title: Einfluss CO₂-permeabler Aquaporine auf die Fotosynthese in Synechococcus sp. PCC7002
Creators: name: Joseph, Franziska Maria
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2024

description: Einige der als passive Wassertransporter entdeckten Aquaporine sind auch CO₂-durchlässig. Überexprimiert in Pflanzen führten diese bereits zu einer besseren Verteilung von CO₂ im Zellgewebe und einer damit verbundenen, verbesserten Fotosyntheseleistung.
 
In fotosynthetisch aktiven, einzelligen Cyanobakterien wird anorganischer Kohlenstoff hingegen bereits in Form von Bicarbonat (HCO₃⁻) in der Zelle aufkonzentriert. Dadurch wird auch bei schlechter CO₂-Verfügbarkeit eine hohe Fotosyntheserate sichergestellt. Ob der Einbau CO₂-durchlässiger Aquaporine auch hier Auswirkungen hat, sollte im Zuge dieser Arbeit geklärt werden. Hierfür wurde ein putativ CO₂ und H₂O durchlässiges menschliches Aquaporin (hAQP1), sowie ein CO₂-durchlässiges Aquaporin aus der Tabakpflanze Nicotiana tabacum (NtAQP1) in das Cyanobakterium Synechococcus sp. PCC7002 eingebaut. Zum Vergleich wurde der unveränderte Stamm (Kontrolle) und eine Transformante mitgeführt, in die ein ausschließlich wasserdurchlässiges Aquaporin aus Tabak (NtPIP2;1) eingebaut wurde. 

Die heterologe Produktion der Aquaporine hAQP1 und NtAQP1 führte in den Cyanobakterien zu einer um mindestens 15-20 % erhöhten Brutto-Fotosynthese- bzw. O₂-Produktionsrate, wie Messungen mit einer O₂-Optode zeigten. Gleichzeitig änderte sich die maximale O₂-Produktionsrate nach Einbau des ausschließlich wasserdurchlässigen Aquaporins NtPIP2;1 nicht. Im lichtlimitierten Bereich der Fotosynthese, war aber teilweise eine Abnahme der O₂-Produktion zu beobachten. So wird der Lichtkompensationspunkt erst bei einer höheren Beleuchtungsstärke erreicht. 

Als Grund für die erhöhten O₂-Produktionsraten wurde im lichtlimitierten Bereich der Fotosynthese eine erhöhte Effizienz des PSII angenommen, an dem O₂ entsteht. Die erhöhte Effizienz wurde, wie Messungen der 77 K Fluoreszenzspektren nach Anregung der Phycobilisome (PBS) bestätigten, durch „state transitions“ ausgelöst. In +hAQP1 und +NtAQP1 wird dadurch mehr der von den PBS eingefangenen Lichtenergie ans PSII weitergeleitet, in +NtPIP2;1 weniger. Auslöser für die „state transitions“ ist der Redoxstatus des Plastochinolpools. Dieser ist abhängig von der Nutzung der durch die Elektronentransportkette weitergeleiteten Elektronen. Ausgehend vom CO₂-Fluss in die Zelle wird mehr oder weniger CO₂ zu HCO₃⁻ umgewandelt. Dadurch ändern sich die Nutzungsverhältnisse und der Redoxstatus des Plastochinolpools. Die heterologe Produktion CO₂-durchlässiger Aquaporine in Cyanobakterien wirkt sich dabei positiv auf die Nutzung der gewonnenen Elektronen aus und führt dadurch zu einer erhöhten PSII-Effizienz. Weniger Elektronen müssen hier über zyklischen Elektronentransport (CET) recycelt werden.
Dass Zellen von +hAQP1 und +NtAQP1 beide erhöhte O₂-Produktionsraten und eine erhöhte PSII-Effizienz aufzeigen, weist darauf hin, dass durch beide Aquaporine die CO₂-Verfügbarkeit in der Zelle verbessert wird. 
Durch die verbesserte CO₂-Verfügbarkeit könnte es auch zu erhöhten CO₂-Fixierungsraten kommen. Auswirkungen auf den Phänotyp bzw. das Wachstum oder die Biomasseakkumulation konnten allerdings nicht beobachtet werden. 
Im lichtgesättigten Bereich der Fotosynthese haben die erhöhten maximalen O₂-Produktionsraten bei +hAQP1 und +NtAQP1 wahrscheinlich einen anderen Grund. Hier können alle Fotosysteme ausreichend mit Lichtenergie versorgt und die gleiche maximale PSII-Effizienz erreicht werden. In +hAQP1 und +NtAQP1 muss aber weniger überschüssige, reduzierende Kraft recycelt werden.
Neben CET kann dieses Recyceln auch über alternative, teilweise O₂-verbrauchende Elektronenflusswege (AEF) geschehen. In der Kontrolle und +NtPIP2;1 wird mehr O₂ durch AEF reduziert, da hier mehr reduzierende Kraft recycelt werden muss.