Biogenesis of plant photoautotrophy

Fotosyntetiserende organismer som planter og alger stammer fra fotosyntetiserende bakterier. De begynte å høste lys energi for å gi energi til sine metabolske behov og bli autotrofe for mer enn tre milliarder år siden. Sentralt i prosessen for fotosyntese og autotrofi er klorofyll. Molekylet er så konsentrert og hyppig i de fotosyntese spesialiserte proteinene i disse organismene at du kan se deres grønne farge selv fra verdensrommet. Hvordan organismene regulerer de siste trinnene i klorofyll syntesen og hvordan molekylet danner ansamlinger med proteinene for å få lyshøsting og fotosyntese til å fungere er likevel i stor grad ukjent. I prosjektet ?Biogenesis of plant photoautothrophy? har bygg frøplanter blitt brukt som eksperimentelt system. Bygg som spirer i mørket fra jorden er gule. For å overleve, må frøplantene vokse inn i lyset, syntetisere klorofyll og initiere fotosyntese. Vi viser at et protein kalt lys-høstende-lignende protein 3 (Lil3) akkumulerer i mørket, men endrer sin ansamlingstilstand når planten ser det første lys kvanta og klorofyll syntetiseres. Vi viser at Lil3 proteinet binder klorofyll selv og deltar i dannelsen av flere stabile komplekser med proteiner som er kjent for å regulere klorofyll syntesen. Om Lil3 optimaliserer de enzymatiske reaksjonene ved å binde klorofyll intermediater eller assisterer i inkorporereringen av klorofyll i fotosyntetiske proteiner blir videre undersøkt.

Since more than 10E9 years, nature operates endosymbiotic metabolic pathways in eukaryotic host cells. In plants, maintenance of the cells metabolism is compartmentalized. The metabolic stage of a family of plastid organelles defines the metabolic develo pmental stage of the plant. In this respect, the light driven electron transport processes in the chloroplast are essential to maintain the metabolism of the photoautotrophic developmental state of the plant. However, hardly anything is known about the bi ogenesis of photoautotrophy and of chloroplasts. We have therefore established an experimental system to characterize the biogenetic processes. Etioplasts isolated from dark-grown barley leaves have proven extremely valuable to study the development of ch loroplasts. Upon illumination the onset of photoautotrophy development can be precisely controlled to study the processes in vivo and in vitro. We propose to study the identification and characterization of an electron transport chain (ETC) in etioplasts, and the structural and functional changes of the plastid and its membrane protein complexes during the biogenesis of photoautotrophy. Work includes characterization of chlorophyll assembly in protein complexes and chlorophyll transfer reactions associate d with the biogenesis. We will characterize the Cytb6f/Pchl//Chl and Lil3/Chl complexes detected by us. We will resolve the type of electron transfer chains that plastids utilize in darkness, differentiate the function of pigmentation changes in the Cytb6 f complex, and resolve the function of chlorophyll binding to the Lil3 protein. The lab has acquired a unique biochemical expertise to solve central issues in the biogenesis of photoautotrophy. To develop additional skills, four cooperation partners will join in characterizing the biogenesis of photoautrophy in the plant.