Multi-omics reveals mechanisms of total resistance to extreme illumination of a desert alga

光合作用 类囊体 氧化还原 小球藻 光系统II 生物 光合反应中心 光系统 生物物理学 光系统I 极端环境 代谢组学 植物 化学 藻类 叶绿体 生物化学 生物信息学 遗传学 有机化学 细菌 基因
作者
Haim Treves,Beata Siemiątkowska,Urszula Luzarowska,Omer Murik,Noé Fernández‐Pozo,Thiago Alexandre Moraes,Alexander Erban,Ute Armbruster,Yariv Brotman,Joachim Kopka,Stefan A. Rensing,Jędrzej Szymański,Mark Stitt
出处
期刊:Nature plants [Nature Portfolio]
卷期号:6 (8): 1031-1043 被引量:47
标识
DOI:10.1038/s41477-020-0729-9
摘要

The unparalleled performance of Chlorella ohadii under irradiances of twice full sunlight underlines the gaps in our understanding of how the photosynthetic machinery operates, and what sets its upper functional limit. Rather than succumbing to photodamage under extreme irradiance, unique features of photosystem II function allow C. ohadii to maintain high rates of photosynthesis and growth, accompanied by major changes in composition and cellular structure. This remarkable resilience allowed us to investigate the systems response of photosynthesis and growth to extreme illumination in a metabolically active cell. Using redox proteomics, transcriptomics, metabolomics and lipidomics, we explored the cellular mechanisms that promote dissipation of excess redox energy, protein S-glutathionylation, inorganic carbon concentration, lipid and starch accumulation, and thylakoid stacking. C. ohadii possesses a readily available capacity to utilize a sudden excess of reducing power and carbon for growth and reserve formation, and post-translational redox regulation plays a pivotal role in this rapid response. Frequently the response in C. ohadii deviated from that of model species, reflecting its life history in desert sand crusts. Comparative global and case-specific analyses provided insights into the potential evolutionary role of effective reductant utilization in this extreme resistance of C. ohadii to extreme irradiation. The green alga, Chlorella ohadii, can survive under desert conditions of extreme irradiance. Redox proteomics, transcriptomics, metabolomics and lipidomics uncover how C. ohadii can absorb and use the sudden excesses of reducing power and carbon.
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