Creation of activity of bc1 complex kinase (abc1k) knockout mutants to investigate their role in light acclimation in the marine diatom Phaeodactylum tricornutum

Abstract

Kiselalger er encellede fotosyntetiske mikroalger med en viktig økologisk rolle på grunn av deres bidrag til primærproduksjonen. Marine kiselalger kan oppleve raske endringer i lysintensiteten når de befinner seg i turbulent vann. For å unngå lysinduserte skader og optimalisere fotosyntesen har mikroalgegruppen utviklet effektive lysbeskyttelses- og akklimatiseringsmekanismer. De molekylære mekanismene som regulerer ekvivalente responser i planter er godt kjent, mens forskning som fokuserer på sanse- og signalmekanismene som regulerer responser på endringer i lysintensitet i kiselalger fortsatt er i sin spede begynnelse.

Kiselalger kan potensielt anvendes innen bio-, nano-, og miljøteknologier. Dette inkluderer å bli brukt som råstoff til biodrivstoff, i rensing av avløpsvann og fôr til havbruksnæringen. Storskala dyrkning er nødvendig for at det skal være kostnadseffektivt. Lysmiljøet har en viktig innvirkning på kiselalgenes evne til å utføre fotosyntese og å vokse, og i fotobioreaktorer er lys ofte den begrensende faktoren for kulturens produktivitet. Mer kunnskap om de molekylære mekanismene knyttet til lysakklimatisering kan potensielt bidra til å optimalisere algestammene for dyrkning i fotobioreaktorer.

I dette prosjektet ble gener som koder for activity of bc1 kinases (ABC1K) proteiner, antatt å være involvert i lysakklimatisering basert på forskning på planter, slått ut ved å bruke CRISPR/Cas9-systemet. Ulike ABC1K-gener ble slått ut, og abc1k8-like mutanten ble valgt for videre karakterisering på grunn av en fenotype som indikerer at ABC1K8-like proteinet er viktig for å håndtere langvarig eksponering av høye lysintensiteter. En redusert fotosyntetisk effektivitet, hemmet vekst, og en lavere mengde lyshøstningspigmenter ble observert i abc1k8-like mutantene sammenlignet med villtype etter en ukes eksponering for høy lysintensitet (1000 μmol fotoner m-2s-1). En involvering i langsiktige lysakklimatisering er derfor foreslått for ABC1K8-like proteinet. Mer forskning er nødvendig for å forstå årsaken til fenotypen til abc1k8-like mutantene og den spesifikke funksjonen til ABC1K8-like proteinet i kiselalgers lysakklimatisering.

Diatoms are an ecologically important group of unicellular photosynthetic microalgae due to their significant contributions to primary productivity. Marine diatoms can experience rapid changes in light conditions when in turbulent waters. To avoid photodamage and optimize photosynthesis, the microalgae group have developed highly efficient photoprotection and acclimation mechanisms. The molecular players regulating equivalent responses in plants are well-known, whereas research focusing on the sensing and signaling mechanisms regulating the responses to changes in the light climate in diatoms are still in its infancy.

Diatoms can potentially be used within various application within bio-, nano-, and environmental technologies. This includes being used as a source of raw material for biofuel, in wastewater treatment and feed for the aquaculture industry. Large-scale cultivation is necessary for it to be cost-effective. The light environment has an important impact on the diatoms’ ability for photosynthesis and growth, and in photobioreactors light is often the limiting factor for the productivity of the culture. More knowledge about the molecular mechanisms related to light acclimation could potentially contribute to strain optimization for growing microalgae in photobioreactors.

In this project, genes encoding activity of bc1 kinase (ABC1K) proteins, assumed to be related to light acclimation based on research on plants, were knocked out using the CRISPR/Cas9 system. Different ABC1K genes were targeted, and the abc1k8-like mutant was selected for further characterization due to its phenotype indicating the ABC1K8-like protein being important for coping with prolonged exposure to high intensity light. A decreased photosynthetic efficiency, retarded growth, and a lower amount of light- harvesting pigments were observed in the abc1k8-like mutants compared to the wild type after one week of exposure to high light intensities (1000 μmol photons m-2s-1). An involvement in long-term light acclimation is therefore suggested for the ABC1K8-like protein. More research is needed to understand the reason for the phenotype of the abc1k8-like mutants and the specific function of the ABC1K8-like protein in light acclimation in diatoms.