Involvement of singlet oxygen in photoinhibition under different light and temperature conditions

Abstract

Besides being the source of life and energy in photosynthesis, light can paradoxically cause irreversible damage to photosynthetic machinery. Photoinhibition of photosystem II (PSII) causes light-induced irreversible damage leading to a loss of oxygen evolution and electron transfer activity. Although photoinhibition of PSII has been extensively studied, the exact molecular mechanisms under visible light remain a subject of debate. Singlet oxygen (1O2) is a reactive oxygen species which is proposed to act as a damaging agent in photoinhibition. In thylakoids, 1O2 is commonly produced via charge recombination reactions in PSII, suggesting a pivotal contribution. This thesis studies the involvement of 1O2 in photoinhibition both in vitro and in vivo under varied light and temperature conditions. According to theory, the involvement of 1O2 in photoinhibition enhances while moving towards red light region. Results showed positive temperature dependency for photoinhibition in vitro in used light conditions, while no temperature dependency was found in vivo. The involvement of 1O2 was assessed using deuterium oxide (D₂O), which prolongs 1O2 lifetime, and a Synechocystis sp. PCC 6803 ∆sigCDE strain, presumed to be resistant to 1O2 due to its high carotenoid content. Photoinhibition progressed more slowly in D₂O than in water-surroundings, suggesting a minor effect of 1O2 in photoinhibition. At the same time, ∆sigCDE showed slight resistance in red light compared to the control strain, which could conversely point to a potential role of 1O2 in photoinhibition. Interestingly, deviation from the first-order kinetics in photoinhibition was found both in vitro and in vivo experiments.

Valon ollessa elämän ja energian edellytys fotosynteesille voi se myös ristiriitaisesti aiheuttaa peruuttamatonta vahinkoa fotosynteesikoneistossa. Fotosysteemi II:n (PSII) fotoinhibitio aiheuttaa irreversiibeliä valovauriota, joka johtaa hapen muodostumiskyvyn ja elektroninsiirtoaktiivisuuden menetykseen. Vaikka PSII:n fotoinhibitiota on tutkittu laajalti jo usean vuosikymmenen ajan, tarkoista molekulaarisista mekanismeista näkyvän valon alueella ei olla edelleenkään yhtä mieltä. Singlettihappi (1O2) on reaktiivinen happiyhdiste, jonka on ehdotettu toimivan valovaurion aikaansaajana fotoinhibitiossa. Tylakoideissa 1O2:a muodostuu rekombinaatioreaktioiden seurauksena PSII:ssa, mikä tekee siitä otollisen valovaurion aiheuttajan PSII:n fotoinhibitiossa. Tässä tutkielmassa havainnollistan 1O2:n osallisuutta fotoinhibitiossa in vitro - ja in vivo -kokeilla muuttamalla valo- ja lämpötilaolosuhteita. Teorian mukaan 1O2:n osallisuus fotoinhibitiossa kasvaa liikuttaessa kohti punaisen valon aluetta. Fotoinhibition lämpötilariippuvuus havaittiin olevan positiivista in vitro -kokeissa käytetyissä valo-olosuhteissa. Lämpötilariippuvuutta in vivo -kokeissa ei löydetty. Tutkielmassani 1O2:n osallisuutta fotoinhibitiossa havainnollistettiin käyttämällä deuteriumoksidia (D2O) pidentämään 1O2:n elinikää. Lisäksi Synechocystis sp. PCC 6803 ∆sigCDE mutanttikantaa käytettiin 1O2:n havainnollistamiseen sen solunsisäisen korkean karotenoidi pitoisuuden vuoksi. Fotoinhibitio D2O:ssa eteni hitaammin verrattuna vesipohjaiseen liuottimeen, ehdottaen että 1O2:n määrällä liuottimessa on vain vähän vaikutusta fotoinhibitioon. ∆sigCDE kanta osoitti puolestaan punaisessa valossa lievää vastustuskykyä fotoinhibitiolle verrattuna kontrollikantaan, mikä päinvastaisesti ehdottaa 1O2:n mahdollista osallistumista fotoinhibitioon. Lisäksi fotoinhibition havaittiin yllättäen poikkeavan ensimmäisen kertaluvun kinetiikasta molemmissa in vitro - ja in vivo -kokeissa.