Balancing photosynthetic electron flow is critical for cyanobacterial acclimation to nitrogen limitation

Abstract

Nitrogen limitation forces photosynthetic organisms to reallocate available nitrogen to essential functions. At the same time, it increases the probability of photo-damage by limiting the rate of energy-demanding metabolic processes, downstream of the photosynthetic apparatus. Non-diazotrophic cyanobacteria cope with this situation by decreasing the size of their phycobilisome antenna and by modifying their photosynthetic apparatus. These changes can serve two purposes: to provide extra amino-acids and to decrease excitation pressure. We examined the effects of nitrogen limitation on the form and function of the photosynthetic apparatus. Our aim was to study which of the two demands serve as the driving force for the remodeling of the photosynthetic apparatus, under different growth conditions. We found that a drastic reduction in light intensity allowed cells to maintain a more functional photosynthetic apparatus: the phycobilisome antenna was bigger, the activity of both photosystems was higher and the levels of photosystem (PS) proteins were higher. Pre-acclimating cells to Mn limitation, under which the activity of both PSI and PSII is diminished, results in a very similar response. The rate of PSII photoinhibition, in nitrogen limited cells, was found to be directly related to the activity of the photosynthetic apparatus. These data indicate that, under our experimental conditions, photo-damage avoidance was the more prominent determinant during the acclimation process. The combinations of limiting factors tested here is by no means artificial. Similar scenarios can take place under environmental conditions and should be taken into account when estimating nutrient limitations in nature.

Enhanced limonene production in cyanobacteria reveals photosynthesis limitations

“…Considering that we saw a decrease in O 2 evolution, it is likely that the increased subunits are not functionally assembled in the active protein complex, instead existing as free subunits. In addition, higher NADPH level might be linked to the decreased phycobilin in L1118, because NADPH accumulation could lead to overreduction of plastoquinone pool and photoinhibition (27), which can potentially lead to PBS degradation to protect cells from photoinhibition (27).…”

The Regulation of Light Sensing and Light-Harvesting Impacts the Use of Cyanobacteria as Biotechnology Platforms

“…PCC 7002 has been used to increase the carbon-to-nitrogen ratio and glycogen content to improve its utility as a biomass feedstock (Möllers et al, 2014). Nitrogen starvation of cyanobacteria leads to degradation of PBS complexes (Paone and Stevens, 1981; Stevens et al, 1981; Salomon et al, 2013). Under these conditions, cyanobacteria exhibit a reduction in growth and increased potential for the induction of photodamage similar to salt stress.…”

Efeito da Fertilização Amoniacal na Aclimatação de Ingá Sob Alta e Moderada Irradiância

“…Em situação oposta, a condição de moderada irradiância pode promover o aumento da eficiência na captação de luz, devido ao maior investimento em área foliar, teor de pigmentos cloroplastídicos por unidade de massa foliar e tamanho e número dos complexos coletores de luz (LHCII) (Sarijeva et al, 2007;Rooijen et al, 2015). A interação nitrogênio-alta irradiância reflete o papel fundamental que esse nutriente desempenha no processo fotossintético, uma vez que o status de nitrogênio foliar pode ser decisivo para a maior eficiência no uso da energia e, consequentemente, diminuição do potencial de fotoinibição (Salomon et al, 2013). Nas plantas, o nitrogênio (N) tem como maior dreno metabólico o processo de fotossíntese: cerca da metade do total de N foliar é utilizado nas atividades do metabolismo fotossintético (Onoda et al, 2004;Santiago et al, 2013).…”

“…Nas plantas, o nitrogênio (N) tem como maior dreno metabólico o processo de fotossíntese: cerca da metade do total de N foliar é utilizado nas atividades do metabolismo fotossintético (Onoda et al, 2004;Santiago et al, 2013). No aparato fotossintético, parte do N é destinado à fase fotoquímica da fotossíntese, a exemplo da síntese de clorofilas presentes nos sistemas coletores de luz, os complexos antenas, e nas estruturas das proteínas transportadoras de elétrons (Eichelmann et al, 2005;Salomon et al, 2013). Ademais, na fase bioquímica da fotossíntese, o nitrogênio é constituinte das proteínas/enzimas do ciclo de Calvin, em particular a rubisco (ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase), que representa cerca de 40% das proteínas solúveis nas folhas, sendo responsável pela incorporação do CO 2 ao substrato ribulose-1,5-bisfosfato (Eichelmann et al, 2005;Salomon et al, 2013).…”

“…No aparato fotossintético, parte do N é destinado à fase fotoquímica da fotossíntese, a exemplo da síntese de clorofilas presentes nos sistemas coletores de luz, os complexos antenas, e nas estruturas das proteínas transportadoras de elétrons (Eichelmann et al, 2005;Salomon et al, 2013). Ademais, na fase bioquímica da fotossíntese, o nitrogênio é constituinte das proteínas/enzimas do ciclo de Calvin, em particular a rubisco (ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase/oxigenase), que representa cerca de 40% das proteínas solúveis nas folhas, sendo responsável pela incorporação do CO 2 ao substrato ribulose-1,5-bisfosfato (Eichelmann et al, 2005;Salomon et al, 2013). Todavia, existem também registros na literatura sobre outros drenos de N que podem, inclusive, mudar a alocação de N foliar, e essa possível troca de dreno, que constitui diferente alocação de N da fotossíntese para outra demanda celular (e.g., parede celular a partir da estruturação de proteínas de defesa), sugere que as plantas, ao mudarem a alocação de N, podem aumentar a taxa ou duração de assimilação de carbono, maximizando o seu desempenho em ambientes que apresentem variações nos fatores abióticos (Lambers & Poorter, 1992;Onoda et al, 2004).…”