Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự tiêu tán năng lượng ánh sáng dư thừa không đúng cách ở Arabidopsis dẫn đến việc tái lập trình chuyển hóa
Tóm tắt
Hiệu suất của cây trồng bị ảnh hưởng bởi mức độ biểu hiện của PsbS, một protein bảo vệ quang hợp chủ chốt tham gia vào quá trình phát xạ phản hồi (FDE), hoặc thành phần qE của hiện tượng quen hóa không quang hóa, NPQ. Trong các nghiên cứu được trình bày ở đây, dưới điều kiện phòng thí nghiệm không đổi, các hồ sơ chuyển hóa của lá của Arabidopsis thaliana kiểu hoang dã và cây con thiếu hoặc tăng cường biểu hiện PsbS rất tương đồng, nhưng dưới điều kiện tự nhiên, sự khác biệt trong mức độ biểu hiện PsbS của chúng có liên quan đến những thay đổi lớn trong các hồ sơ chuyển hóa. Một số carbohydrate và amino acid khác biệt gấp mười lần về độ phong phú giữa các đột biến thiếu PsbS và những cây tăng cường biểu hiện PsbS, trong khi các cây kiểu hoang dã có lượng trung gian, cho thấy rằng đã xảy ra một sự chuyển hóa. Các transcriptome của các kiểu gen cũng thay đổi dưới điều kiện thực địa, và các gen được kích thích ở các cây thiếu PsbS tương tự như những gì được báo cáo kích thích trong các cây tiếp xúc với căng thẳng ozone hoặc được điều trị bằng methyl jasmonate (MeJA). Các gen tham gia vào việc tổng hợp JA đã tăng cường biểu hiện, và các enzyme tham gia vào con đường này đã tích tụ. Mức độ JA trong các lá không bị tổn hại của cây trồng được canh tác ngoài đồng không khác biệt giữa các cây kiểu hoang dã và các đột biến thiếu PsbS, nhưng chúng cao hơn ở các đột biến khi chúng tiếp xúc với sự ăn uống. Những phát hiện này gợi ý rằng thiếu FDE dẫn đến việc gia tăng stress quang oxy hóa trong các chloroplast của các cây Arabidopsis được trồng ở đồng ruộng, điều này gây ra một phản ứng ở mức độ transcriptome, dẫn đến việc định hướng lại chuyển hóa từ tăng trưởng sang phòng thủ mà giống như phản ứng MeJA/JA.
Từ khóa
#Arabidopsis thaliana; PsbS; phản ứng MeJA/JA; stress quang oxy hóa; phát xạ phản hồi (FDE); hiện tượng quen hóa không quang hóa (NPQ)Tài liệu tham khảo
Li XP, Bjorkman O, Shih C, Grossman AR, Rosenquist M, Jansson S, Niyogi KK: A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting. Nature. 2000, 403 (6768): 391-395. 10.1038/35000131.
Havaux M, Niyogi KK: The violaxanthin cycle protects plants from photooxidative damage by more than one mechanism. Proc Natl Acad Sci USA. 1999, 96 (15): 8762-8767. 10.1073/pnas.96.15.8762.
Külheim C, Ågren J, Jansson S: Rapid regulation of light harvesting and plant fitness in the field. Science. 2002, 297 (5578): 91-93. 10.1126/science.1072359.
Horton P, Ruban AV, Walters RG: Regulation of light harvesting in green plants. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1996, 47: 655-684. 10.1146/annurev.arplant.47.1.655.
Kulheim C, Jansson S: What leads to reduced fitness in non-photochemical quenching mutants?. Physiologia Plantarum. 2005, 125 (2): 202-211. 10.1111/j.1399-3054.2005.00547.x.
Frenkel M, Bellafiore S, Rochaix JD, Jansson S: Hierarchy amongst photosynthetic acclimation responses for plant fitness. Physiologia Plantarum. 2007, 129 (2): 455-459. 10.1111/j.1399-3054.2006.00831.x.
Gullberg J, Jonsson P, Nordstrom A, Sjostrom M, Moritz T: Design of experiments: an efficient strategy to identify factors influencing extraction and derivatization of Arabidopsis thaliana samples in metabolomic studies with gas chromatography/mass spectrometry. Analytical Biochemistry. 2004, 331 (2): 283-295. 10.1016/j.ab.2004.04.037.
Jonsson P, Bruce SJ, Moritz T, Trygg J, Sjöström M, Plumb R, Granger J, Maibaum E, Nicholson JK, Holmes E, Antti H: Extraction interpretation and validation of information for comparing samples in metabolic LC/MS data sets. Analyst. 2005, 130 (5): 701-707. 10.1039/b501890k.
Trygg J, Wold S: O2-PLS, a two-block (X-Y) latent variable regression (LVR) method with an integral OSC filter. Journal of Chmeometrics. 2003, 17 (1): 53-64. 10.1002/cem.775.
Martens H, Martens M: Modified Jack-knife estimation of parameter uncertainty in bilinear modelling by partial least squares regression (PLSR). Food Quality and Preference. 2000, 11 (1–2): 5-16. 10.1016/S0950-3293(99)00039-7.
Schauer N, Steinhauser D, Strelkov S, Schomburg D, Allison G, Moritz T, Lundgren K, Roessner-Tunali U, Forbes MG, Willmitzer L, Fernie AR, Kopka J: GC-MS libraries for the rapid identification of metabolites in complex biological samples. FEBS Lett. 2005, 579 (6): 1332-1337. 10.1016/j.febslet.2005.01.029.
Fouad WM, Rathinasabapathi B: Expression of bacterial L-aspartate-alpha-decarboxylase in tobacco increases beta-alanine and pantothenate levels and improves thermotolerance. Plant Molecular Biology. 2006, 60 (4): 495-505. 10.1007/s11103-005-4844-9.
Peterbauer T, Richter A: Biochemistry and physiology of raffinose family oligosacharides and galactosyl cyclitols in seeds. Seed Science research. 2001, 11 (3): 185-197.
Thimm O, Blasing O, Gibon Y, Nagel A, Meyer S, Kruger P, Selbig J, Muller LA, Rhee SY, Stitt M: MAPMAN: a user-driven tool to display genomic data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. Plant J. 2004, 37 (6): 914-939. 10.1111/j.1365-313X.2004.02016.x.
Usadel B, Nagel A, Thimm O, Redestig H, Blaesing OE, Palacios-Rojas N, Selbig J, Hannemann J, Piques MC, Steinhauser D, Scheible WR, Gibon Y, Morcuende R, Weicht D, Meyer S, Stitt M: Extension of the visualization tool mapman to allow statistical analysis of arrays, display of corresponding genes, and comparison with known responses. Plant Physiol. 2005, 138 (3): 1195-1204. 10.1104/pp.105.060459.
Noren H, Svensson P, Stegmark R, Funk C, Adamska I, Andersson B: Expression of the early light-induced protein but not the PsbS protein is influenced by low temperature and depends on the developmental stage of the plant in field-grown pea cultivars. Plant Cell Environ. 2003, 26 (2): 245-253. 10.1046/j.1365-3040.2003.00954.x.
Biehl A, Richly E, Noutsos C, Salamini F, Leister D: Analysis of 101 nuclear transcriptomes reveals 23 distinct regulons and their relationship to metabolism, chromosomal gene distribution and co-ordination of nuclear and plastid gene expression. Gene. 2005, 344: 33-41. 10.1016/j.gene.2004.09.009.
Farmer EE, Ryan CA: Octadecanoid precursors of jasmonic acid activate the synthesis of wound inducible proteinase inhibitors. Plant Cell. 1992, 4 (2): 129-134. 10.1105/tpc.4.2.129.
Taji T, Ohsumi C, Seki M, Kasuga M, Kobayashi M, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K: Important roles of drought- and cold-inducible genes for galactinol synhtase in stress tolerance in Arabidopsis thaliana. Plant J. 2002, 29 (4): 417-426. 10.1046/j.0960-7412.2001.01227.x.
Allemeersch J, Durinck S, Vanderhaeghen R, Alard P, Maes R, Seeuws K, Bogaert T, Coddens K, Deschouwer K, Van Hummelen P, Vuylsteke M, Moreau Y, Kwekkeboom J, Wijfjes AH, May S, Beynon J, Hilson P, Kuiper MT: Benchmarking the CATMA microarray. A novel tool for Arabidopsis transcriptome analysis. Plant Physiology. 2005, 137 (2): 588-601. 10.1104/pp.104.051300.
Kleine T, Kindgren P, Benedict C, Hendrickson L, Strand A: Genome-wide gene expression analysis reveals a critical role for CRYPTOCHROME1 in the response of arabidopsis to high irradiance. Plant Physiology. 2007, 144 (3): 1391-1406. 10.1104/pp.107.098293.
Rossel JB, Walter PB, Hendrickson L, Chow WS, Poole A, Mullineaux PM, Pogson BJ: A mutation affecting ASCORBATE PEROXIDASE 2 gene expression reveals a link between responses to high light and drought tolerance. Plant Cell and Environment. 2006, 29 (2): 269-281. 10.1111/j.1365-3040.2005.01419.x.
Turner JG, Ellis C, Devoto A: The jasmonate signal pathway. Plant Cell. 2002, 14: S153-S164.
Sasaki Y, Asamizu E, Shibata D, Nakamura Y, Kaneko T, Awai K, Amagai M, Kuwata C, Tsugane T, Masuda T, Shimada H, Takamiya K, Ohta H, Tabata S: Monitoring of methyl jasmonate-responsive genes in Arabidopsis by cDNA macroarray: Self-activation of jasmonic acid biosynthesis and crosstalk with other phytohormone signaling pathways. DNA Res. 2001, 8 (4): 153-161. 10.1093/dnares/8.4.153.
Staswick PE, Tiryaki I: The oxylipin signal jasmonic acid is activated by an enzyme that conjugates it to isoleucine in Arabidopsis. Plant Cell. 2004, 16 (8): 2117-2127. 10.1105/tpc.104.023549.
Baldwin IT: Jasmonate-induced responses are costly but benefit plants under attack in native populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1998, 95 (14): 8113-8118. 10.1073/pnas.95.14.8113.
Kessler A, Halitschke R, Baldwin IT: Silencing the jasmonate cascade: Induced plant defenses and insect populations. Science. 2004, 305 (5684): 665-668. 10.1126/science.1096931.
Ganeteg U, Klimmek F, Jansson S: Lhca5 – an LHC-type protein associated with photosystem I. Plant Molecular Biology. 2004, 54 (5): 641-651. 10.1023/B:PLAN.0000040813.05224.94.
Ganeteg U, Strand A, Gustafsson P, Jansson S: The properties of the chlorophyll a/b-binding proteins Lhca2 and Lhca3 studied in vivo using antisense inhibition. Plant Physiology. 2001, 127 (1): 150-158. 10.1104/pp.127.1.150.
Li X-P, Müller-Moulé P, Gilmore AM, Niyogi KK: PsbS-dependant enhancement of feedback de-excitation protect photosystem II from photoinhibition. Proc Natl Acad Sci USA. 2002, 99 (23): 15222-15227. 10.1073/pnas.232447699.
Hilson P, Allemeersch J, Altmann T, Aubourg S, Avon A, Beyon J, Bhalerao R, Bitton F, Caboche M, Cannoot B, et al: Versatile Gene-specific sequence tags for arabidopsis functional genomics: transcription profiling and reverse genomics application. Genome Res. 2004, 14: 2176-2189. 10.1101/gr.2544504.
Sjodin A, Bylesjo M, Skogstrom O, Eriksson D, Nilsson P, Ryden P, Jansson S, Karlsson J: UPSC-BASE – Populus transcriptomics online. Plant Journal. 2006, 48 (5): 806-817. 10.1111/j.1365-313X.2006.02920.x.
Dall'Osto L, Caffarri S, Bassi R: A mechanism of nonphotochemical energy dissipation, independent from PsbS, revealed by a conformational change in the antenna protein CP26. Plant Cell. 2005, 17 (4): 1217-1232. 10.1105/tpc.104.030601.
Bassi R, Dainese P: A Supramolecular Light-Harvesting Complex from Chloroplast Photosystem-Ii Membranes. European Journal of Biochemistry. 1992, 204 (1): 317-326. 10.1111/j.1432-1033.1992.tb16640.x.
Havaux M, Eymery F, Porfirova S, Rey P, Dormann P: Vitamin E protects against photoinhibition and photooxidative stress in Arabidopsis thaliana. Plant Cell. 2005, 17 (12): 3451-3469. 10.1105/tpc.105.037036.