Interactions between photorespiration, nitrogen assimilation and day respiration
L'interaction entre la photorespiration avec le métabolisme primaire des feuilles d’Arabidopsis thaliana : Caractérisation de mutants pour la glycolate oxydase et la glutamate : glyoxylate aminotransférase 1
Abstract
In the light, the RuBisCO carboxylase activity assimilates inorganic CO2 into organic compounds, via the production of 3-phosphoglycerate (3-PGA) that is used for the biosynthesis of sugars, organic and amino acids, plant cell walls etc. However, it also has an oxygenase activity that makes 3-PGA and 2-phosphoglycolate (2-PG). The toxic 2-PG is metabolized to 3-PGA by the photorespiratory cycle, which takes place in chloroplasts, peroxisomes and mitochondria. Despite a partial loss of carbon and nitrogen, the importance of photorespiration for growth can be seen by the negative phenotypes exhibited by photorespiratory enzyme mutants in air (i.e. slow growth, leaf chlorosis, and sometimes lethality), which are not observed under high CO2 conditions. This may reflect the metabolic interactions between photorespiration and plant primary metabolism. To better understand such interactions and the development of photorespiratory phenotypes, mutants for glycolate oxidase (GOX) and glutamate:glyoxylate aminotransferase have been characterized by several complementary methods: analysis of gas exchanges, chlorophyll fluorescence,13C-labeling of metabolites, measurements of metabolites, cofactors and RuBisCO levels. The results show that, after a high CO2-to-air transfer, the inhibition of photosynthesis in the mutants is mainly due to a defect in photorespiratory carbon recycling leading to a decreased RuBisCO activity. The inhibition of carbon assimilation negatively impacts mutant leaf RuBisCO content when compared to wild-type plants. In the mutants, when photosynthetic inhibition is too high, the resulting carbon starvation triggers the onset of senescence in their old leaves. In parallel to this work, a comparison of the kinetic parameters of GOX from A. thaliana (C3 plant) and Z. mays (C4 plant) coupled to measurements of 13C and 2H kinetic isotopic effects showed that these enzymes share similar Michaelian parameters for glycolate, and a similar hydride transfer reaction mechanism.
A la lumière, l’activité carboxylase de la RuBisCO permet de fixer le CO2 inorganique en matière organique, sous forme de 3-phosphoglycérate (3-PGA), qui sera utilisé pour la biosynthèse de sucres, d’acides organiques et aminés, de la paroi végétale etc. Cependant, elle possède aussi une activité oxygénase qui produit du 3-PGA et du 2-phosphoglycolate. Ce dernier composé étant toxique, il est métabolisé en 3-PGA par le cycle photorespiratoire qui se déroule dans le chloroplaste, le peroxysome et la mitochondrie. Malgré une perte partielle en carbone et en azote, l’importance de la photorespiration pour les plantes est illustré par les phénotypes néfastes que les mutants d’enzymes photorespiratoires présentent dans l’air (comme un retard de croissance, la chlorose, et de la létalité) et qui sont absents en fort CO2. Ceci pourrait refléter des interactions étroites entre la photorespiration et le métabolisme primaire des plantes. Afin de mieux comprendre ces interactions et la mise en place des phénotypes photorespiratoires, des mutants pour la glycolate oxydase (GOX) et la glutamate:glyoxylate aminotransférase ont été caractérisés à travers plusieurs analyses complémentaires: des échanges gazeux, de la fluorescence chlorophyllienne, du marquage des métabolites avec du 13C, des dosages de métabolites, de cofacteurs, et de la RuBisCO. Les résultats montrent que, suite à un transfert de fort CO2 dans l’air, l’inhibition de la photosynthèse observée chez nos mutants est principalement due à un défaut du recyclage du carbone photorespiratoire qui diminue l’activité de la RuBisCO. Cette inhibition photosynthétique a un impact négatif sur la quantité de RuBisCO dans les feuilles de ces mutants par rapport aux plantes contrôles. De plus, lorsque l’inhibition de la photosynthèse est trop importante chez nos mutants photorespiratoires, la carence en carbone déclenche de la sénescence dans leurs feuilles âgées. En parallèle, une comparaison des paramètres cinétiques de la GOX d’A. thaliana (plante en C3) et de Z. mays (plante en C4) associée à la mesure d’effets isotopiques 13C et 2H a révélé que ces enzymes partageaient des paramètres Michaéliens équivalents pour le glycolate, ainsi qu’un mécanisme réactionnel identique mettant en jeu un transfert d’hydrure.
Origin : Version validated by the jury (STAR)