The light harvesting pigment proteins of dinoflagellates exhibit essentially 100% efficient energy transfer from carotenoid (peridinin) to chlorophyll a within the antenna pigment complexes. The high efficiency of solar energy harvesing (particularly blue light) for photosynthesis in dinoflagellates is attributable to the unique molecular topography of peridinin and chlorophyll e within the protein crevice. The mechanisms of energy transfer from carotenoids to chlorophyll in higher plants have also been discussed in comparison with the dinoflagellate antenna pigment complexes. As an example of solar energy harvesting, particularly red light, for photosynthesis in algae, the molecular topography and energy transfer in the photosynthetic accessory pigment protein, Chroomonas phycocyanin, have also been discussed.
The objective of this study was to investigate the effect of high content of light-absorbing pigments on overall photosynthetic efficiency in high density microalgal cultures. The light harvesting complex II (LHC II) regulating gene of Rhodobacter sphaeroides, photosynthetic purple bacterium, was removed to construct a mutant strain that had less pigment content. The mutant and wild type strains were cultured under various light intensity by adjusting the distance from the light source. The productivity of the mutant strain was higher at high light intensity (over 118 ${\mu}E/m^2/s$) compared with one of the wild type , and was lower at low light intensity (34 ${\mu}E/m^2/s$). Especially, the concentration of LHC II mutant strain was 56% higher at 118 ${\mu}E/m^2/s$. The reduction of per cell pigment contents in the mutant strain lessened the degree of the mutual shading and thus enhanced the overall photosynthetic efficiency.
Improving the light utilization efficiency of photosynthetic cells in photobioreactors (PBRs) is a major topic in algal biotechnology. Accordingly, in the current study we investigated the effect and suitability of photosynthetic pigment reduction for improving light utilization efficiency. The light-harvesting complex II (LH-II) genes of Rhodobacter sphaeroides were removed to construct a mutant strain with less pigment content. The mutant strain exhibited a slower growth rate than the wild-type under a low light intensity, while the mutant grew faster under a high light intensity. In addition, the specific absorption coefficient was lower in the mutant due to its reduced pigment content, thus it seemed that light penetrated deeper into its culture broth. However, the distance (light penetration depth) from the surface of the PBR to the compensation point did not increase, due to an increase in the compensation irradiance of the mutant strain. Experimental data showed that a reduced photosynthetic pigment content, which lessened the photoinhibition under high-intensity light, helped the volumetric productivity of photosynthetic microorganisms.
Bacteriochlorophyll(BChl)-c containing species of green sulfur photosynthetic bacterium Chlorobium (ChI.) vibrioforme, which has BChl-d mainly, was detected. We obtained colonies on agar plates by spreading the liquid culture of ChI. vibrioforme f. sp. thiosulfatophilum strain NCIB 8327 which contained the high ratio of BChl-c/BChl-d, and transferred each colony into a new liquid medium. These cultures after growing were found to be classified into two categories. One possessed BChl-d as a light-harvesting pigment and the other did BChl-c. No colonies examined here contained both BChls-d and c. Therefore, the presence of both BChls-d and c in our cultures of ChI. vibrioforme was ascribed to the coexistence of two different cells which had BChl-d and c as the chlorosomal pigment, respectively. The change of pigment composition observed in our liquid cultures can be thus explained by the difference of growth rates between two kinds of cells.
Nath, Krishna;Elizabeth, John;Poudyal, Roshan Sharma;Ko, Su Yeon;Lim, Woon Ki;Lee, Choon-Hwan
Rapid Communication in Photoscience
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v.2
no.1
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pp.18-23
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2013
The photosystem II (PSII) light harvesting complex (LHC) consists of a variety of pigment protein complexes which are involved in structural organization and regulation of photosynthetic unit. These LHC proteins encoded by a group of Lhcb genes are essential for the structural integrity of PSII supercomplex, the channeling the excitation energy to the reaction center of PSII and its redistribution to photosystem I by state transitions. Numerous studies with the help of recent technological advancements have enabled a significant progress in our understanding on the structure of PSII-LHCII supercomplexes and their mobilization under various light conditions. Here, we present a mini-review on the latest concepts and models depicting the structure of PSII-LHCII supercomplexes and the role of Lhcb proteins in their supra-molecular organization. Also we will review on the current understandings and remaining problems involved in the mobilization of the supercomplexes during state transitions and during high light illumination for controlling light energy distribution between the two photosystems.
Recently, many researches have shown that even photosynthetic light-harvesting pigment-protein complexes can have quantum coherence in their excitonic energy transfer at cryogenic and physiological temperatures. Because the protein supplies such noisy environment around pigments that conventional wisdom expects very short lived quantum coherence, elucidating the mechanism and searching for an applicability of the coherence have become an interesting topic in both experiment and theory. We have previously studied the quantum coherence of a phycocyanin 645 complex in a marine algae harvesting light system, using Poisson mapping bracket equation (PBME). PBME is one of the applicable methods for solving quantum-classical Liouville equation, for following the dynamics of such pigment-protein complexes. However, it may suffer from many defects mostly from mapping quantum degrees of freedom into classical ones. To make improvements against such defects, benchmarking targets with more accurately described dynamics is highly needed. Here, we fall back to reduced hierarchical equation of motion (HEOM), for such a purpose. Even though HEOM is known to applicable only to simplified system that is coupled to a set of harmonic oscillators, it can provide ultimate accuracy within the regime of quantum-classical description, thus providing perfect benchmark targets for certain systems. We compare the evolution of the density matrix of pigment excited states by HEOM against the PBME results at physiological temperature, and observe more sophisticated changes of density matrix elements from HEOM. In PBME, the population of states with intermediate energies display only monotonically increasing behaviors. Most importantly, PBME suffers a serious issue of wrong population in the long time limit, likely generated by the zero-point energy leaking problem. Future prospects for developments are briefly discussed as a concluding remark.
Cornish, M. Lynn;O' Leary, Stephen J.B.;Garbary, David J.
ALGAE
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v.28
no.1
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pp.121-129
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2013
Intact phycobilisomes from a wild-type red Chondrus crispus and its vegetatively derived green mutant were isolated by centrifugation through a discontinuous sucrose density gradient. Pigment composition was subsequently characterized by spectrophotometry. Vegetative thalli of the two strains grown together for six months in the laboratory resulted in different pigment profiles. Two pigmented phycobilisome bands appeared in the sucrose gradient of the wild-type alga, a purple coloured one, and a pink one, whereas only a single blue band appeared in the gradient of the green mutant. Spectrophotometric and fluorescence analyses identified the phycobiliprotein composition of the purple band as the typical phycoerythrin-phycocyanin-allophycocyanin complement in the wild-type, but there was no detectable phycoerythrin present in the blue band of the green mutant. Sodium dodecyl sulphate, preparative polyacrylamide gel electrophoresis analysis confirmed the presence of allophycocyanin subunits in all extracts, but firm evidence of an R-phycoerythrin linker polypeptide in the blue band was missing. These results highlight the ability of C. crispus to adapt to a phycoerythrin deficiency by adjusting light harvesting pigment ratios.
Forest-grown American ginseng (Panax quinquefolius L.) is exposed to daily and seasonal light variations. Our goal was to determine the effect of understory light changes on the maximum quantum yield of photosystem II, expressed as $F_v/F_m$, and photosynthetic pigment composition of two-year-old plants. Understory light photon flux density and sunfleck durations were characterized using hemispherical canopy photography. Our results showed that understory light significantly affected the $F_v/F_m$ of American ginseng, especially during the initial development of the plants when light levels were the highest, averaging 28 mol $m^{-2}d^{-1}$. Associated with low $F_v/F_m$ during its initial development, American ginseng had the lowest levels of epoxidation state of the xanthophyll cycle of the season, suggesting an active dissipation of excess light energy absorbed by the chlorophyll pigments. As photon flux density decreased after the deployment of the forest canopy to less than 10 mol $m^{-2}d^{-1}$, chlorophyll a/b decreased suggesting a greater investment in light harvesting pigments to reaction centers in order to absorb the fleeting light energy.
We examined the bacteriochlorophyill/bacteriopheophytin ratios in several species of purple bacteria containing only LHI. The pigment ratios depended greatly on species. Further, Rhodospirillum rubrum showed wide variation when grown under different light intensity, and Rhodobium marinum showed significant variation from culture to culture even under the same light conditions. The protein ratios of a/RC and $\beta$/RC estimated by SDS-PAGE of chromatophores of Rsp. rubrum and Rbi. marinum exhibited the ratio of $\beta$/$\alpha$ > 1. These findings gave us the novel idea that there are two types of LHl; one is a C-shaped open antenna composed by $\alpha$$\beta$ units surrounding a RC, and another is a small closed ring antenna composed by $\alpha$$\beta$ units located peripherally in a variable ratio to the core complex like LH2.
The present communication deals with the standardization of suitable medium formulation along with anaerobically digested cow's urine (ADCU) for growth of Spirulina subsalsa. Growth was evaluated on the basis of photosynthetic and non-photosynthetic pigment. The results obtained from the study indicated that, SSM-1 and SSM-2 media are suitable for maximum synthesis of chlorophyll-α and carotenoids. The obtained results also indicated that SSM-5 medium is suitable for maximum synthesis of accessory light harvesting pigments phycobiliprotein, total carbohydrate, total protein and total lipid in S. subsalsa. From the study it could be concluded that all the five media combinations (viz. SSM-1, SSM-2, SSM-3, SSM-4 and SSM-5) would be suitable for mass cultivation of S. subsalsa. But among them, SSM-5 medium combination could be the most suitable medium.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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