pobierz plik - Wydział Biologii UW

AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ M GR ŁUCJI KOWALEWSKIEJ „B IO G E N E Z A C H L O R O P L A S T Ó W – S T R U K T U R A LN Y , M O LE K U LA R N Y I F U N K C JO N A L N Y P O Z IO M O R G A N IZ A C JI O R G A N E L L U M ” PRACĘ W YKONANO W ZAKŁADZIE ANATOMII I CYTOLOGII ROŚLIN Promotor: prof. dr hab. Agnieszka Mostowska – Zakład Anatomii i Cytologii Roślin, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski Recenzenci: prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska – Zakład Biofizyki i Morfogenezy Roślin, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Śląski w Katowicach dr hab. Beata Myśliwa-­‐Kurdziel – Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Uniwersytet Jagielloński w Krakowie Biogeneza
chloroplastów
jest
wieloetapowym,
złożonym
procesem
prowadzącym
do wykształcenia w pełni wyróżnicowanego, funkcjonalnie dojrzałego organellum. Proces ten
obejmuje: ekspresję genów jądrowych i chloroplastowych, syntezę lipidów polarnych i barwników,
import do plastydów białek kodowanych jądrowo, interakcje białka-lipidy, insercję białek do błon
tylakoidów oraz tworzenie funkcjonalnie dojrzałych kompleksy fotosyntetycznych. Głównym
czynnikiem indukującym mechanizm biogenezy chloroplastów jest światło, które reguluje proces
transkrypcji genów fotomorfogenezy z udziałem wyspecjalizowanych receptorów, indukuje
fotoredukcję protochlorofilidu i pełni kluczową rolę w procesie fotosyntezy z udziałem nowo
syntetyzowanych barwników i białek kompleksów fotosyntetycznych. Zmianom funkcjonalnym
i molekularnym towarzyszą przekształcenia na poziomie strukturalnym prowadzące do wykształcenia
dojrzałego chloroplastu z charakterystycznym układem błon wewnętrznych.
W rozprawie przedstawiono wyniki badań dotyczących biogenezy chloroplastów na różnych
poziomach organizacji tego organellum. Podstawowym celem pracy było poznanie przestrzennych
(3D) przekształceń błon chloroplastowych podczas ich rearanżacji na świetle oraz wyjaśnienie
wzajemnych zależności między składem białkowo-barwnikowym błon wewnętrznych, ich strukturą
i aktywnością̨ fotosyntetyczną chloroplastów. Dodatkowo zanalizowano modulację procesu biogenezy
chloroplastów pod wpływem działania stresu chłodu. Badania przeprowadzono z wykorzystaniem
dwóch gatunków roślin, o hypogeicznym typie kiełkowania, różniących się odpornością na niską
temperaturę: grochu zwyczajnego (Pisum sativum), tolerującego temperatury w zakresie 0-12°C (CT –
ang. chilling tolerant), oraz wrażliwej na chłód (CS – ang. chilling sensitive) fasoli wielokwiatowej
(Phaseolus coccineus).
Główne osiągnięcie pracy stanowi odtworzenie, z wykorzystaniem technik tomografii
elektronowej (ET) oraz skaningowej laserowej mikroskopii konfokalnej (CLSM) nieznanych dotąd,
rzeczywistych, przestrzennych (3D) modeli kolejnych etapów rozwoju sieci tylakoidów – od
parakrystalicznej struktury ciała prolamellarnego (PLB) po wyróżnicowane układy gran i tylakoidów
stromy. Modele 3D różnicujących się na świetle chloroplastów wyjaśniły sposób rearanżacji błon
chloroplastów pokazując ich bezpośrednią zmianę uporządkowania – z ciasno upakowanych tubuli
w płaskie, ułożone równolegle do siebie lamelle. Rzeczywiste modele przestrzenne oraz modele
teoretyczne skonstruowane na podstawie przekrojów z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM)
stanowiły podstawę do stworzenia „dynamicznego modelu rozwoju chloroplastów“, który
przedstawiony w formie filmu dostępny jest pod adresem www.chloroplast.pl/model.
Badania nad wzajemnym powiązaniem zmian strukturalnych ze składem białkowobarwnikowym oraz funkcjonalnością błon rozwijających się chloroplastów wykazały, iż formowanie
się aktywnych kompleksów białkowo-barwnikowych (CP) oraz strukturalne różnicowanie się
chloroplastów grochu było opóźnione w stosunku do fasoli w ciągu pierwszego dnia rozwoju na
świetle; podczas dłuższego oświetlania różnice te zacierały się. Zmiany strukturalne podczas
biogenezy chloroplastów fasoli w cyklu dzień/noc miały charakter sekwencyjny – po degradacji PLB
następowało tworzenie układów ścieśnionych, podczas gdy u grochu tworzenie gran odbywało się
w obecności degradującego PLB. U obu badanych gatunków na etapie rozwojowym „luźno ułożonych
protylakoidów”, a więc przed pojawieniem się pierwszych gran, zarejestrowano, za pomocą
niskotemperaturowej (77 K) fluorescencji, obecność kompleksów rdzeniowych obu fotosystemów.
Ponadto w ekstraktach białkowych obu badanych gatunków, otrzymanych z siewek hodowanych
w ciemności, zlokalizowano główne białko rdzeniowe fotosystemu I (PSI) – PsaA, którego obecność
nie była do tej pory notowana na terenie etioplastów, co sugeruje możliwość funkcjonowania
niezależnej od światła ścieżki syntezy tego białka.
W badaniach nad wpływem niskiej temperatury na biogenezę chloroplastów stwierdzono, iż
niska temperatura indukowała, występujące po okresach ciemności, rekrystalizacje PLB w plastydach
chłodowrażliwej fasoli oraz znacznie opóźniała syntezę białek fotosyntetycznych i osiąganie pełnej
funkcjonalności chloroplastów tego gatunku. U chłodoodpornego grochu, opóźnienie w stosunku do
warunków kontrolnych notowano jedynie podczas pierwszego dnia rozwoju na świetle. Tak więc
rozwijające się chloroplasty są szczególnie wrażliwe na działanie niskiej temperatury w początkowych
etapach procesu ich biogenezy, jeszcze przed wykształceniem w pełni zorganizowanych, stabilnych
kompleksów fotosyntetycznych. Wyniki uzyskane w tej części pracy mogą stanowić cenne
uzupełnienie aplikacyjnych badań dotyczących selekcji oraz otrzymywania odmian o zwiększonej
odporności na chłód, które prowadzone są najczęściej jedynie na dojrzałych roślinach.
Zrozumienie mechanizmu biogenezy chloroplastów i możliwości rearanżacyjnych sieci błon
tylakoidów na różnych poziomach ich organizacji pozostają jednym z najistotniejszych elementów
w projektowaniu procesu sztucznej fotosyntezy. Dzięki unikatowej architekturze, kompleksy
białkowo-barwnikowe znajdujące się w błonach tylakoidów są zdolne do absorpcji promieniowania
słonecznego z wydajnością znacznie przewyższającą jakikolwiek stworzony przez człowieka system
fotowoltaiczny.