Evolution and regulation of photoprotective mechanisms in microalgae

Oxygenic photosynthesis is a process by which sunlight energy and CO2 are used to produce O2 and biomass. The light energy conversion into chemical energy is carried forth by multiproteic complexes called Photosystem II (PSII) and Photosystem I (PSI). PSII and PSI drive charge separation, light harvesting and electron transport from water, producing the reducing power necessary to fix CO2 into carbohydrates (ATP and NADPH). Photosystems are composed by two moieties: a core reaction center, site of biochemical reactions and charge separation, and an antenna system constituted by Light Harvesting Complex (LHC) proteins mainly involved in light harvesting and excitation energy transfer to the reaction center. Photosynthetic organisms use the photosynthetically active radiation (PAR) for their metabolic processes but irradiance undergo changes and light excess becomes a limit or even a stressor leading to the formation of Reactive Oxygen Species (ROS) which influence plant growth and could decrease crop productivity. Photo-oxidative stress can be prevented by activation of thermal dissipation process called Non-Photochemical Quenching (NPQ), which has an important role in quenching chlorophylls singlet excited states dissipating the excitation energy in form of heat. In microalgae, up to 80% of absorbed light energy can be re-emitted as heat with a consequent reduction of total biomass productivity. This thesis was focused into the investigation of NPQ regulation in several algae species. For this purpose, different approaches were applied including genetic transformation, phenotypic and spectroscopic characterization of entire cells and of isolated complexes. The NPQ regulation at the level of both PSII and PSI also in relation with LHC proteins was fully investigated in the model green alga Chlamydomonas reinhardtii evidencing a quenching activity in both Photosystems. In the commercial microalga specie, Chlorella vulgaris, the NPQ regulation was studied in relation with zeaxanthin accumulation evidencing a strong dependency. Finally, in the microalga Haematococcus pluvialis, the photosynthetic regulation was also monitored in entire cells and isolated complexes, in presence of strong stresses induced by light excess and nutrients depletion.

La fotosintesi ossigenica è un processo per mezzo del quale l’energia solare e l’anidride carbonica (CO2) sono utilizzate per produrre ossigeno (O2) e biomassa. La conversione dell’energia luminosa in energia chimica è condotta da complessi multiproteici denominati Fotosistema II (PSII) e Fotosistema I (PSI). Il PSII e il PSI mediano la separazione di carica, la raccolta della luce e il trasporto di elettroni dall’acqua, producendo il potere riducente necessario per fissare la CO2 in carboidrati (ATP e NADPH). I Fotosistemi sono composti da due unità principali: il centro di reazione, sito in cui avvengono le reazioni biochimiche e la separazione di carica, e il sistema antenna, costituito da complessi proteici di raccolta della luce (LHC), coinvolti principalmente nella raccolta della luce e nel trasferimento dell’energia d’eccitazione al centro di reazione. Gli organismi fotosintetici sfruttano la radiazione fotosinteticamente attiva (PAR) a fini metabolici. Variazioni nell'irradianza, quali l’eccesso di luce, possono determinare condizioni limitanti o di stress, portando alla formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), le quali, influenzando la crescita delle piante e ne riducono la produttività. L'attivazione del processo di dissipazione termica, denominato Non-Photochemical Quenching (NPQ), ha un ruolo fondamentale nella reazione di quenching (smorzamento) degli stati eccitati di singoletto della clorofilla, dissipando l'energia di eccitazione sotto forma di calore, prevenendo quindi lo stress foto-ossidativo. Nelle microalghe fino all'80% dell'energia luminosa assorbita può essere riemessa sotto forma di calore con conseguente riduzione della produttività totale di biomassa. Questa tesi è incentrata sullo studio della regolazione dell’NPQ in diverse specie di alghe. A tale scopo sono stati applicati diversi approcci quali la trasformazione genetica, la caratterizzazione fenotipica e spettroscopica di cellule intere e di complessi proteici isolati. La regolazione dell’NPQ a livello del PSII e del PSI è stata ampiamente studiata anche in relazione alle proteine LHC nell’organismo modello per le alghe verdi, Chlamydomonas reinhardtii, in cui è stata evidenziata un'attività di quenching in entrambi i Fotosistemi. Nella specie di microalga di uso commerciale, Chlorella vulgaris, la regolazione dell’NPQ è stata studiata in relazione all'accumulo di zeaxantina, evidenziandone una forte dipendenza. Infine, la regolazione fotosintetica è stata monitorata in cellule intere e in complessi isolati nella microalga Haematococcus pluvialis, in presenza di forti stress indotti dall’eccesso di energia luminosa e dalla carenza di nutrienti.