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Courteille A, Vesa S, Sanz-Barrio R, Cazalé AC, Becuwe-Linka N, Farran I, Havaux M, Rey P, Rumeau D. Thioredoxin m4 controls photosynthetic alternative electron pathways in Arabidopsis. PLANT PHYSIOLOGY 2013; 161:508-20. [PMID: 23151348 PMCID: PMC3532281 DOI: 10.1104/pp.112.207019] [Citation(s) in RCA: 82] [Impact Index Per Article: 7.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [MESH Headings] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 09/14/2012] [Accepted: 11/12/2012] [Indexed: 05/18/2023]
Abstract
In addition to the linear electron flow, a cyclic electron flow (CEF) around photosystem I occurs in chloroplasts. In CEF, electrons flow back from the donor site of photosystem I to the plastoquinone pool via two main routes: one that involves the Proton Gradient Regulation5 (PGR5)/PGRL1 complex (PGR) and one that is dependent of the NADH dehydrogenase-like complex. While the importance of CEF in photosynthesis and photoprotection has been clearly established, little is known about its regulation. We worked on the assumption of a redox regulation and surveyed the putative role of chloroplastic thioredoxins (TRX). Using Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) mutants lacking different TRX isoforms, we demonstrated in vivo that TRXm4 specifically plays a role in the down-regulation of the NADH dehydrogenase-like complex-dependent plastoquinone reduction pathway. This result was confirmed in tobacco (Nicotiana tabacum) plants overexpressing the TRXm4 orthologous gene. In vitro assays performed with isolated chloroplasts and purified TRXm4 indicated that TRXm4 negatively controls the PGR pathway as well. The physiological significance of this regulation was investigated under steady-state photosynthesis and in the pgr5 mutant background. Lack of TRXm4 reversed the growth phenotype of the pgr5 mutant, but it did not compensate for the impaired photosynthesis and photoinhibition sensitivity. This suggests that the physiological role of TRXm4 occurs in vivo via a mechanism distinct from direct up-regulation of CEF.
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Affiliation(s)
| | | | - Ruth Sanz-Barrio
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Anne-Claire Cazalé
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Noëlle Becuwe-Linka
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Immaculada Farran
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Michel Havaux
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Pascal Rey
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
| | - Dominique Rumeau
- Centre National de la Recherche Scientifique, Unité Mixte de Recherche 7265, Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Commissariat à l'Energie Atomique, Institut de Biologie Environnementale et Biotechnologie, Service de Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales, Laboratoire d’Ecophysiologie Moléculaire des Plantes, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Université Aix-Marseille, 13108 Saint-Paul-lez-Durance, France (A.C., S.V., N.B.-L., M.H., P.R., D.R.); Instituto de Agrobiotecnologia, Universidad Pública de Navarra-Consejo Superior de Investigaciones Científicas-Gobierno de Navarra, 31006 Pamplona, Spain (R.S.-B., I.F.); Institut National de la Recherche Agronomique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 441, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.); and Centre National de la Recherche Scientifique, Laboratoire des Interactions Plantes-Microorganismes, Unité Mixte de Recherche 2594, F-31326 Castanet-Tolosan, France (A.-C.C.)
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