through subcellular compartments. Common molecular mechanisms for bending membranes are evident in different cell biological contexts across eukaryotic phyla. These mechanisms can be intrinsic to the membrane bilayer (either the lipid or protein components) or can be brought about by extrinsic factors, including the cytoskeleton. Here, we review examples of membrane curvature generation in animals, fungi, and plants. We showcase the molecular mechanisms involved and how they collaborate and go on to highlight contexts of curvature that are exciting areas of future research. Lessons from how membranes are bent in yeast and mammals give hints as to the molecular mechanisms we expect to see used by plants and protists

Digalactosyl-diacylglycerol-deficiency lowers the thermal stability of thylakoid membranes

We investigated the effects of digalactosyl-diacylglycerol (DGDG) on the organization and thermal stability of thylakoid membranes, using wild-type Arabidopsis thaliana and the DGDG-deficient mutant, dgd1. Circular-dichroism measurements reveal that DGDG-deficiency hampers the formation of the chirally organized macrodomains containing the main chlorophyll a/b light-harvesting complexes. The mutation also brings about changes in the overall chlorophyll fluorescence lifetimes, measured in whole leaves as well as in isolated thylakoids. As shown by time-resolved measurements, using the lipophylic fluorescence probe Merocyanine 540 (MC540), the altered lipid composition affects the packing of lipids in the thylakoid membranes but, as revealed by flash-induced electrochromic absorbance changes, the membranes retain their ability for energization. Thermal stability measurements revealed more significant differences. The disassembly of the chiral macrodomains around 55°C, the thermal destabilization of photosystem I complex at 61°C as detected by green gel electrophoresis, as well as the sharp drop in the overall chlorophyll fluorescence lifetime above 45°C (values for the wild type—WT) occur at 4–7°C lower temperatures in dgd1. Similar differences are revealed in the temperature dependence of the lipid packing and the membrane permeability: at elevated temperatures MC540 appears to be extruded from the dgd1 membrane bilayer around 35°C, whereas in WT, it remains lipid-bound up to 45°C and dgd1 and WT membranes become leaky around 35 and 45°C, respectively. It is concluded that DGDG plays important roles in the overall organization of thylakoid membranes especially at elevated temperatures