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

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

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

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

Aquaporin-deficient mutant of Synechocystis is sensitive to salt and high-light stress

Cyanobacterial aquaporins play an important role in the regulation of various physiological functions: cell volume control, osmotic stress responses, gas exchange. We employed the AqpZ-deficient mutant of Synechocystis to study the role of aquaporins in responses to salt (NaCl) and high light stress. Electron microscopy and paramagnetic resonance revealed that AqpZ-deficient cells are unable to efficiently regulate the cytoplasmic volume under salt stress. Both photosystems (PSII and, especially, PSI) of these cells are more sensitive to NaCl and to high light. Thus, AqpZ of Synechocystis participates in regulation of the photosynthetic activity of PSI and PSII under salt and high-light stress. Our results demonstrate that AqpZ might be necessary for the repair of PSII and PSI after photodamage. © 2015 Elsevier B.V. All rights reserved