Ρυθμιστικοί μηχανισμοί της ευαισθησίας / ανθεκτικότητας του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία

Abstract

The depletion of stratospheric ozone over the Antarctic and Arctic has been observed since 1974 and 1990, respectively. The principal consequence of stratospheric ozone depletion is the increase in ultraviolet B (UVB: 280-320 nm) radiation reaching the Earth's surface. The potential impact of the enhanced solar UVB radiation predicted by atmospheric models has been the subject of investigation for the last two decades. The data collected from various reports involves roughly 300 species and varieties of plants. Around one-third to one-half of these plants showed physiological damage and/or growth reductions in response to UVB. Many studies have identified PSII as the most labile component of the photosynthetic apparatus to elevated UVB radiation. Still now the underlying mechanisms are a controversial subject that makes difficult to evaluate the environmental relevance of UVB effects on photosynthesis. Several different target sites have been proposed. These include the reaction center of PSII, the light harvesting complex (LHCII) and the acceptor/donor side of PSII. In spite of the great amount of research devoted to the effects of UVB radiation on plants during the past decades, efforts are still needed to clarify the molecular background of the UVB damage, as well as the protective and repair mechanisms. The primary target of UVB radiation in the photosynthetic apparatus is not clearly established. In addition, there are discrepancies between laboratory and field studies that make it difficult to estimate how much the projected increase in UVB radiation at the Earth’s surface will affect photosynthesis. In this context, this work was focused on the factors determining the sensitivity/tolerance of the photosynthetic apparatus to UVB and their regulation. The investigations were carried out in cultures of wt and wt-lhc mutant (similar to wt but without LHCII) of Scenedesmus obliquus. The results demonstrate that there is a fine mechanism that regulates the photosynthetic behavior to UVB radiation. This mechanism adjusts the molecular structure, conformation and function of the photosynthetic apparatus to UVB through regulation of the LHCII antenna. When exposed to UVB irradiation, which increases the over-excitation of PSII reaction centers, the photosynthetic apparatus adopts a behavior that simulates photoadaptation to low PAR (photosynthetically active radiation: 400-700 nm) intensities. Moreover, this UVBinduced alteration is strongly affected by the PAR background used during UVB treatment. Low PAR (LL) intensities increase the susceptibility of the photosynthetic apparatus to UVB damage, whilst high PAR (HL) intensities confer certain degree of protection, making the photosynthetic apparatus more tolerant to UVB stress. UVB radiation.

Η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος πάνω από τις Ανταρκτικές και Αρκτικές περιοχές διαπιστώθηκε για πρώτη φόρα το 1974 και το 1990, αντίστοιχα. Το σημαντικότερο αποτέλεσμα αυτής της αλλαγής είναι η αύξηση της υπεριώδους ακτινοβολίας (UVB: 280-320nm) που προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Η πιθανή επίδραση της αυξημένης UVB ακτινοβολίας στην βιόσφαιρα και ιδιαίτερα στα φυτά αποτέλεσε αντικείμενο εντατικής έρευνας τις τελευταίες 2 δεκαετίες. Τα αποτελέσματα μέχρι στιγμής αφορούν συνολικά 300 είδη φυτών. Περίπου στο ένα τρίτο έως και στα μισά από αυτά παρουσιάστηκαν έντονα συμπτώματα καταπόνησης, που σε μερικές περιπτώσεις οδήγισαν ακόμη και σε μείωση της αύξησης τους. Πολλές μελέτες ανέδειξαν το φωτοσύστημα ΙΙ (PSII) ως το πιο ευαίσθητο σημείο του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία. #ς στόχοι της UVB ακτινοβολίας στο PSII έχουν προταθεί κατά καιρούς το κέντρο αντίδρασης του PSII, το σύμπλοκο της φωτοσυλλεκτικής κεραίας (light-harvesting complex, LHCII) καθώς επίσης και οι ηλεκτρονιοδέκτες/ηλεκτρονιοπομποί του PSII. Παρ’όλα αυτά μέχρι σήμερα δεν γνωρίζουμε τον πρωτογενή μηχανισμό, ο οποίος ρυθμίζει την απόκριση του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία. Αυτός είναι και ο κύριος λόγος που δεν μπορούν να εκτιμηθούν οι επιπτώσεις της προβλεπόμενης αύξησης της UVB ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης, καθώς και οι ασυμφωνίες μεταξύ των αποτελεσμάτων από διάφορες μελέτες, που έγιναν έως σήμερα. Η παρούσα ερευνητική εργασία επικεντρώθηκε στην μελέτη των διαφοροποιήσεων της μοριακής δομής και λειτουργίας του φωτοσυνθετικού μηχανισμού, οι οποίες επηρεάζουν την ευαισθησία/ανθεκτικότητα του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία, καθώς επίσης και στους μηχανισμούς ρύθμισης τους, αποσκοπώντας στην ανάδειξη του πρωτογενή μηχανισμού απόκρισης στην UVB ακτινοβολία. Οι πειραματικές προσεγγίσεις έγιναν με καλλιέργειες αγρίου τύπου (wt) και με το μετάλλαγμα wt-lhc (φωτοσυνθετικός μηχανισμός παρόμοιος του wt, αλλά χωρίς LHCII) του μονοκύτταρου χλωροφύκους Scenedesmus obliquus. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει ένας εξαίρετος μηχανισμός, ο οποίος ρυθμίζει την μοριακή δομή, διαμόρφωση και λειτουργικότητα του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία, μέσω του LHCII. Όταν ο φωτοσυνθετικός μηχανισμός εκτίθεται στην UVB ακτινοβολία, η οποία αυξάνει την ?πίεση? διέγερσης του PSII, ο φωτοσυνθετικός μηχανισμός εμφανίζει αλλαγές, οι οποίες θυμίζουν φωτοπροσαρμογή σε χαμηλές εντάσεις φωτισμού. Αυτή η συμπεριφορά φάνηκε να επηρεάζεται έντονα από την ένταση της ορατής ακτινοβολίας (PAR-ακτινοβολία) στην διάρκεια της έκθεσης του οργανισμού σε UVB καταπόνηση. Συγκεκριμένα, οι χαμηλές εντάσεις φωτισμού αυξάνουν σημαντικά την ευαισθησία του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB ακτινοβολία, ενώ οι υψηλές εντάσεις φωτισμού την μειώνουν, αυξάνοντας σημαντικά την ανθεκτικοτήτα του. Βιοχημικές μελέτες έδειξαν ότι ο λόγος για τον οποίο οι χαμηλές εντάσεις φωτισμού δρουν συνεργιστικά, ενώ οι υψηλές εντάσεις φωτισμού δρουν ανταγωνιστικά με την UVB ακτινοβολία, οφείλεται πρωτίστως σε αλλαγές του επιπέδου των συνδεδεμένων στα θυλακοειδή πολυαμινών και ιδιαίτερα του λόγου Put/Spm, οι οποίες ακολουθούνται από αλλαγές στη σχέση ολιγομερών/μονομερών του LHCII. Η διαφοροποίηση των πολυαμινών στα θυλακοειδή φαίνεται να αποτελεί την πρωτογενή απόκριση του φωτοσυνθετικού μηχανισμού στην UVB, ρυθμίζοντας τον βαθμό ευαισθησίας του φωτοσυνθετικού μηχανισμού δια μέσου ρύθμισης του μεγέθους και της σύστασης του LHCII. Ρυθμίζοντας το μέγεθος της λειτουργικής φωτοσυλλεκτικής κεραίας, οι πολυαμίνες ρυθμίζουν τη χρήση της συλλεχθείσας ηλιακής ενέργειας στις φωτοχημικές και μη-φωτοχημικές διαδικασίες του φωτοσυνθετικού μηχανισμού.