Respostas bioquímicas e fisiológicas de plantas jovens de cana-de-açúcar sob diferentes concentrações de NaCl no solo

Pós-graduação em Agronomia (Produção Vegetal) - FCAV

Aplicação eletroanalítica de complexos oxo-manganês biomimetizadores de centros ativos enzimáticos na determinação de espécies de interesse analítico

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Chlorophyll fluorescence in guanandi tree (calophyllum brasiliense) after herbicide application

Chlorophyll fluorescence is currently used as a rapid diagnostic and nondestructive method to detect and quantify damage on the photosynthetic apparatus of leaves on weeds, crops and ornamental/coniferous trees in response to both environmental stress and herbicides. This study aimed to evaluate chlorophyll fluorescence in guanandi plants (Calophyllum brasiliense) after application of different postemergence herbicides. The experiment was performed in a completely randomized design, with six treatments (control, bentazon, sulfentrazone, isoxaflutole, atrazine and glyphosate) and five replications. The herbicide treatments were applied with a stationary sprayer, and electron transport rate (ETR) was subsequently analyzed with OS5p Multi-Mode Chlorophyll Fluorometer. In the monitored period, guanandi plants subjected to atrazine showed higher sensitivity to chlorophyll fluorescence than the other treatments. Although bentazon is a photosystem II inhibitor, it showed no major changes in electron transport for the studied species and in the monitored period. In summary, ETR is a good parameter to evaluate the effect of some herbicides on Calophyllum brasiliense plants.

Cultivo de Eucalyptus urograndis em atmosfera enriquecida com CO2: mudanças no proteoma cloroplastidial

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Proteomic Analysis of Chloroplast-to-Chromoplast Transition in Tomato Reveals Metabolic Shifts Coupled with Disrupted Thylakoid Biogenesis Machinery and Elevated Energy-Production Components

A comparative proteomic approach was performed to identify differentially expressed proteins in plastids at three stages of tomato (Solanum lycopersicum) fruit ripening (mature-green, breaker, red). Stringent curation and processing of the data from three independent replicates identified 1,932 proteins among which 1,529 were quantified by spectral counting. The quantification procedures have been subsequently validated by immunoblot analysis of six proteins representative of distinct metabolic or regulatory pathways. Among the main features of the chloroplast-to-chromoplast transition revealed by the study, chromoplastogenesis appears to be associated with major metabolic shifts: (1) strong decrease in abundance of proteins of light reactions (photosynthesis, Calvin cycle, photorespiration) and carbohydrate metabolism (starch synthesis/degradation), mostly between breaker and red stages and (2) increase in terpenoid biosynthesis (including carotenoids) and stress-response proteins (ascorbate-glutathione cycle, abiotic stress, redox, heat shock). These metabolic shifts are preceded by the accumulation of plastid-encoded acetyl Coenzyme A carboxylase D proteins accounting for the generation of a storage matrix that will accumulate carotenoids. Of particular note is the high abundance of proteins involved in providing energy and in metabolites import. Structural differentiation of the chromoplast is characterized by a sharp and continuous decrease of thylakoid proteins whereas envelope and stroma proteins remain remarkably stable. This is coincident with the disruption of the machinery for thylakoids and photosystem biogenesis (vesicular trafficking, provision of material for thylakoid biosynthesis, photosystems assembly) and the loss of the plastid division machinery. Altogether, the data provide new insights on the chromoplast differentiation process while enriching our knowledge of the plant plastid proteome.

STIM 1/Orai 1 contributes to sex differences in vascular responses to calcium in spontaneously hypertensive rats

Sex differences in Ca2+-dependent signalling and homoeostasis in the vasculature of hypertensive rats are well characterized. However, sex-related differences in SOCE (store-operated Ca2+ entry) have been minimally investigated. We hypothesized that vascular protection in females, compared with males, reflects decreased Ca2+ mobilization due to diminished activation of Orai 1/STIM 1 (stromal interaction molecule I). In addition, we investigated whether ovariectomy in females affects the activation of the Orai 1/STIM 1 pathway. Endothelium-denuded aortic rings from male and female SHRSP (stroke-prone spontaneously hypertensive rats) and WKY (Wistar Kyoto) rats and from OVX (ovariectomized) or sham female SHRSP and WKY rats were used to functionally evaluate Ca2+ influx-induced contractions. Compared with females, aorta from male SHRSP displayed: (i) increased contraction during the Ca2+-loading period; (ii) similar transient contraction during Ca2+ release from the intracellular stores; (iii) increased activation of STIM 1 and Orai1, as shown by the blockade of STIM 1 and Orai1 with neutralizing antibodies, which reversed the sex differences in contraction during the Ca2+-loading period; and (iv) increased expression of STIM I and Orai I. Additionally, we found that aortas from OVX-SHRSP showed increased contraction during the Ca2+-loading period and increased Orai1 expression, but no changes in the SR (sarcoplasmic reticulum)-buffering capacity or STIM I expression. These findings suggest that augmented activation of STIM 1/Orai 1 in aortas from male SHRSP represents a mechanism that contributes to sex-related impaired control of intracellular Ca2+ levels. Furthermore, female sex hormones may negatively modulate the STIM/Orai 1 pathway, contributing to vascular protection observed in female rats.

Effects of photobioreactor configuration, nitrogen source and light intensity on the fed-batch cultivation of Arthrospira (Spirulina) platensis. Bioenergetic aspects

Bioenergetic analysis may be applied in order to predict microbial growth yields, based on the Gibbs energy dissipation and mass conservation principles of the overall growth reaction. The bioenergetics of the photoautotrophic growth of the cyanobacterium Arthrospira (Spirulina) platensis was investigated in different bioreactor configurations (tubular photobioreactor and open ponds) using different nitrogen sources (nitrate and urea) and under different light intensity conditions to determine the best growing conditions in terms of Gibbs energy dissipation, number of photons to sustain cell growth and phototrophic energy yields distribution in relation to the ATP and NADPH formation, and release of heat. Although an increase in the light intensity increased the Gibbs energy dissipated for cell growth and maintenance with both nitrogen sources, it did not exert any appreciable influence on the moles of photons absorbed by the system to produce one C-mol biomass. On the other hand, both bioenergetic parameters were higher in cultures with nitrate than with urea, likely because of the higher energy requirements needed to reduce the former nitrogen source to ammonia. They appreciably increased also when open ponds were substituted by the tubular photobioreactor, where a more efficient light distribution ensured a remarkably higher cell mass concentration. The estimated percentages of the energy absorbed by the cell showed that, compared with nitrate, the use of urea as nitrogen source allowed the system to address higher energy fractions to ATP production and light fixation by the photosynthetic apparatus, as well as a lower fraction released as heat. The best energy yields values on Gibbs energy necessary for cell growth and maintenance were achieved in up to 4-5 days of cultivation, indicating that it would be the optimum range to maintain cell growth. Thanks to this better bioenergetic situation, urea appears to be a quite promising low-cost, alternative nitrogen source for Arthrospira platensis cultures in photobioreactors. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nitrate reduces the negative effect of UV radiation on photosynthesis and pigmentation in Gracilaria tenuistipitata (Rhodophyta): the photoprotection role of mycosporine-like amino acids

Photoprotection of the agarophyte red alga Gracilaria tenuistipitata against ultraviolet radiation (UVR) was investigated in algae submitted for 1 week to photosynthetically active radiation (PAR, 260 mu mol photons m(-2) s(-1)) or PAR + UVR (UV-A, 8.13 W m(-2) and UV-B, 0.42 W m(-2)) under different nitrogen concentrations: 0, 0.1, and 0.5 mM of NO3-. Photosynthetic pigments decreased during the time of the experiment mainly under low nitrogen supply and UVR. Incubation under high nitrogen supply (0.5 mM) sustained the photosynthetic levels over time. In contrast, mycosporine-like amino acids (MAAs) increased up to eightfold in the presence of UVR and 0.5 mM NO3-. Under PAR + UVR, maximal quantum yield was positively correlated to MAA abundance, whereas under PAR no correlation was found. The photosynthetic yield of algae cultivated during seven days under PAR + UVR was less affected by a 30-min exposure of high UVR (16 W m(-2)) and fully recovered after transferring to low PAR irradiances, whereas algae kept under PAR were more affected by UV exposure and no full recovery was observed. Growth rates decreased after three days in the presence of UVR and under low nitrate supply. However, these rates were similar when compared with treatments of PAR and PAR + UVR after seven days, with the exception of samples in 0 mM NO3-, indicating that the acclimation after one week's exposure is related to nitrate supply. In conclusion, the lowest negative effect of UVR on photosynthesis and growth rate in high N-supply-grown algae could be explained by the stimulation of photoprotection mechanisms, such as accumulation of MAAs. Photostimulation of MAA accumulation by UVR under high N supply was observed in G. tenuistipitata even after 20 years in culture without the induction of this photomorphogenic light signal.

Die Biogenese von Chlorophyll-a/b-bindenden Lichtsammelkomplexen : Topographie des Apoproteins bei der Thylakoidinsertion

Die Biogenese von Chlorophyll-a/b-bindenden Lichtsammelkomplexen: Topographie des Apoproteins bei der Thylakoidinsertion Der wichtigste Chlorophyll a/b-bindende Lichtsammelkomplex höherer Pflanzen ist der an Photosystem II assoziierte LHCII. Die kerncodierten Apoproteine dieses Pigment-Protein Komplexes werden posttranslational in den Chloroplasten importiert und mit Hilfe des plastidären

Pigmentbindung verschiedener Mitglieder der erweiterten Chlorophyll a/b-Proteinfamilie und des wasserlöslichen Chlorophyll-Proteins WSCP

In dieser Arbeit wurde die Pigmentbindung verschiedener Pflanzenproteine untersucht, um daraus Rückschlüsse auf ihre Funktion zu ziehen. PsbS, die S-Untereinheit des Photosystems II, konnte mit Pigmenten isoliert werden. Es wurde kein Hinweis auf eine spezifische Wechselwirkung der Chromophore gefunden, Ergebnisse wie pigmentabhängig stärkere Helixbildung unterstützen jedoch die Vermutung, PsbS fungiere als transienter Pigmentcarrier. Die Sequenzverwandten OHP, Sep1 und Sep2 binden entweder keine Pigmente oder nur so schwach, dass eine Bindung mit den verwendeten Methoden nicht nachweisbar ist.WSCP aus Blumenkohl ist ein wasserlösliches chlorophyllbindendes Protein mit unbekannter Funktion. In dieser Arbeit wurde ein rekombinantes WSCP mit N-terminal angehängtem His-Tag hergestellt und überexprimiert. WSCP-his tetramerisiert pigmentabhängig und bindet Chlorophylle, nicht aber Carotinoide. In seinen biochemischen und spektroskopischen Eigenschaften gleicht das rekombinante dem nativen WSCP und kann als Werkzeug für Untersuchungen zur Funktion herangezogen werden. Rekonstitutionsexperimente mit Chlorophyll-Derivaten zeigten, dass der Phytolrest für die Oligomerisierung des Proteins verantwortlich ist. WSCP bindet außerdem die Chlorophyll-Vorstufen Chlorophyllid und Mg-Protoporphyrin IX. Es könnte sich um ein Carrierprotein handeln, welches die Vorstufen von der Chloroplastenhülle durch das Stroma zur Thylakoidmembran transportiert. Der Fall eines chlorophyllbindenden Pflanzenproteins ohne Carotinoide ist einmalig. Messungen zu Photostabilität und Singulettsauerstoffbildung zeigten, dass es dennoch gebundenes Chlorophyll vor photooxidativer Schädigung schützt.

Stabilisierung des pflanzlichen Lichtsammlers LHCIIb

LHCIIb, das Hauptlichtsammlerprotein des Photosystem II, ist eines der am besten untersuchten Membranproteine. Die Frage, wie die Struktur des Pigment-bindenden Proteins stabilisiert wird, konnte bisher allerdings noch nicht geklärt werden. Im Gegensatz zu anderen Membranproteinen sind im Falle des LHCIIb auch Bereiche außerhalb der Membran an der Stabilisierung beteiligt. Der Beitrag der luminalen Schleifendomäne zur Stabilisierung des LHCIIb wurde untersucht, indem Mutanten mit einzelnen Aminosäureaustauschen in diesem Bereich bezüglich ihrer Stabilität verglichen wurden. Die luminale Schleife trägt zur thermischen Stabilität des LHCIIb bei und stabilisiert den Pigment-Protein-Komplex in Gegenwart von SDS, wobei verschiedene Mutationen diese beiden Aspekte der Stabilisierung in unterschiedlichem Maße beeinflussen. Ein weiteres Ziel der Dissertation war die Entwicklung eines evolutiven Verfahrens zur Stabilitätsverbesserung des LHCIIb. Mithilfe eines geeigneten Selektionskriteriums sollten stabile Mutanten des LHCIIb aus einer Bibliothek von Zufallsmutanten selektiert werden. Dazu wurde das Lhcb1-Protein als Phage-Display exprimiert und auf der Bakteriophagenoberfläche rekonstituiert. Verschiedene Eigenschaften des Pigment-Protein-Komplexes wurden als mögliche Selektionskriterien in Betracht gezogen und getestet. Das Selektionsverfahren, stabile Mutanten durch proteolytische Degradation ungefalteter Proteine zu isolieren, erwies sich schließlich als erfolgreich.

Zeitaufgelöste Messung der Faltung und Pigmentbindung des Lichtsammlerproteins LHCIIb anhand verschiedener spektroskopischer Monitore

Über die Biogenese des Lichtsammelkomplexes des Photosystems II höherer Pflanzen (LHCII) in der Thylakoidmembran der Chloroplasten existieren wenige Daten. Deswegen soll die Aufklärung des Faltungsmechanismus in vitro anhand von zeitaufgelösten Messungen der Rückfaltung des Komplexes Rückschlüsse auf die Situation in vivo ermöglichen.Zur Beobachtung der Rückfaltung wurden Methoden der Fluoreszenz- und CD-Spektroskopie verwendet. Die Pigmentbindung und die Ausbildung von α-helikaler Sekundärstruktur erfolgt in einem schnelleren und einem langsameren apparenten Schritt (Sekunden und Minuten); beide Vorgänge sind eng gekoppelt und limitiert durch die Bindung der Carotinoide. In der schnelleren Phase ist die Bindung von Chl a und Lutein ausreichend für die Zunahme an α-helikaler Struktur. Ein thermodynamisch stabiler Komplex erfordert die Bindung von Chl b und Carotinoiden. In der schnellen Phase bindet Chl a vor Chl b und Lutein mindestens so schnell wie Chl b; beide Pigmente limitieren die Bindung von Chl b. Chl b ist notwendig für die Ereignisse der langsameren Phase.Bzgl. der Situation in vivo deuten die Daten auf (1) eine aktive Rolle der Pigmentbindung für die Membraninsertion des Proteins, (2) einen Schutz vor Photooxidation der Chlorophylle durch die obligatorische Carotinoidbindung und (3) die Möglichkeit der Umsetzung von LHCII-gebundem Chl a zu Chl b.

Einzelmolekülspektroskopische Studien an Farbstoff-markierten Chlorophyll-a/b-Lichtsammlerkomplexen und Untersuchungen zur Integration der Komplexe in elektrochemische Solarzellen

Die zentrale Funktion des Hauptlichtsammlerkomplexes des Photosystems II, LHCII, besteht in der Absorption von Sonnenlicht und der Bereitstellung von Energie für die photosynthetische Ladungstrennung im Reaktionszentrum des Photosystems. Auch in der Regulation der Photosynthese spielt der LHCII eine wichtige Rolle, da die Energieverteilung zwischen Photosystem I und Photosystem II im Rahmen des sog. „State Transition“-Prozesses über die Verteilung der Lichtsammlerkomplexe zwischen den beiden Photosystemen gesteuert wird. Im Blickfeld des ersten Teils dieser Arbeit stand die konformative Dynamik der N-terminalen Domäne des LHCII, die wahrscheinlich in die Regulation der Lichtsammlung involviert ist. Gemeinsam mit Mitarbeitern des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart wurde an der Etablierung einer Methode zur einzelmolekülspektroskopischen Untersuchung der Dynamik des N-Terminus gearbeitet. Als Messgröße diente der Energietransfer zwischen einem Fluoreszenzfarbstoff, der an die N-terminale Domäne gekoppelt war, und den Chlorophyllen des Komplexes. Die Funktion des LHCII als effiziente Lichtantenne bildete die Grundlage für den zweiten Teil dieser Arbeit. Hier wurde untersucht, in wie weit LHCII als Lichtsammler in eine elektrochemische Solarzelle integriert werden kann. In der potentiellen Solarzelle sollte die Anregungsenergie des LHCII auf Akzeptorfarbstoffe übertragen werden, die in der Folge Elektronen in das Leitungsband einer aus Titandioxid oder Zinndioxid bestehenden porösen Halbleiterelektrode injizierten, auf der Komplexe und Farbstoffe immobilisiert waren.

Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.