Adaptation of mechanisms for regulation of photosynthetic electron transport upon land colonization

Negli organismi eucarioti la fotosintesi ossigenica è catalizzata da 4 complessi localizzati sulle membrane tilacoidali dei cloroplasti: il fotosistema (PS) II, il citocromo b6f, il PSI e l’ATPasi cloroplastica. I primi tre mediano un trasporto lineare degli elettroni (LEF) dall’H2O al NADP+ per formare NADPH. L’ATPasi invece sfrutta il gradiente protonico generato dal LEF per sintetizzare ATP. NADPH e ATP sono utilizzati dal ciclo di Calvin per fissare la CO2 in zuccheri disponibili per il metabolismo. Durante la fotosintesi si formano molecole instabili che possono generare molecole dannose per la cellula quali le specie reattive dell’ossigeno (ROS). Particolari meccanismi regolatori prevengono la formazione di queste molecole, tra questi i trasporti elettronici alternativi (AEF) rimuovono elettroni dal LEF prevenendo l’over-riduzione dei traportatori e a formazione di ROS. Gli AEF possono essere divisi in trasporti ciclici (CEF) e pseudo-ciclici (PCEF) a seconda dell’accettore finale della via, rispettivamente il plastochinone o l’O2. I due principali CEF conosciuti sono mediati dalle proteine PGR5/PGRL1 e dal complesso NDH-1. Il PCEF è invece mediato dalle proteine FLV. In questa tesi è stato studiato Physcomitrella patens, un muschio che presenta tutti i principali AEF identificati in alghe e piante vascolari ed è quindi un buon modello dove poter comparare l’attività dei diversi AEF presenti. Le proteine FLV non sono presenti nelle angiosperme, una possibile spiegazione alla loro perdita è che un altro AEF abbia sostituito il loro ruolo rendendole dispensabili. Le FLV sono importanti nella risposta alla luce fluttuante, ruolo che nelle angiosperme è ricoperto da PGR5/PGRL1. Per valutare l’ipotesi che PGR5/PGRL1 abbia rimpiazzato le FLV, nel capitolo 3 di questa tesi abbiamo isolato un mutante di P. patens difettivo per entrambe le vie. Abbiamo individuato una forte sinergia tra le 2 vie, in particolare quando i mutanti sono stati esposti a regimi luminosi restrittivi, suggerendo una sovrapposizione funzionale e un possibile sostituzione di uno con l’altro nel corso dell’evoluzione. Inoltre, abbiamo stabilito che le FLV e PGR5/PGRL1 sono importanti per proteggere il PSI dalla sovra-riduzione, prevendendo cos’ danni ossidativi. Nel capitolo 4, abbiamo caratterizzato il complesso NDH-1 di P. patens, grazie all’isolamento di una linea difettiva per la sua funzione. Questi mutanti hanno evidenziato solo una piccola differenza nella funzionalità del PSI al momento in cui le piante sono state esposte ad una luce. Reiterando cicli di buio è luce, il difetto osservato aumentava significativamente suggerendo che NDH-1 possa essere attivo nei primi secondo dopo l’esposizione ad una fonte luminosa, proteggendo il PSI. Tuttavia, anche cresciute in una condizione di luce fluttuante le piante difettive di NDH-1 non hanno mostrato fenotipi di crescita, probabilmente a causa di un meccanismo di compensazione durante il processo di acclimatazione a questa condizione. Per identificare questa possibile compensazione, nel capitolo 5 abbiamo rimosso la funzione NDH-1 in piante già mancanti di PGRL1 e FLV, isolando un doppio mutante difettivo per entrambi CEF e un triplo mutante mancante sia di CEF che di PCEF. Per Entrambi abbiamo riscontrato ridotta crescita e capacità fotosintetica, evidenziando che la funzione di NDH-1 è molto più evidente quando gli altri AEF sono assenti, eliminando l’effetto di compensazione. Il triplo mutante inoltre ha mostrato una ridotta crescita anche in condizioni non stressanti dimostrando che i AEF sono indispensabili per una corretta attività fotosintetica. Analisi spettroscopiche e biochimiche hanno mostrato che i difetti individuati sono dovuti a evidenti danni a carico del PSI in queste piante.