«State transitions» (ST) представляет собой механизм акклимации, при котором происходит перераспределение поглощенной энергии возбуждения между двумя фотосистемами (ФС) за счет обратимой миграции части светособирающего комплекса ФС2 (ССК2) между ФС2 и ФС1. При освещении связывание восстановленного пластохинона в цитохромном комплексе активирует STN7 киназу, которая фосфорилирует белки Lhcb1 и Lhcb2, что приводит к диссоциации этих белков от ФС2 и миграции к ФС1 (состояние 2). В темноте происходит дефосфорилирование Lhcb1 и Lhcb2 TAP38/PPH1 фосфатазой, что приводит к диссоциации этих белков от ФС1 и возвращению к ФС2 (состояние 1). Ранее нами показано, что отсутствие в мутантных растениях Arabidopsis thaliana α- карбоангидразы 2 (α-КА2), катализирующей реакцию СО2+Н2О=Н++НСО3-, приводит к меньшему восстановлению пула пластохинона и большей скорости электронного транспорта через ФС2 по сравнению с растениями дикого типа (ДТ). Исходя из этого интересным кажется оценка переходов ССК2 из состояния 1 в состояние 2 и обратно в данных мутантных растениях.

Переход из состояния 1 в состояние 2 оценивали классическим подходом – измерением низкотемпературной флуоресценции хлорофилла а. При освещении светом возбуждающим предпочтительно ФС2 в растениях ДТ, происходило изменение отношения пиков флуоресценции ФС1/ФС2 на 22%, а в мутанте по α-КА2 только на 8-13% по сравнению с значениями, полученными после адаптации к темноте. Что говорит о менее выраженном переходе ССК2 от ФС2 к ФС1. Обратный переход части ССК2 от ФС1 к ФС2 оценивали при комнатной температуре с помощью измерения нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла a (НФТ), выраженного параметром NPQ. Между 15-ой и 24-ой минутами (ST-зависимая релаксация) после выключения действующего красного света в мутанте по α-КА2 величина NPQ была в 2 раза ниже, чем в растениях ДТ. Таким образом, обнаружена более низкая способность мутантных растений с заблокированным синтезом α- КА2 осуществлять и обратный переход из состояния 2 в состояние 1 по сравнению с растениями ДТ. Возможной причиной наблюдаемых отличий в протекании state transitions может быть изменение активности STN7 киназы и накопления фосфорилированных белков Lhcb1 и Lhcb2 в мутантных растениях. С помощью Вестерн-блот анализа показано, что содержание фосфорилированных белков Lhcb1 и Lhcb2 в мутанте по α-КА2 было меньше, чем в ДТ. Интересно, что общий размер ССК2 в мутанте больше, чем в ДТ за счет большего содержания белков Lhcb1 и Lhcb2.

Работа поддержана грантом РНФ № 22-74-10088

«State transitions» (ST) is an acclimation mechanism in which the absorbed excitation energy is redistributed between two photosystems (PS) due to the reversible migration of a part of the PSII light-harvesting complex (LHCII) between PSII and PSI. Under illumination, binding of the reduced plastoquinone in the cytochrome complex activates STN7 kinase. STN7 kinase phosphorylates the Lhcb1 and Lhcb2 proteins, which leads to the dissociation of these proteins from PSII and migration to PSI (state 2). In the dark, dephosphorylation of Lhcb1 and Lhcb2 by TAP38/PPH1 phosphatase occurs, which leads to dissociation of these proteins from PSI and return to PSII (state 1). We have previously shown that the absence of α-carboanhydrase 2 (α-CA2), which catalyzes the CO2+H2O=H++HCO3- reaction, in Arabidopsis thaliana mutant plants leads to a lower reduction of the plastoquinone pool and a higher rate of electron transport through PSII compared to plants of wild type (WT). Based on this, it seems interesting to evaluate the transitions of LHCII from state 1 to state 2 and back in these mutant plants.

The transition from state 1 to state 2 was evaluated by the classical approach, i.e., by measuring the low-temperature fluorescence of chlorophyll a. Under illumination with excitatory light, preferably PSII, in WT plants, the ratio of PSI/PSII fluorescence peaks changed by 22%, and in the α-CA2 mutant only by 8-13% compared with the values obtained after dark adaptation. This indicates a less pronounced transition of LHCII from PSII to PSI. The reverse transition of part of LHCII from PSI to PSII was evaluated at room temperature by measuring the non-photochemical quenching of chlorophyll a fluorescence, expressed by the NPQ parameter. Between the 15th and 24th minutes (ST-dependent relaxation) after turning off the effective red light in the α-CA2 mutant, the NPQ value was 2 times lower than in WT plants. Thus, a lower ability of mutant plants with blocked α-CA2 synthesis to carry out the reverse transition from state 2 to state 1 was found compared to WT plants.

A possible reason for the observed differences in the course of state transitions may be a change in the activity of STN7 kinase and the accumulation of phosphorylated proteins Lhcb1 and Lhcb2 in mutant plants. Using Western blot analysis, it was shown that the content of phosphorylated proteins Lhcb1 and Lhcb2 in the α-CA2 mutant was lower than in WT. Interestingly, the total size of LHCII in the mutant is larger than in WT due to the higher content of Lhcb1 and Lhcb2 proteins.

This work was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-74-10088