Dynamic thylakoid stacking and state transitions work synergistically to avoid acceptor-side limitation of photosystem I

堆积 类囊体 塑料醌 光系统 光系统II 光合作用 光系统I 电子传输链 化学 叶绿体 生物物理学 植物 生物 生物化学 基因 有机化学
作者
Christopher Hepworth,William H. Wood,Tom Z. Emrich-Mills,Matthew S. Proctor,Stuart A. Casson,Matthew P. Johnson
出处
期刊:Nature plants [Springer Nature]
卷期号:7 (1): 87-98 被引量:48
标识
DOI:10.1038/s41477-020-00828-3
摘要

TAP38/STN7-dependent (de)phosphorylation of light-harvesting complex II (LHCII) regulates the relative excitation rates of photosystems I and II (PSI, PSII) (state transitions) and the size of the thylakoid grana stacks (dynamic thylakoid stacking). Yet, it remains unclear how changing grana size benefits photosynthesis and whether these two regulatory mechanisms function independently. Here, by comparing Arabidopsis wild-type, stn7 and tap38 plants with the psal mutant, which undergoes dynamic thylakoid stacking but lacks state transitions, we explain their distinct roles. Under low light, smaller grana increase the rate of PSI reduction and photosynthesis by reducing the diffusion distance for plastoquinol; however, this beneficial effect is only apparent when PSI/PSII excitation balance is maintained by state transitions or far-red light. Under high light, the larger grana slow plastoquinol diffusion and lower the equilibrium constant between plastocyanin and PSI, maximizing photosynthesis by avoiding PSI photoinhibition. Loss of state transitions in low light or maintenance of smaller grana in high light also both bring about a decrease in cyclic electron transfer and over-reduction of the PSI acceptor side. These results demonstrate that state transitions and dynamic thylakoid stacking work synergistically to regulate photosynthesis in variable light.
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