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Cold-acclimation limits low temperature induced photoinhibition by promoting a higher photochemical quantum yield and a more effective PSII restoration in darkness in the Antarctic rather than the Andean ecotype of Colobanthus quitensis Kunt Bartl (Cariophyllaceae)

Primer Autor	Bravo, Leon A.
Co-autores	Bascunan-Godoy, Luisa Sanhueza, Carolina Cuba, Marely Zuniga, Gustavo E. Corcuera, Luis J.
Título	Cold-acclimation limits low temperature induced photoinhibition by promoting a higher photochemical quantum yield and a more effective PSII restoration in darkness in the Antarctic rather than the Andean ecotype of Colobanthus quitensis Kunt Bartl (Cariophyllaceae)
Editorial	BMC
Revista	BMC PLANT BIOLOGY
Lenguaje	en
Resumen	Background: Ecotypes of Colobanthus quitensis Kunt Bartl (Cariophyllaceae) from Andes Mountains and Maritime Antarctic grow under contrasting photoinhibitory conditions, reaching differential cold tolerance upon cold acclimation. Photoinhibition depends on the extent of photodamage and recovery capability. We propose that cold acclimation increases resistance to low-temperature-induced photoinhibition, limiting photodamage and promoting recovery under cold. Therefore, the Antarctic ecotype (cold hardiest) should be less photoinhibited and have better recovery from low-temperature-induced photoinhibition than the Andean ecotype. Both ecotypes were exposed to cold induced photoinhibitory treatment (PhT). Photoinhibition and recovery of photosystem II (PSII) was followed by fluorescence, CO2 exchange, and immunoblotting analyses. Results: The same reduction (25%) in maximum PSII efficiency (Fv/Fm) was observed in both cold-acclimated (CA) and non-acclimated (NA) plants under PhT. A full recovery was observed in CA plants of both ecotypes under dark conditions, but CA Antarctic plants recover faster than the Andean ecotype. Under PhT, CA plants maintain their quantum yield of PSII, while NA plants reduced it strongly (50% and 73% for Andean and Antarctic plants respectively). Cold acclimation induced the maintenance of PsaA and Cyt b6/f and reduced a 41% the excitation pressure in Antarctic plants, exhibiting the lowest level under PhT. xCold acclimation decreased significantly NPQs in both ecotypes, and reduced chlorophylls and D1 degradation in Andean plants under PhT. NA and CA plants were able to fully restore their normal photosynthesis, while CA Antarctic plants reached 50% higher photosynthetic rates after recovery, which was associated to electron fluxes maintenance under photoinhibitory conditions. Conclusions: Cold acclimation has a greater importance on the recovery process than on limiting photodamage. Cold acclimation determined the kinetic and extent of recovery process under darkness in both C. quitensis ecotypes. The greater recovery of PSII at low temperature in the Antarctic ecotype was related with its ability to maintain PsaA, Cyt b6/f and D1 protein after photoinhibitory conditions. This is probably due to either a higher stability of these polypeptides or to the maintenance of their turnover upon cold acclimation. In both cases, it is associated to the maintenance of electron drainage from the intersystem pool, which maintains Q(A) more oxidized and may allow the synthesis of ATP and NADPH necessaries for the regeneration of ribulose 1,5-bisphosphate in the Calvin Cycle. This could be a key factor for C. quitensis success under the harsh conditions and the short growing period in the Maritime Antarctic.#Antecedentes: Los ecotipos de Colobanthus quitensis Kunt Bartl (Cariophyllaceae) de la Cordillera de los Andes y la Antártida Marítima crecen bajo condiciones de fotoinhibición contrastantes, alcanzando una tolerancia diferencial al frío tras la aclimatación. La fotoinhibición depende de la magnitud del fotodaño y la capacidad de recuperación. Proponemos que la aclimatación al frío aumenta la resistencia a la fotoinhibición inducida por bajas temperaturas, limitando el fotodaño y promoviendo la recuperación bajo frío. Por lo tanto, el ecotipo antártico (el más resistente al frío) debería estar menos fotoinhibido y tener una mejor recuperación de la fotoinhibición inducida por bajas temperaturas que el ecotipo andino. Ambos ecotipos fueron expuestos a un tratamiento de fotoinhibición inducida por frío (PhT). La fotoinhibición y la recuperación del fotosistema II (PSII) se siguieron mediante análisis de fluorescencia, intercambio de CO2 e inmunoblotting. Resultados: Se observó la misma reducción (25%) en la eficiencia máxima del PSII (Fv/Fm) tanto en plantas aclimatadas al frío (CA) como en plantas no aclimatadas (NA) bajo PhT. Se observó una recuperación completa en plantas CA de ambos ecotipos en condiciones de oscuridad, pero las plantas CA Antárticas se recuperan más rápido que el ecotipo Andino. Bajo PhT, las plantas CA mantienen su rendimiento cuántico de PSII, mientras que las plantas NA lo redujeron fuertemente (50% y 73% para plantas Andinas y Antárticas respectivamente). La aclimatación al frío indujo el mantenimiento de PsaA y Cyt b6/f y redujo un 41% la presión de excitación en plantas Antárticas, exhibiendo el nivel más bajo bajo PhT. La aclimatación al frío disminuyó significativamente las NPQ en ambos ecotipos, y redujo la degradación de clorofilas y D1 en plantas Andinas bajo PhT. Las plantas NA y CA pudieron restaurar completamente su fotosíntesis normal, mientras que las plantas CA Antárticas alcanzaron tasas fotosintéticas un 50% más altas después de la recuperación, lo que se asoció con el mantenimiento de flujos de electrones en condiciones fotoinhibitorias. Conclusiones: La aclimatación al frío tiene mayor importancia en el proceso de recuperación que en la limitación del fotodaño. La aclimatación al frío determinó la cinética y el alcance del proceso de recuperación en oscuridad en ambos ecotipos de C. quitensis. La mayor recuperación del PSII a bajas temperaturas en el ecotipo antártico se relacionó con su capacidad para mantener las proteínas PsaA, Cyt b6/f y D1 tras condiciones fotoinhibitorias. Esto probablemente se deba a una mayor estabilidad de estos polipéptidos o al mantenimiento de su recambio tras la aclimatación al frío. En ambos casos, se asocia al mantenimiento del drenaje de electrones del pool intersistémico, lo que mantiene la Q(A) más oxidada y puede permitir la síntesis de ATP y NADPH necesarios para la regeneración de la ribulosa 1,5-bisfosfato en el ciclo de Calvin. Este podría ser un factor clave para el éxito de C. quitensis en las duras condiciones y el corto período de crecimiento de la Antártida Marítima.
Tipo de Recurso	Artículo original
Description	Luisa Bascunan thanks INACH for the logistics and permits to study and collect plant material in protected areas in the Maritime Antarctic. Bascunan-Godoy thanks INACH B_01-06 for a fellowship to support of her Doctoral Thesis, CONICYT for a graduate fellowship and FONDECYT 1060910. Luisa Bascunan agradece al INACH la logística y los permisos para estudiar y recolectar material vegetal en áreas protegidas de la Antártida Marítima. Bascunan-Godoy agradece al INACH B_01-06 la beca de apoyo para su tesis doctoral, al CONICYT la beca de posgrado y al FONDECYT 1060910.
doi	10.1186/1471-2229-12-114
Formato Recurso	pdf
Palabras Claves	Plantas antárticas plantas andinas fotoinhibición inducida por el frío recuperación restauración del PSII ciclo D1 fotoprotección Antarctic plants Andean plants Cold-induced-photoinhibition Recovery PSII restoration D1 cycle Photoprotection FOTOSISTEMA II TRANSPORTE DE ELECTRONES CICLO DE LA XANTOFILA IN VIVO RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO FLUORESCENCIA DE LA CLOROFILA ARABIDOPSIS THALIANA CITOCROMO B(6)/F ATP SINTASA ESTADO REDOX PHOTOSYSTEM-II ELECTRON-TRANSPORT XANTHOPHYLL CYCLE IN-VIVO PHOTOSYNTHETIC PERFORMANCE CHLOROPHYLL FLUORESCENCE ARABIDOPSIS-THALIANA CYTOCHROME B(6)/F ATP SYNTHASE REDOX STATE
Ubicación del archivo	http://dx.doi.org/10.1186/1471-2229-12-114
Materias	Plantas antárticas plantas andinas fotoinhibición inducida por el frío recuperación restauración del PSII ciclo D1 fotoprotección Antarctic plants Andean plants Cold-induced-photoinhibition Recovery PSII restoration D1 cycle Photoprotection FOTOSISTEMA II TRANSPORTE DE ELECTRONES CICLO DE LA XANTOFILA IN VIVO RENDIMIENTO FOTOSINTÉTICO FLUORESCENCIA DE LA CLOROFILA ARABIDOPSIS THALIANA CITOCROMO B(6)/F ATP SINTASA ESTADO REDOX PHOTOSYSTEM-II ELECTRON-TRANSPORT XANTHOPHYLL CYCLE IN-VIVO PHOTOSYNTHETIC PERFORMANCE CHLOROPHYLL FLUORESCENCE ARABIDOPSIS-THALIANA CYTOCHROME B(6)/F ATP SYNTHASE REDOX STATE
Disciplinas de la OCDE	Botánica Ecología Fisiología
Título de la cita (Recomendado-único)	Cold-acclimation limits low temperature induced photoinhibition by promoting a higher photochemical quantum yield and a more effective PSII restoration in darkness in the Antarctic rather than the Andean ecotype of Colobanthus quitensis Kunt Bartl (Cariophyllaceae)
Revista/Libro	BMC PLANT BIOLOGY
Editorial	BMC
Tipo de ruta	dorada verde
Access Rights	acceso abierto
Derechos de acceso	acceso abierto
License	CC BY 2.0
Idioma	en
Identificador del recurso (Mandatado-único)	Artículo original
Versión del recurso (Recomendado-único)	versión publicada
Referencia del Financiador (Mandatado si es aplicable-repetible)	INACH B_01-06 CONICYT ANID CONICYT FONDECYT 1060910
ISSN	1471-2229
Página de inicio (Recomendado-único)	114
Categoría WOS	Plant Sciences Ciencias de las plantas
Formato	pdf
Id de Web of Science	WOS:000311198200001
Condición de la licencia (Recomendado-repetible)	CC BY 2.0