Structural and functional analysis of the photosynthetic apparatus of Norway spruce

Mgr. Monika OPATÍKOVÁ

Doctoral thesis

Abstract:

This dissertation thesis is divided into four main sections. The first focuses on a brief and general overview of photosynthesis with the main focus on the Norway spruce. The main aim of this section is to familiarise the reader with the current knowledge of spruce photosynthetic apparatus and its related functional properties. The motivation behind the detailed study is primarily the importance of spruce as a significant contributor to global oxygen production and secondary its uniqueness as an evergreen plant with the ability to withstand harsh environmental conditions, precisely the combination of freezing temperatures with simultaneous high light radiation during winter. The second section builds on the current knowledge and continues with a description of the spruce research conducted by our group with my contribution. The primary justification for our research performed on spruce is followed by a clarification of the achieved progress in this area. It is enclosed with a summary and future perspectives. While my primary focus is on structural analysis of the unique photosystem II of spruce obtained by cryogenic electron microscopy, the related research focuses on (i) determining the origin of spruce's modified PSII shape by analysing specific Arabidopsis knock-out mutants, (ii) formation of PSII supercomplexes and megacomplexes in spruce, and (iii) its acclimation to long-term light intensity changes. The third and fourth sections focus on (i) a general description of the experimental methods performed in our research on the spruce and (ii) their optimisation. Since I have built on previous research carried out in our group, I did not intend to explain in detail the methods used. Instead, I have concentrated on the optimisation of these methods involving two main issues. The first part focuses on the optimisation of solubilisation conditions and separation methods for isolated thylakoid membranes. The second part of the optimisation deals with setting the ideal conditions for the extraction of fragile protein complexes, such as the photosystem I supercomplex binding two LHCII trimers from spruce.

Abstract:

Táto dizertačná práca je rozdelená do štyroch hlavných sekcií. Prvá sekcia je zameraná na stručný a všeobecný prehľad fotosyntézy so zameraním na Smrek obyčajný. Cieľom tohto prehľadu je oboznámiť čitateľa s aktuálnymi poznatkami o fotosyntetickom aparáte smreku a jeho súvisiacou funkciu. Motiváciou k výskum fotosyntézy u smreku je na jednej strane jeho signifikantný príspevok ku globálnej produkcii kyslíku, na strane druhej jeho unikátnosť ako evergreenu, ktorý je schopný prežiť nepriaznivé environmentálne podmienky, konkrétne kombináciu mrznúcich teplôt a intenzívneho osvetlenia v priebehu zimy. Druhá sekcia nadväzuje na aktuálne poznatky o smreku a pokračuje výskumom prevedeným v rámci našej skupiny súčasne zahŕňajúc môj príspevok. Táto sekcia začína odôvodnením nášho zamerania sa na špecifickú oblasť fotosyntetického výskumu u smreku, pokračuje vysvetlením dosiahnutého pokroku v danej oblasti a je ukončená krátkym zhrnutím a vyhliadkami do budúcna. Popri primárnom výskume unikátnej štruktúry fotosystému II u smreku získanej pomocou kryogénnej elektrónovej mikroskopie, je v tejto sekcii predstavený aj súvisiaci výskum, zameraný na (i) hľadanie pôvodu pozmenenej štruktúry PSII u smreku s využitím "knock-out" mutantov Arabidopsis, (ii) tvorbu superkomplexov a megakomplexov PSII u smreku a (iii) aklimačné štúdie zamerané na efekt pôsobenia dlhodobých zmien vo svetelnej intenzite. Tretia a štvrtá sekcia sa zameriavajú na (a) všeobecný a stručný popis experimentálnych metód, ktoré boli prevedené výlučne mnou a (b) ich optimalizáciu. Z dôvodu nadväznosti na predchádzajúci výskum na našom pracovisku nebolo mojim zámerom dopodrobna vysvetliť použité metódy. Namiesto toho som sa zamerala na detailný popis optimalizácie dvoch konkrétnych metód. Prvá časť sa zameriava na optimalizáciu podmienok solubilizácie a separačných metód pre izolované tylakoidné membrány. Druhá čas optimalizácie sa zaoberá vytvorením ideálnych podmienok pre extrakciou labilných proteínových komplexov, ako je napríklad superkomplex fotosystému I s dvoma naviazanými LHCII trimermi u smreku.

Keywords

Smrek obyčajný, fotosystém II, svetlo-zberné antény, nefotochemické zhášanie, ultracentrifugácia, elektroforetická separácia, kryogénna elektrónová mikroskopia

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 5. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 30. 8. 2023
• Supervisor: RNDr. Roman Kouřil, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics