Photoprotection in oxygenic photosynthesis: A reverse genetic study

La luce è essenziale per la fotosintesi e la vita sulla terra e tuttavia può diventare dannosa per le piante. Quando i fotoni vengono assorbiti in eccesso, rispetto alla capacità del trasporto elettronico fotosintetico, si producono specie reattive dell'ossigeno che provocano fotoinibizione, limitando la crescita delle piante e la loro produttività. Gli organismi fotosintetici hanno sviluppato meccanismi di fotoprotezione per prevenire/evitare i danni foto-ossidativi. Tra questi, il Non-Photochemical Quencing o NPQ è di particolare interesse. Il meccanismo di NPQ smorza gli stai eccitati della clorofilla catalizzando la dissipazione, sottoforma di calore, dell’energia assorbita in eccesso. Nel corso degli ultimi decenni, molti sforzi sono stati fatti per chiarire i meccanismi alla base di questi processi. Oltre alla curiosità accademica, la manipolazione della dissipazione termica e la sua regolazione in risposta agli stimoli ambientali sembra essere la chiave per aumentare sia la resistenza allo stress sia la produttività di cibo e combustibili. Durante mio dottorato ho usato un approccio di genetica inversa, sull’organismo modello Arabidopsis thaliana, per dissezionare e caratterizzare il ruolo dei diversi componenti dei meccanismi di fotoprotezione, nonché il loro contributo all’acclimatazione agli stress abiotici. Di particolare interesse è stata la generazione e l'analisi di mutanti di diversi enzimi della via di biosintesi dei carotenoidi, di proteine antenna che legano i carotenoidi e di mutanti privi dellla capacità di muovere i cloroplasti all’interno della cellula per ridurre l’assorbimento luminoso.

Light is essential for photosynthesis and life on earth and yet it is harmful for plants. When photons are absorbed in excess with respect to the capacity of photosynthetic electron transport, reactive oxygen species are produced that causes photoinhibition, limiting plant growth and productivity. Oxygenic photosynthetic organisms have evolved photoprotective mechanisms to prevent/avoid photodamage. Among these, the Non-Photochemical Quenching (of chlorophyll fluorescence) or NPQ is of particular interest. NPQ has been reported to quench the chlorophyll excited states thus catalyzing the thermal dissipation of energy absorbed in excess. Over the past decades many efforts have been made to elucidate the mechanisms underlying these processes. Besides academic curiosity, manipulation of thermal dissipation rate and its regulation in response to environmental cues appears to be the key for both enhancing stress resistance and productivity for food and fuels. In my PhD I used a reverse genetic approach on the model organism Arabidopsis thaliana to disentangle and characterize the role of different components of photoprotective mechanisms as well as their contribution to acclimation to abiotic stresses. Of particular interest have been the generation and analysis of mutants defective in carotenoids biosynthesis, specific xanthophyll binding proteins and in the chloroplast light avoidance mechanism.