Establishing redox buffers in chloroplasts through Flavo-diiron proteins in plants as strategy to enhance plant growth and stress tolerance

Abstract

Die Fähigkeit der Pflanzen, die Photosynthese in einer sich dynamisch verändernden Umwelt aufrechtzuerhalten, ist für ihr Wachstum von zentraler Bedeutung. Cyanobakterien, Algen, nicht-vaskuläre Pflanzen und Gymnospermen besitzen Flavodiirone (Flvs), eine Klasse von Proteinen, die in den Angiospermen fehlen; diese Proteine mildern die Photoinhibition des Photosystems I oder II in diesen Organismen. In meiner Dissertation wurden vier cyanobakterielle Flvs-Gene in A. thaliana exprimiert, um die Funktion der Photosysteme I und II zu verbessern und damit das Pflanzenwachstum unter ungünstigen Umweltbedingungen zu fördern. Es konnte gezeigt werden, dass die Expression von Flv1-4 und eine Kombination von Flv1/Flv3, Flv2/Flv4, das Pflanzenwachstum verbessert. Anhand von Chlorophyll-Fluoreszenzmessungen konnte gezeigt werden, dass die photosynthetische Aktivität bei den transgenen Pflanzen früher einsetzt als beim Wildtyp. Die photosynthetische Leistung der transgenen Pflanzen ging mit einer erhöhten ATP-Produktion, einer Beschleunigung des Kohlenhydratstoffwechsels und schliesslich einer erhöhten Biomasse einher. Diese Hinweise unterstreichen, dass Flvs den Elektronendruck bei PS I mindern, indem sie den Photosynthese-Apparat schützen und damit das Wachstumspotential der Pflanze fördern. Somit konnte gezeigt werden, dass diese Proteine ein grosses Potential für ein besseres Pflanzenwachstum darstellen.

The ability of plants to maintain photosynthesis in a dynamically changing environment is of central importance for their growth. Cyanobacteria, algae, non-vascular plants and gymnosperms possess flavodiirons (Flvs), a class of proteins absent in the angiosperms; these proteins mitigate the photoinhibition of photosystem I or II in these organisms. In my thesis, four cyanobacterial Flvs genes were expressed in A. thaliana to improve the function of the photosystems I and II and thus to enhance plant growth in adverse conditions. The expression of Flv1-4 and a combination of Flv1/Flv3, Flv2/Flv4 was shown to improve plant growth. Using chlorophyll fluorescence measurements, it was shown that photosynthetic activity was initiated earlier in the transgenic plants than in the wild type. The photosynthetic performance of the transgenic plants was accompanied by an increased production of ATP, an acceleration of carbohydrate metabolism and finally the biomass. These indications emphasize that Flvs relieve electron pressure at PS I, act to both protect photosynthesis and together their presence is beneficial for the plant’s growth potential.