Academic literature on the topic 'Tylakoid'

Faza świetlna fotosyntezy jest kluczowym procesem energetycznym u roślin wyższych. Jej celem jest konwersja energii świetlnej w energię chemiczną w postaci ATP i NADPH, które są następnie wykorzystywane do asymilacji CO2 oraz szeregu innych procesów metabolicznych. Utrzymanie optymalnej wydajności procesu fotosyntezy wymaga ścisłej regulacji organizacji błon tylakoidów i szybkiego reagowania na zmienne warunki środowiska. Głównym czynnikiem wpływającym na wydajność fotosyntezy jest światło, które w zbyt wysokim natężeniu prowadzi do spowolnienia procesu. Dlatego rośliny wykształciły szereg mechanizmów ochronnych regulujących reakcje świetlne fotosyntezy i działających na poziomie absorpcji energii świetlnej, transportu elektronów oraz dystrybucji i wykorzystania siły redukcyjnej. Należą do nich m. in.: (i) niefotochemiczne wygaszanie energii regulujące ilość dostarczanej energii wzbudzenia; (ii) proces przejścia stanów redystrybuujący ją pomiędzy fotosystemami; (iii) redundantne szlaki transportu elektronów odpowiadające za utrzymanie równowagi redoks w chloroplastach. Wszystkie te mechanizmy, w połączeniu z systemami antyoksydacyjnymi, mają na celu utrzymanie funkcji aparatu fotosyntetycznego w niesprzyjających warunkach wzrostu.

Computational resources became the major tool in the challenge of making high education moreeasy and motivating. Complex Biochemical pathways can now be presented in interactive and three-dimensional animations. One of the most complex (detailed) and interesting metabolic pathway thatstudents must understand in biochemical courses is photosynthesis. The light-dependent reactionsare of special interest since they involve many dierent kinds of mechanisms, as light absorptionby membrane complexes, proteins movement inside membranes, reactions of water hydrolysis, andelectrons ow; making it dicult to understand by static bi-dimensional representations.The resources of animation and ActionScript programming were used to make an interactive ani-mation of photosynthesis, which at some times even simulates three-dimensionality. The animationbegins with a leaf and progressively zooms in, until we have a scheme of a tylakoyd membrane, whereeach of the dierent steps of the pathway can be clicked to reveal a more detailed scheme of it. Whereappropriate, the energy graphs are shown side by side with the reactions. The electron is representedwith a face, so it can be shown to be stressing while going up in the energy graphs. Finally, there isa simplied version of the whole pathway, to illustrate how it all goes together.The objective is to help professors on teaching the subject in regular classes, since currently allthe explanations are omitted. In a future version, texts will be added to each step so it can beself-explicative to the students, helping them even on home or on-line learning.

Plastoglobule, istotne składniki plastydów, są zaangażowane w wiele etapów ich rozwoju: od biogenezy chloroplastów przez transformacje chloroplast-chromoplast, aż do powstawania gerontoplastów. Unikatowy skład białkowy i lipidowy tych struktur zależny od ich lokalizacji, sugeruje, iż plastoglobule są zarówno rezerwuarem materiałów zapasowych jak i stanowią ośrodek zachodzenia wielu reakcji metabolicznych. Plastoglobule aktywnie uczestniczą w metabolizmie prenylochinonów, karotenoidów, kwasu jasmonowego i odpowiadają za recykling produktów powstałych podczas dezintegracji błon tylakoidów. Bezpośrednie połączenie plastoglobul z tylakoidami pozwala na redystrybuowanie związków między obiema strukturami, co przyczynia się do ich roli w odpowiedzi na warunki stresowe. Silnie hydrofobowy charakter plastoglobul, ich specyficzny proteom i dostatecznie prosta procedura izolacji stwarza niezwykłe możliwości wykorzystania plastoglobul w biotechnologii roślin.

Zuzana Kubínová: Study of Quantitative Parameters of Norway Spruce Needle Structure under the Effect of Elevated CO2 Concentration and Different Irradiance, Doctoral Thesis, Prague 2019 Abstract Atmospheric concentration of CO2 is increasing, while its influence on plants is still not fully elucidated. Norway spruce (Picea abies L. Karst.) is an abundant conifer tree in European temperate and boreal forests, which behave as carbon sink in the global carbon cycle. The physiological response to elevated CO2 concentration may be interconnected with changes in leaf anatomy and morphology. Needle structure is also determined by other factors in addition to CO2 concentration, irradiance being the most important one. Thus, effect of irradiance was also included in our studies. The effects of elevated CO2 concentration and irradiance on Norway spruce needle structure were studied using new applications of well-established quantitative methods and novel methods enabling effective and unbiased analysis of needle structural traits. The General Procrustes analysis showed to be effective for needle shape on cross section comparison and the disector method proved to be suitable for chloroplast number estimates. The influence of elevated CO2 concentration and different irradiance on needle structure was studied at two...

Metale ciężkie są obecnie jednym z najpowszechniejszych zanieczyszczeń środowiska. Obieg metali ciężkich w naturalnym środowisku związany jest z wietrzeniem skał, erupcją wulkanów, procesami glebotwórczymi. Metale ciężkie dostają się do środowiska również za sprawą człowieka. Rośliny wykształciły dwa podstawowe mechanizmy odporności na metale ciężkie: unikanie oraz tolerancję. Po przedostaniu się do chloroplastów metale ciężkie mogą uszkadzać aparat fotosyntetyczny. W przeważającej większości prace dotyczące wpływu metali ciężkich na fotosyntezę skupiają się na ich oddziaływaniu na wiązanie dwutlenku węgla w cyklu Calvina- Bensona. Wiadomo bowiem, że metale, w tym jony Pb obniżają aktywność Rubisco oraz PEPC przez oddziaływanie z grupami –SH znajdującymi się w centrum aktywnym enzymów. Badania mające na celu określenie wpływu ołowiu na fazę jasną fotosyntezy prowadzono głównie w układach in vitro, w których ołów podawano bezpośrednio do chloroplastów. Stwierdzano wówczas zmiany w obrębie kompleksu utleniającego wodę (OEC), co przekładało się na ograniczenie transportu elektronów i generowanie stresu oksydacyjnego, prowadzącego do uszkadzania kompleksów błonowych. Badania prowadzono na liściach kukurydzy i grochu, reprezentujących dwa różne typy fotosyntezy, C4 i C3. Ołów w postaci rozpuszczalnej soli azotanowej podawano przez dobę wraz z prądem transpiracyjnym do odciętych liści kukurydzy bądź pozbawionych systemu korzeniowego pędów grochu. Rośliny będące obiektem badań rosły przy dwóch natężeniach światła: niskim (LL, 80 μmol m-2 s-1) oraz wysokim (HL, 600 μmol m-2 s-1). Obecność metalu ciężkiego w badanym materiale roślinnym potwierdzono przy zastosowaniu absorpcyjnej spektrometrii atomowej oraz mikroskopii elektronowej. W przedstawionej pracy po raz pierwszy pokazano, że wzmożona fosforylacja białek PSII w warunkach działania metalu ciężkiego może pełnić funkcję ochronną. Jony ołowiu stymulowały fosforylację białka D1 rdzenia PSII oraz niskocząsteczkowego białka PsbH, stabilizującego strukturę dimeryczną aktywnej postaci fotoukładu II. Fosforylację badano metodą immunodetekcji oraz spektrometrii masowej. Zarówno daleka czerwień, jak i ciemność, nie miały wpływu na defosforylację białka D1. Podawanie ołowiu w postaci 5 mM Pb(NO3)2 nie powodowało zmian w organizacji kompleksów białkowo- barwnikowych błon tylakoidowych w chloroplastach grochu oraz w chloroplastach komórek mezofilowych kukurydzy. Koreluje to z niezmienioną aktywnością fotoukładów w wymienionych typach chloroplastów, jak również z pomiarami fluorescencji chlorofilu a in vivo. Traktowanie roślin solą ołowiu, a następnie działanie wysokim natężeniem światła, powodującym fotoinhibicję nie wpływało na zawartość białka D1. Prawdopodobnie fosforylacja białka D1 w obecności metali ciężkich stanowi jeden z mechanizmów ochrony przed proteazami, gdyż białka ufosforylowane nie są degradowane, co warunkuje zachowanie aktywności fotosyntetycznej roślin. W przedstawionej rozprawie wykazano, że w liściach kukurydzy pierwszym miejscem działania dla docierającego wraz z prądem transpiracyjnym metalu są chloroplasty komórek pochew wokółwiązkowych. Obniżeniu ulegała w nich aktywność PSI i PSII, rozpadały się superkompleksy obydwu fotoukładów oraz miała miejsce monomeryzacja systemów antenowych LHCII. Ponadto przeprowadzone doświadczenia potwierdziły, że bardziej wrażliwa na działanie metali ciężkich jest faza ciemna fotosyntezy, a wpływ na fazę jasną ma głównie charakter zmian funkcjonalnych, nie strukturalnych. Wykazano, że budowa oraz różny metabolizm chloroplastów wpływają na ich odpowiedź na stres środowiskowy, jakim jest metal ciężki. Jednak istnieją wspólne mechanizmy, które pozostają uniwersalne, niezależnie od gatunku rośliny.
Heavy metals (HM) are widespread phytotoxic pollutants. Most of them are absorbed by the root of plants, where they can be accumulated. When the roots tolerance threshold is bridged, metals are translocated toward the leaves and affect the photosynthetic apparatus, but the mechanisms of HM toxicity to photosynthesis is still a matter of speculations. One of the heavy metals, that is not essential for plants growth is lead. The primary inhibitory site is supposed to be at the level of the Calvin cycle enzymes. Lead was also reported to disturb the granal structure of chloroplasts, reduce photosynthetic electron transport and affect the oxygen evolving complex. The aim of my studies was to compare the ways, the lead ions affect light reactions of photosyntesis in three types of chloroplasts: pea chloroplasts, maize mesophyll chloroplasts and maize bundle sheaths chloroplasts, differing structurally and functionally. Lead solution was introduced into the leaves (maize) or steams (pea) with transpiration stream (Pb ions would be introduced rapidly into the photosynthetic tissues). Plants were grown under two light conditions: low and high light. After 24 h of continuous exposure to relevant solutions, leaves were harvested for the experiments. Accumulation of Pb ions was higher in leaves of plants grown under both: LL than HL when compared with control, but effects of Pb ions were independent on light intensity during the growth. In the first step of my experiments, I measured intensity of photosynthesis and respiration. A decrease of CO2 fixation in metal- stressed plants was observed and at the same time respiration rate increased. Higher rate of respiration correlated with higher ATP/ADP ratio in the leaves. It was shown in our lab that stimulation of respiration in the leaves treated with lead remains in a close relationship with activation of malate dehydrogenase and stimulation of the mitochondrial ATP production. In the next step of my experimental work I analyzed the chlorophyll a by in vivo fluorescence. The presence of Pb ions did not affect photochemical efficiency of PSII and only a small reduction (about 10%) was observed in the measured Fv/Fm ratio (maximal efficiency of PSII). These results are in agreement with the observation that PSII activity was not affected by lead in thylakoids isolated from pea, and maize mesophyll chloroplasts, confirmed by similar results in the DCPIP photoreduction experiment. This activity results were measured spectrophotometrically. Contrary to PSII activity, presence of Pb ions had inhibitory effect on electron transport through PSII in bundle sheath thylakoids. In this case, when an extrinsic electron donor DPC was added the oxygen evolving complex reaction is omitted and the activity of PSII increases, thus the damaged caused by presence of Pb ions appeared to begin on the donor side of PSII. To investigate the possible effects of Pb ions on the organization of the major protein complexes in the thylakoid membrane from all the three types of chloroplasts, I employed blue-native (BN) electrophoresis. In this assay protein profiles obtained for control and Pb-treated leaves were similar, which demonstrated that lead does not disturb organization of thylakoid complexes. This stands in agreement with the fluorescence measurements and PSII activities. The reversible protein phosphorylation is a crucial mechanism, which is involved in metabolism as well as the regulation and stabilization of protein structure in stress conditions became my next focus. Therefore the next step of my investigation was phosphorylation. In my studies Pb ions significantly enhanced phosphorylation of the D1 protein in thylakoid membranes, as it was shown in the immunodetection analysis with antibodies. To make the quantification of the phosphorylation changes in the PSII core proteins upon lead treatment the nano- liquid chromatography mass spectrometry was used. This experiment was performed in collaboration with professor Vener team from Linköping University, Sweden. The quantitative results on the level of the phosphorylation for the PSII proteins were in agreement with the data obtained from western blotting. I detected a very strong phosphorylation of D1 and PsbH proteins after Pb treatment in both chloroplast types. It was found, that the phosphorylated form of D1 was resistant to degradation, while PsbH was essential for stabilization of the dimeric active form of photosystem II. The phosphorylation of the D1 protein after 24 hours of Pb treatment was maximal and did not change in dephosphorylation conditions, such as far red light and darkness. Moreover, the high light, which induces photoinhibitory effects did not caused changes in total amount of D1 protein. As it is known, phosphorylation protects D1 protein from oxidative damage by down-regulation of the production of superoxide anion in photosynthetic membranes under high light conditions. Therefore changes in phosphorylation of PSII core proteins induced by Pb ions may be a crucial regulation step in protection mechanism important for stabilization of the dimeric PSII complex in metal-stress conditions. My results show that acclimation to Pb ions was achieved in all types of investigated chloroplasts in the same way. However, these processes are obviously more complex because of their different metabolic status.

W pracy przedstawiono wyniki badań nad zmianami struktury przestrzennej błon tylakoidów w zależności od składu i organizacji kompleksów chlorofilowo-białkowych (CP) przeprowadzonych na dwóch gatunkach roślin: grochu zwyczajnym (Pisum sativum) oraz fasoli wielokwiatowej (Phaseolus coccineus). Gatunki te różnią się odpornością na niską temperaturę, groch jest rośliną tolerującą temperatury w zakresie 0-12oC, natomiast fasola jest wrażliwa na chłód. Różnią się także przestrzenną strukturą chloroplastów, w grochu tylakoidy zorganizowane są w duże, wyraźnie wyodrębnione grana, natomiast u fasoli obszary ścieśnione są mniejsze i nieregularnie rozmieszczone wewnątrz chloroplastu. Na podstawie obrazów fluorescencji chlorofilu uzyskanych metodą laserowej skaningowej mikroskopii konfokalnej opracowano przestrzenne modele odzwierciedlające rozkład i organizację błon tylakoidów u obu gatunków. Zbadano również wpływ jonów magnezu na zmiany struktury przestrzennej tylakoidów. Wpływ zmian składu i organizacji kompleksów CP na strukturę przestrzenną tylakoidów badano z wykorzystaniem dwóch układów doświadczalnych: przechłodzenia w ciemności odciętych liści oraz wzrostu roślin w warunkach optymalnej temperatury i umiarkowanego lub słabego natężenia światła. Stwierdzono, że w warunkach niskiej temperatury w tylakoidach fasoli następuje wzrost fosforylacji białek LHCII niezwiązany z aktywnością fotochemiczną tylakoidów. Natomiast w tych samych warunkach w tylakoidach grochu poziom fosforylacji ulega obniżeniu. Obserwacje te korelują ze zmianami struktury przestrzennej tylakoidów. W badaniach nad wpływem słabego natężenia światła określono różnice w strukturze przestrzennej tylakoidów, które zestawiono ze zmianami w: składzie białkowo-lipidowym błon tylakoidów, organizacji kompleksów CP i oddziaływaniach wewnątrzbłonowych oraz aktywności fotochemicznej PSII i PSI. Stwierdzono, że pomimo podobnych zmian strukturalnych w błonach tylakoidów grochu i fasoli związanych ze wzrostem w warunkach słabego natężenia światła zmiany organizacji kompleksów CP u obu gatunków podążają w odmiennych kierunkach. U grochu następuje m.in. częściowa migracja anten LHCII do fotosystemu I. Natomiast w przypadku fasoli migracja ta jest utrudniona, co jest sumarycznym efektem zmian składu lipidowego oraz stopnia agregacji białek – czynników wpływających na elastyczność błony tylakoidów. Badania wykazały, że zróżnicowane właściwości fizyko-chemiczne błon tylakoidów badanych gatunków określają ich możliwości aklimatyzacji do warunków niskiej temperatury i słabego światła. To zróżnicowanie składu i organizacji błon tylakoidów, będące punktem wyjściowym ułatwiającym lub utrudniającym przeciwdziałanie określonym warunkom stresowym, jest związane z pochodzeniem tych roślin z różnych stref klimatycznych.

The effect of elevated CO2 concentration (EC CO2) on photosynthesis has been observed on many hierarchical levels. There was a significant increase in the rate of photosynthesis of examined trees observed in previous studies thus I hypothesised these changes are accompanied by changes of chloroplast ultrastructure and photosystem content and function and the main aim of this study is to evaluate these adjustments. In this study 13 - 14 years old seedlings of Norway spruce (Picea abies L. Karst.) grown in glass domes with adjustable windows - one with ambient CO2 concentration as a control, the other one with simulated EC CO2 (700 ppm) - during the vegetative season were examined. Pigment content, fluorescence and reflectance indexes, activity of photosystem 1 (PS1) and 2 (PS 2) of isolated chloroplasts, size of cross-sectional area of chloroplast and proportion of stromal to granal thylakoids under EC CO2 treatment were investigated. Although there was a significant increase in the maximum rate of photosynthetic assimilation of trees from EC CO2 (observed by other researchers of our team), decreased chlorophyll and carotenoid content as well as the activity of both photosystems were observed, which is usually atributed to photosynthetic acclimation. As the rate of decrease of photosystem 1 and photosystem 2...