БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 2089–2098

УДК 577.355; 577.115.3

Индукция экспрессии фотозащитных белков PsbS и LhcSR в клетках зелёной микроводоросли Lobosphaera incisa IPPAS С‑2047 под действием низкой положительной температуры

© 2022 В.В. Птушенко 1,2*ptush@belozersky.msu.ru, Г.Н. Бондаренко 3, Е.Н. Виноградова 4,5, Е.С. Глаголева 1,4, О.В. Карпова 4, О.С. Птушенко 1,4, К.А. Шибзухова 1,4, А.Е. Соловченко 4,6, Е.С. Лобакова 4

НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия

Институт биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН, 119334 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва, Россия

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, биологический факультет, 119991 Москва, Россия

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 123182 Москва, Россия

Псковский государственный университет, 180000 Псков, Россия

Поступила в редакцию 06.10.2022
После доработки 03.11.2022
Принята к публикации 03.11.2022

DOI: 10.31857/S0320972522120235

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: тепловая диссипация энергии света, PsbS, LhcSR, световой стресс, низкотемпературная акклимация, Chlorophyta.

Аннотация

Во всех группах организмов, осуществляющих оксигенный фотосинтез, существенную роль в защите фотосинтетического аппарата (ФСА) от повреждающего действия избыточного освещения играет нефотохимическое тушение (НФТ) возбуждённых состояний хлорофилла. У зелёных водорослей, а также у ряда других групп водорослей и мохообразных ключевым компонентом механизма НФТ является белок LhcSR, родственный белкам фотосинтетической антенны. У сосудистых растений этот белок отсутствует, а его функции выполняет белок фотосистемы II (ФСII) PsbS, принадлежащий к тому же суперсемейству антенных белков. PsbS также встречается и выполняет защитную функцию по крайней мере у некоторых мохообразных. Долгое время считалось, что в клетках зелёных водорослей PsbS не активен, хотя и присутствует в их геноме. Лишь шесть лет назад появились первые свидетельства о накоплении PsbS в клетках модельного организма Chlamydomonas reinhardtii в ответ на рост интенсивности света. Однако наблюдаемое возрастание содержания PsbS было кратковременным (часы). Мы обнаружили у зелёной водоросли Lobosphaera incisa сохраняющийся в течение четырёх суток значительный (более чем на три порядка) рост уровня экспрессии PsbS в ответ на спровоцированный низкой температурой световой стресс, а менее значительное (порядка десятикратного) повышение уровня экспрессии PsbS сохранялось до девяти суток. Тем самым в настоящей работе мы впервые показываем продолжительное возрастание уровня экспрессии PsbS в клетках зелёных водорослей (Chlorophyta) в ответ на стресс. Это может означать, что функция PsbS в ФСА Chlorophyta не сводится к роли «первого эшелона» защиты в переходных состояниях, как предполагали ранее, а включает полноценное участие в долговременной защите ФСА от стрессовых условий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-24-00323).

Благодарности

Спектрофотометрические измерения были выполнены с использованием оборудования ЦКП «Фенотипирование фототрофных организмов» МГУ имени М.В. Ломоносова научной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология». Авторы благодарны Р.А. Зиновкину и М.Д. Логачевой за советы и помощь с обеспечением реактивами и оборудова-нием.

Вклад авторов

Проведение экспериментов по ПЦР-РВ – О.К., Е.В., Е.Г., В.П.; получение, ведение культуры микроводорослей и контроль её состояния – К.Ш., Г.Б., А.С., Е.Л.; обработка результатов – О.П., В.П.; концепция и руководство работой, написание текста – В.П.; обсуждение результатов исследования – все авторы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания выполненных авторами исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Список литературы

1. Demmig-Adams, B., Cohu, C. M., Muller, O., and Adams III, W. W. (2012) Modulation of photosynthetic energy conversion efficiency in nature: from seconds to seasons, Photosynth. Res., 113, 75-88, doi: 10.1007/s11120-012-9761-6.

2. Müller, P., Li, X.-P., and Niyogi, K. K. (2001) Non-photochemical quenching. A response to excess light energy, Plant Physiol., 125, 1558-1566, doi: 10.1104/pp.125.4.1558.

3. Demmig-Adams, B. (1990) Carotenoids and photoprotection in plants: a role for the xanthophyll zeaxanthin, Biochim. Biophys. Acta, 1020, 1-24, doi: https://doi.org/10.1016/0005-2728(90)90088-L.

4. García-Plazaola, J. I., Esteban, R., Fernández-Marín, B., Kranner, I., and Porcar-Castell, A. (2012) Thermal energy dissipation and xanthophyll cycles beyond the Arabidopsis model, Photosynth. Res., 113, 89-103, doi: 10.1007/s11120-012-9760-7.

5. Peers, G., Truong, T. B., Ostendorf, E., Busch, A., Elrad, D., Grossman, A. R., Hippler, M., and Niyogi, K. K. (2009) An ancient light-harvesting protein is critical for the regulation of algal photosynthesis, Nature, 462, 518-521, doi: 10.1038/nature08587.

6. Pinnola, A. (2019) The rise and fall of Light-Harvesting Complex Stress-Related proteins as photoprotection agents during evolution, J. Exp. Bot., 70, 5527-5535, doi: 10.1093/jxb/erz317.

7. Li, X.-P., Müller-Moulé, P., Gilmore, A. M., and Niyogi, K. K. (2002) PsbS-dependent enhancement of feedback de-excitation protects photosystem II from photoinhibition, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 15222-15227, doi: 10.1073/pnas.232447699.

8. Guarnetti Prandi, I., Sláma, V., Pecorilla, C., Cupellini, L., and Mennucci, B. (2022) Structure of the stress-related LHCSR1 complex determined by an integrated computational strategy, Commun. Biol., 5, 1-10, doi: 10.1038/s42003-022-03083-8.

9. Pinnola, A., Staleva-Musto, H., Capaldi, S., Ballottari, M., Bassi, R., and Polívka, T. (2016) Electron transfer between carotenoid and chlorophyll contributes to quenching in the LHCSR1 protein from Physcomitrella patens, Biochim. Biophys. Acta, 1857, 1870-1878, doi: 10.1016/j.bbabio.2016.09.001.

10. Park, S., Steen, C. J., Lyska, D., Fischer, A. L., Endelman, B., Iwai, M., Niyogi, K. K., and Fleming, G. R. (2019) Chlorophyll–carotenoid excitation energy transfer and charge transfer in Nannochloropsis oceanica for the regulation of photosynthesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 3385-3390, doi: 10.1073/pnas.1819011116.

11. Li, X.-P., Björkman, O., Shih, C., Grossman, A. R., Rosenquist, M., Jansson, S., and Niyogi, K. K. (2000) A pigment-binding protein essential for regulation of photosynthetic light harvesting, Nature, 403, 391-395, doi: 10.1038/35000131.

12. Aspinall-O’Dea, M., Wentworth, M., Pascal, A., Robert, B., Ruban, A. V., and Horton, P. (2002) The PsbS subunit of photosystem II binds zeaxanthin and activates it for non-photochemical fluorescence quenching, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 16331-16335, doi: 10.1073/pnas.252500999.

13. Dominici, P., Caffarri, S., Armenante, F., Ceoldo, S., Crimi, M., and Bassi, R. (2002) Biochemical properties of the PsbS subunit of photosystem II either purified from chloroplast or recombinant, J. Biol. Chem., 277, 22750-22758, doi: 10.1074/jbc.M200604200.

14. Bonente, G., Howes, B. D., Caffarri, S., Smulevich, G., and Bassi, R. (2008) Interactions between the photosystem II subunit PsbS and xanthophylls studied in vivo and in vitro, J. Biol. Chem., 283, 8434-8445, doi: 10.1074/jbc.M708291200.

15. Fan, M., Li, M., Liu, Z., Cao, P., Pan, X., Zhang, H., Zhao, X., Zhang, J., and Chang, W. (2015) Crystal structures of the PsbS protein essential for photoprotection in plants, Nat. Struct. Mol. Biol., 22, 729-735, doi: 10.1038/nsmb.3068.

16. Ruban, A. V., and Wilson, S. (2021) The mechanism of non-photochemical quenching in plants: localization and driving forces, Plant Cell Physiol., 62, 1063-1072, doi: 10.1093/pcp/pcaa155.

17. Daskalakis, V., Papadatos, S., and Kleinekathoefer, U. (2019) Fine tuning of the photosystem II major antenna mobility within the thylakoid membrane of higher plants, Biochim. Biophys. Acta, 1861, 183059, doi: 10.1016/j.bbamem.2019.183059.

18. Niyogi, K. K., and Truong, T. B. (2013) Evolution of flexible non-photochemical quenching mechanisms that regulate light harvesting in oxygenic photosynthesis, Curr. Opin. Plant Biol., 16, 307-314, doi: 10.1016/j.pbi.2013.03.011.

19. Giovagnetti, V., and Ruban, A. V. (2018) The evolution of the photoprotective antenna proteins in oxygenic photosynthetic eukaryotes, Biochem. Soc. Trans., 46, 1263-1277, doi: 10.1042/BST20170304.

20. Alboresi, A., Gerotto, C., Giacometti, G. M., Bassi, R., and Morosinotto, T. (2010) Physcomitrella patens mutants affected on heat dissipation clarify the evolution of photoprotection mechanisms upon land colonization, Proc. Natl. Acad. of Sci. USA, 107, 11128-11133, doi: 10.1073/pnas.1002873107.

21. Tibiletti, T., Auroy, P., Peltier, G., and Caffarri, S. (2016) Chlamydomonas reinhardtii PsbS protein is functional and accumulates rapidly and transiently under high light, Plant Physiol., 171, 2717-2730, doi: 10.1104/pp.16.00572.

22. Gao, S., Pinnola, A., Zhou, L., Zheng, Z., Li, Z., Bassi, R., and Wang, G. (2022) Light-harvesting complex stress-related proteins play crucial roles in the acclimation of physcomitrella patens under fluctuating light conditions, Photosynth. Res., 151, 1-10, doi: 10.1007/s11120-021-00874-8.

23. Gerotto, C., Alboresi, A., Giacometti, G. M., Bassi, R., and Morosinotto, T. (2012) Coexistence of plant and algal energy dissipation mechanisms in the moss Physcomitrella patens, New Phytologist, 196, 763-773, doi: 10.1111/j.1469-8137.2012.04345.x.

24. Anwaruzzaman, M., Chin, B. L., Li, X.-P., Lohr, M., Martinez, D. A., and Niyogi, K. K. (2004) Genomic analysis of mutants affecting xanthophyll biosynthesis and regulation of photosynthetic light harvesting in Chlamydomonas reinhardtii, Photosynth. Res., 82, 265-276, doi: 10.1007/s11120-004-2439-y.

25. Bonente, G., Passarini, F., Cazzaniga, S., Mancone, C., Buia, M. C., Tripodi, M., Bassi, R., and Caffarri, S. (2008) The occurrence of the psbS gene product in Chlamydomonas reinhardtii and in other photosynthetic organisms and its correlation with energy quenching, Photochem. Photobiol., 84, 1359-1370, doi: 10.1111/j.1751-1097.2008.00456.x.

26. Miller, R., Wu, G., Deshpande, R. R., Vieler, A., Gärtner, K., Li, X., Moellering, E. R., Zäuner, S., Cornish, A. J., Liu, B., Bullard, B., Sears, B. B., Kuo, M.-H., Hegg, E. L., Shachar-Hill, Y., Shiu, S.-H., and Benning, C. (2010) Changes in transcript abundance in Chlamydomonas reinhardtii following nitrogen deprivation predict diversion of metabolism, Plant Physiol., 154, 1737-1752, doi: 10.1104/pp.110.165159.

27. Zones, J. M., Blaby, I. K., Merchant, S. S., and Umen, J. G. (2015) High-resolution profiling of a synchronized diurnal transcriptome from Chlamydomonas reinhardtii reveals continuous cell and metabolic differentiation, Plant Cell, 27, 2743-2769, doi: 10.1105/tpc.15.00498.

28. Correa-Galvis, V., Redekop, P., Guan, K., Griess, A., Truong, T. B., Wakao, S., Niyogi, K. K., and Jahns, P. (2016) Photosystem II subunit PsbS is involved in the induction of LHCSR protein-dependent energy dissipation in Chlamydomonas reinhardtii, J. Biol. Chem., 291, 17478-17487, doi: 10.1074/jbc.M116.737312.

29. Strenkert, D., Schmollinger, S., Gallaher, S. D., Salomé, P. A., Purvine, S. O., Nicora, C. D., Mettler-Altmann, T., Soubeyrand, E., Weber, A. P. M., Lipton, M. S., Basset, G. J., and Merchant, S. S. (2019) Multiomics resolution of molecular events during a day in the life of Chlamydomonas, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116, 2374-2383, doi: 10.1073/pnas.1815238116.

30. Птушенко В. В., Бондаренко Г. Н., Виноградова Е. Н., Глаголева Е. С., Карпова О. В., Птушенко О. С., Соловченко А. Е., Трубицин Б. В., Чивкунова О. Б., Шибзухова К. А., Щербаков П.Н. (2021) Действие низких положительных температур на фотосинтетический аппарат микроводоросли Lobosphaera incisa IPPAS С-2047, Биохимия, 86, 1853-1864, doi: 10.31857/S0320972521120095.

31. Zhao, X., Tang, X., Hu, S., Zhong, Y., Qu, T., and Wang, Y. (2019) Photosynthetic response of floating Ulva prolifera to diurnal changes of in-situ environments on the sea surface, J. Oceanol. Limnol., 37, 589-599, doi: 10.1007/s00343-019-8081-5.

32. Maier, T., Güell, M., and Serrano, L. (2009) Correlation of mRNA and protein in complex biological samples, FEBS Lett., 583, 3966-3973, doi: 10.1016/j.febslet.2009.10.036.

33. Richardson, K., Beardall, J., and Raven, J. A. (1983) Adaptation of unicellular algae to irradiance: an analysis of strategies, New Phytologist, 93, 157-191, doi: 10.1111/j.1469-8137.1983.tb03422.x.