The protective role of chloroplast NADH dehydrogenase-like complex (NDH) against PSI photoinhibition under chilling stress

光抑制 叶绿体 NADH脱氢酶 光合作用 化学 植物 生物物理学 生物 生物化学 光系统II 蛋白质亚单位 基因
作者
Ko Takeuchi,Shintaro Harimoto,Yufen Che,Minoru Kumazawa,Hayato Satoh,Shu Maekawa,Chikahiro Miyake,Kentaro Ifuku
标识
DOI:10.1101/2025.05.11.653304
摘要

Chilling stress induces photosystem I (PSI) photoinhibition in various plants, severely impairing their growth. However, the mechanisms suppressing chilling-induced PSI photoinhibition remain unclear. This study aimed to identify factors preventing PSI photoinhibition by comparing two cucumber cultivars with different susceptibilities to PSI photoinhibition and chilling stress tolerance. In the chilling-sensitive cultivar, partial degradation of the CF1-γ subunit of chloroplast ATPase led to uncoupling of the thylakoid membrane. In addition, electron efflux from Fe-S clusters downstream of PSI was restricted under chilling stress, resulting in highly reduced Fe-S clusters. Notably, this PSI over-reduction in the chilling-sensitive cultivar was observed not only under chilling stress but also under fluctuating light conditions, limited CO 2 conditions, and during the transition from darkness to light, suggesting that cyclic electron flow contributes to cultivar differences in PSI photoinhibition. Indeed, the chilling-tolerant cultivar exhibited higher activity of the chloroplast NADH dehydrogenase-like complex (NDH) and suppressed reactive oxygen species (ROS) accumulation during the early stages of chilling stress. In contrast, in the chilling-sensitive cultivar, destabilization of PSI-NDH supercomplex under chilling stress led to the loss of NDH activity, resulting in severe PSI over-reduction. This study provides evidence that NDH acts as a crucial electron sink to prevent PSI photoinhibition and provides new insights into the mechanisms underlying low-temperature stress tolerance.

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