La risposta allo stress ossidativo in Arabidopsis mutata nella via di biosintesi dei carotenoidi

Starting date
January 1, 2005
Duration (months)
12
Departments
Biotechnology
Managers or local contacts
Bassi Roberto
Keyword
NPQ, carotenoidi, proteine antenna, fotoprotezione

Lo sviluppo delle piante, e di conseguenza la produttività, in caso di specie a interesse agronomico, è condizionato in misura drammatica dalle condizioni ambientali di crescita.
Durante il ciclo vegetativo le specie vegetali si trovano frequentemente a fronteggiare condizioni non ottimali, complessivamente denominate “stress abiotici”, quali freddo, siccità e temperatura eccessiva; negli ultimi anni sono state ottenute evidenze sperimentali che il sito del danno primario degli stress abiotici è localizzato nel cloroplasto.
In una condizione di stress, infatti, l’apparato fotosintetico non è in grado di utilizzare tutta l’energia derivante dalla luce: in questa situazione in cui il trasporto elettronico è rallentato, le clorofille eccitate allo stato di singoletto possono spontaneamente decadere allo stato di tripletto e di qui interagire con l’ossigeno molecolare generando specie altamente reattive, denominate ROS (Reactive Oxygen Species), in grado di portare alla rapida distruzione dei fotosistemi.
Le piante superiori hanno evoluto diversi sistemi per garantire la dissipazione dell’energia di eccitazione, quando questa diviene eccessiva. Tra questi, i carotenoidi svolgono un ruolo chiave, in quanto sono direttamente coinvolti nella fotoprotezione: da un lato, sono in grado di eliminare direttamente l’ossigeno singoletto, con un meccanismo detto “scavenging”, dall’altro possono ricevere l’energia dalle clorofille tripletto, impedendo che questa venga trasferita all’ossigeno.
Nel complesso, si parla di NPQ (Non-Photochemical Quenching), riferendosi a quei meccanismi che permettono di smorzare (quenching) gli stati eccitati di singoletto della clorofilla, evitando che vengano trasferiti al centro di reazione. Il meccanismo è misurabile in vivo come progressiva riduzione della fluorescenza iniziale delle clorofille che, a sua volta, dipende dal tempo di vita dello stato eccitato: questo può essere ridotto o con un aumento dell’efficienza fotochimica, o con la dissipazione dell’energia sotto forma di calore. E’ evidente, quindi che i carotenoidi svolgono un ruolo chiave anche nell’induzione del NPQ.

I risultati ottenuti fin’ora, attraverso lo studio dei mutanti di Arabidopsis che mancano di specifici carotenoidi, hanno messo in evidenza il ruolo preponderante delle diverse molecole sia nell’assemblaggio delle antenne fotosintetiche sia nella risposta alla variazione delle condizioni ambientali.
L’interesse ora è rivolto a comprendere se i carotenoidi sono in grado di esplicare la loro funzione in quanto tali oppure se richiedono la presenza dell’apparato fotosintetico integro.
Il progetto futuro, quindi, prevede l’incrocio dei singoli e doppi mutanti nella via dei caroteoidi con il mutante chlorinaF2: questa pianta manca dell’enzima CAO (Clorofilla a Ossidasi), quindi non è in grado di sintetizzare la clorofilla b partendo appunto dalla clorofilla a. L’assenza di clorofilla b impedisce il corretto ripiegamento delle proteine Lhcb e quindi il mutante è sostanzialmente privo di antenne del fotosistema II.
Le piante ottenute saranno sottoposte a diverse misure:

- analisi della crescita: la capacità di crescita dei mutanti verrà confrontata con i rispettivi controlli nelle stesse condizioni di luce e temperatura;
- misura dell’efficienza fotosintetica, attraverso il parametro Fv/Fm;
- misure di NPQ in vivo, per verificare la capacità dissipativa dell’energia in eccesso
- misure di photobleaching e di produzione di perossilipidi, per verificare la capacità di eliminazione dell’ossigeno singoletto;
- focalizzazione isoelettrica e HPLC delle frazioni tilacoidali, per verificare il contenuto in pigmenti dei mutanti e l’eventuale presenza di conformazioni alterate delle proteine antenna;
- eventualmente, espressione in vitro e ricostituzione con specifici carotenoidi di proteine risultate di particolare interesse.

Sponsors:

Ateneo
Funds: assigned and managed by the department
Syllabus: RICATENEO - Finanziamenti d'Ateneo per la Ricerca Scientifica

Project participants

Roberto Bassi
Full Professor
Publications
Title Authors Year
A zeaxanthin-indipendent nonphotochemical quenching mechanism localized in the photosystem II core complex Finazzi G; Johnson Gn; Dall’Osto L; Joliot P; Wollman Fa; Bassi R 2004
The effect of zeaxanthin as the only xanthophyll on the structure and function of the photosynthetic apparatus in Arabidopsis thaliana. HAVAUX M; DALL'OSTO L; CUINE S; GIULIANO G; R. BASSI 2004

Activities

Research facilities