Catalase protects against nonenzymatic decarboxylations during photorespiration in Arabidopsis thaliana

光呼吸 乙醛酸循环 过氧化物酶体 过氧化氢酶 脱羧 化学 生物化学 鲁比斯科 新陈代谢 光合作用 基因 催化作用
作者
Han Bao,Matt Morency,Winda Rianti,Sompop Saeheng,Sanja Roje,Andreas P.M. Weber,Berkley J. Walker
出处
期刊:Plant direct [Wiley]
卷期号:5 (12) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/pld3.366
摘要

Photorespiration recovers carbon that would be otherwise lost following the oxygenation reaction of rubisco and production of glycolate. Photorespiration is essential in plants and recycles glycolate into usable metabolic products through reactions spanning the chloroplast, mitochondrion, and peroxisome. Catalase in peroxisomes plays an important role in this process by disproportionating H2O2 resulting from glycolate oxidation into O2 and water. We hypothesize that catalase in the peroxisome also protects against nonenzymatic decarboxylations between hydrogen peroxide and photorespiratory intermediates (glyoxylate and/or hydroxypyruvate). We test this hypothesis by detailed gas exchange and biochemical analysis of Arabidopsis thaliana mutants lacking peroxisomal catalase. Our results strongly support this hypothesis, with catalase mutants showing gas exchange evidence for an increased stoichiometry of CO2 release from photorespiration, specifically an increase in the CO2 compensation point, a photorespiratory-dependent decrease in the quantum efficiency of CO2 assimilation, increase in the 12CO2 released in a 13CO2 background, and an increase in the postillumination CO2 burst. Further metabolic evidence suggests this excess CO2 release occurred via the nonenzymatic decarboxylation of hydroxypyruvate. Specifically, the catalase mutant showed an accumulation of photorespiratory intermediates during a transient increase in rubisco oxygenation consistent with this hypothesis. Additionally, end products of alternative hypotheses explaining this excess release were similar between wild type and catalase mutants. Furthermore, the calculated rate of hydroxypyruvate decarboxylation in catalase mutant is much higher than that of glyoxylate decarboxylation. This work provides evidence that these nonenzymatic decarboxylation reactions, predominately hydroxypyruvate decarboxylation, can occur in vivo when photorespiratory metabolism is genetically disrupted.
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