Too rigid to fold: Carotenoid-dependent decrease in thylakoid fluidity hampers the formation of chloroplast grana

类囊体 叶绿体 生物物理学 光系统II 拟南芥 基质 叶黄素 生物 双精氨酸易位途径 生物化学 化学 突变体 类胡萝卜素 光合作用 基因 免疫学 免疫组织化学
作者
Michał Bykowski,Radosław Mazur,Joanna Wójtowicz,Szymon Suski,Maciej Garstka,Agnieszka Mostowska,Łucja Kowalewska
出处
期刊:Plant Physiology [Oxford University Press]
卷期号:185 (1): 210-227 被引量:26
标识
DOI:10.1093/plphys/kiaa009
摘要

In chloroplasts of land plants, the thylakoid network is organized into appressed regions called grana stacks and loosely arranged parallel stroma thylakoids. Many factors determining such intricate structural arrangements have been identified so far, including various thylakoid-embedded proteins, and polar lipids that build the thylakoid matrix. Although carotenoids are important components of proteins and the lipid phase of chloroplast membranes, their role in determining the thylakoid network structure remains elusive. We studied 2D and 3D thylakoid network organization in carotenoid-deficient mutants (ccr1-1, lut5-1, szl1-1, and szl1-1npq1-2) of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) to reveal the structural role of carotenoids in the formation and dynamics of the internal chloroplast membrane system. The most significant structural aberrations took place in chloroplasts of the szl1-1 and szl1-1npq1-2 plants. Increased lutein/carotene ratio in these mutants impaired the formation of grana, resulting in a significant decrease in the number of thylakoids used to build a particular stack. Further, combined biochemical and biophysical analyses revealed that hampered grana folding was related to decreased thylakoid membrane fluidity and significant changes in the amount, organization, and phosphorylation status of photosystem (PS) II (PSII) supercomplexes in the szl1-1 and szl1-1npq1-2 plants. Such changes resulted from a synergistic effect of lutein overaccumulation in the lipid matrix and a decreased level of carotenes bound with PS core complexes. Moreover, more rigid membrane in the lutein overaccumulating plants led to binding of Rubisco to the thylakoid surface, additionally providing steric hindrance for the dynamic changes in the level of membrane folding.

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