The role of Arabidopsis thaliana photoreceptors in regulating the process of state transitions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The initial formation of the photosynthetic apparatus in plants occurs during photomorphogenesis. The red/far-red (phytochromes) and blue (cryptochrome) light protein-photoreceptors play the most important role in photomorphogenesis initiation and regulation. The exited phytochrome and cryptochrome molecules can interact with transcription factors, changing the expression of nuclear genes, which encode the proteins of the plant photosynthetic apparatus. Since light is a variable factor, plants have developed appropriate adaptation mechanisms, including their photosynthetic apparatus protection. The mechanism of state transitions ensures a rapid adaptation of the photosynthetic apparatus. This adaptation mechanism increases the adsorption efficiency under current light conditions and prevents intensive generation of active forms of oxygen in chloroplasts, which leads to photo-oxidation and even cell death. This work aims to determine the role of photoreceptors - phytochromes A and B, as well as cryptochrome 1 and 2 - in regulating the process of state transitions in the Arabidopsis thaliana model plant. Arabidopsis mutants with the defects on A and B phytochromes and cryptochrome 1 and 2 genes were used as the research objects. The blue native electrophoresis in polyacrylamide gel was used to visualise state transitions. It was found that these photoreceptors had no direct effect on the redox-regulation of the state transitions mechanism in Arabidopsis. Presumably, these photoreceptors protect the photosynthetic apparatus from excessive light not by regulating the state transitions but indirectly, through regulating the chlorophyll, carotenoid and antioxidant components content.

About the authors

V. I. Belkov

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: anvad.irk@rambler.ru

K. E. Belogub

Irkutsk State University

Email: kristina200298@yandex.ru

E. Yu. Garnik

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: elga74@yandex.ru

V. I. Tarasenko

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS

Email: vslav@inbox.ru

Yu. M. Konstantinov

Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS; Irkutsk State University

Email: yukon@sifibr.irk.ru

References

  1. Han X., Tohge T., Lalor P., Dockery P., Devaney N., Esteves-Ferreira A.A., et al. Phytochrome A and B regulate primary metabolism in Arabidopsis leaves in response to light // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 1394. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01394
  2. Paik I., Huq E. Plant photoreceptors: Multifunctional sensory proteins and their signaling networks // Seminars in Cell and Developmental Biology. 2019. Vol. 92. P. 114-121. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2019.03.007
  3. Ma D., Li X., Guo Y., Chu J., Fang S., Yan C., et al. Cryptochrome 1 interacts with PIF4 to regulate high temperature-mediated hypocotyl elongation in response to blue light // PNAS. 2016. Vol. 113. Issue 1. P. 224-229. https://doi.org/10.1073/pnas.1511437113
  4. Kreslavski V.D., Los D.A., Schmitt F.-J., Zharmukhamedov S.K., Kuznetsov V.V., Allakhverdiev S.I. The impact of the phytochromes on photosynthetic processes // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. 2018. Vol. 1859. Issue 5. P. 400-408. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2018.03.003
  5. Colombo M., Suorsa M., Rossi F., Ferreri R., Tadini L., Barbato R., et al. Photosynthesis control: an underrated short-term regulatory mechanism essential for plant viability // Plant Signaling & Behavior. 2016. Vol. 11. Issue 4. e1165382 (6 p.). https://doi.org/10.1080/15592324.2016.1165382
  6. Dietzel L., Brautigam K., Pfannschmidt T. Photosynthetic acclimation: state transitions and adjustment of photosystem stoichiometry-functional relationships between short-term and long-term light quality acclimation in plants // FEBS Journal. 2008. Vol. 275. Issue 6. P. 1080-1088. https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2008.06264.x
  7. Caffarii S.A., Tibiletti T., Jennings R., Santabarbara S. A comparison between plant photosystem I and photosystem II architecture and functionning // Current Protein and Peptide Science. 2014. Vol. 15. Issue 4. P. 296-331. https://doi.org/10.2174/1389203715666140327102218
  8. Wunder T., Liu Q., Aseeva E., Bonardi V., Leister D., Pribil M. Control of STN7 transcript abundance and transient STN7 dimerisation are involved in the regulation of STN7 activity // Planta. 2013. Vol. 237. Issue 2. P. 541-558. https://doi.org/10.1007/s00425-012-1775-y
  9. Rochaix J.-D., Lemeille S., Shapiguzov A., Samol I., Fucile G., Willig A., et al. Protein kinases and phosphatases involved in the acclimation of the photosynthetic apparatus to a changing light environment // Philosophical Transactions of the Royal Society B. Biological Sciences. 2012. Vol. 367. Issue 1608. P. 3466-3474. https://doi.org/10.1098/rstb.2012.0064
  10. Verdaguer D., Jansen M.A.K., Llorens L., Morales L.O., Neugart S. UV-A radiation effects on higher plants: exploring the known unknown // Plant Science. 2017. Vol. 255. P. 72-81. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2016.11.014
  11. Kreslavski V.D., Lyubimov V.Yu., Shirshiko-va G.N., Shmarev A.N., Kosobryukhov A.A., Schmitt F.J., et al. Preillumination of lettuce seedlings with red light enhances the resistance of photosynthetic apparatus to UV-A // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2013. Vol. 122. P. 1-6. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2013.02.016
  12. Khudyakova A.Yu., Kreslavski V.D., Shirshikova G.N., Zarmukhamedov S.K., Kosobryukhov A.A., Allakhverdiev S.I. Resistance of Arabidopsis thaliana L. photosynthetic apparatus to UV-B is reduced by deficit of phytochromes B and A // Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2017. Vol. 169. P. 41-46. https://doi.org/10.1016/j.photobiol.2017.02.024
  13. Aronsson H., Jarvis P. A simple method for isolating import-competent Arabidopsis chloroplasts // FEBS Letters. 2002. Vol. 529. Issue 2-3. P. 215220. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(02)03342-2
  14. Pribil M., Pesaresi P., Hertle A., Barbato R., Leister D. Role of plastid protein phosphatase TAP38 in LHCII dephosphorylation and thylakoid electron flow // PLoS Biology. 2010. Vol. 8. Issue 1. e1000288 (12 p.). https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000288
  15. Nijtmans G.J., Henderson N.S., Holt I.J. Blue native electrophoresis to study mitochondrial and other protein complexes // Methods. 2002. Vol. 26. Issue 4. P. 327-334. https://doi.org/10.1016/S1046-2023(02)00038-5
  16. Ni Z., Kim E.-D., Ha M., Lackey E., Liu J., Zhang Y., et al. Altered circadian Rhythms regulate growth vigour in hybrids and allopolyploids // Nature. 2009. Vol. 457. Issue 7227. P. 327-331. https://doi.org/10.1038/nature07523
  17. Wunder T., Liu Q., Aseeva E., Bonardi V., Leister D., Pribil M. Control of STN7 transcript abundance and transient STN7 dimerisation are involved in the regulation of STN7 activity // Planta. 2013. Vol. 237. P. 541-558. https://doi.org/10.1007/s00425-012-1775-y
  18. Fey V., Wagner R., Brautigam K., Wirtz M., Hell R., Dietzmann A., et al. Retrograde plastid redox signals in the expression of nuclear genes for chloroplast proteins of Arabidopsis thaliana // The Journal of Biological Chemistry. 2005. Vol. 280. Issue 7. P. 5318-5328. https://doi.org/10.1074/jbc.M406358200
  19. Carvalho R.F., Campos M.L., Azevedo R.A. The role of phytochrome in stress tolerance // Journal of Integrative Plant Biology. 2011. Vol. 53. Issue 12. P. 920-929. https://doi.org/10.1111/j.1744-79 09.2011.01081.x
  20. Kreslavski V.D., Kosobryukhov A.A., Schmitt F.-J., Semenova G.A., Shirshikova G.N., Khudyako-va A.Y., et al. Photochemical activity and the structure of chloroplasts in Arabidopsis thaliana L. mutants deficient in phytochrome A and B // Protoplasma. 2017. Vol. 254. Issue 3. P. 1283-1293. https://doi.org/10.1007/s00709-016-1020-9
  21. Casal J.J. Photoreceptor signaling networks in plant responses to shade // Annual Review of Plant Biology. 2013. Vol. 64. P. 403-427. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-050312-120221
  22. Rusaczonek A., Czarnocka W., Kacprzak S., Witon D., Slesak I., Szechynska-Hebda M., et al. Role of phytochromes A and B in the regulation of cell death and acclimatory responses to UV stress in Arabidopsis thaliana // Journal of Experimental Botany. 2015. Vol. 66. Issue 21. P. 6679-6695. https://doi.org/10.1093/jxb/erv375

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».