Dokument: Untersuchungen zur Regulation der Zeaxanthin epoxidation in höheren Pflanzen
| Titel: | Untersuchungen zur Regulation der Zeaxanthin epoxidation in höheren Pflanzen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=12184 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20090825-115412-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Deutsch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Niczyporuk, Sylvia [Autor] | |||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Jahns, Peter [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Baier, Margarete [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Das im Xanthophyllzyklus gebildete Carotinoid Zeaxanthin (Zx) besitzt wichtige photoprotektive Funktionen im Chloroplasten und spielt eine zentrale Rolle bei der pH-abhängigen Wärmedissipation überschüssiger Anregungsenergie im Photosystem II (PSII). Der Zx-Gehalt in der Thylakoidmembran unterliegt einer strengen Kontrolle, um eine unerwünschte Energiedissipation unter nicht sättigenden Lichtbedingungen zu vermeiden, andererseits aber eine effiziente Energielöschung unter Starklichtbedingungen zu gewährleisten. Während die pH-regulierte Bildung des Zx aus Violaxanthin (Vx) durch die im Thylakoidlumen lokalisierte Vx De-epoxidase gut verstanden ist, ist über die Regulation und die biochemischen Eigenschaften der Zx Epoxidase (ZE), die für die Rückumwandlung des Zx zu Vx verantwortlich ist, nur wenig bekannt.
In der vorliegenden Arbeit wurde die ZE anhand von in vitro Epoxidationsstudien an aufgereinigter ZE höherer Pflanzen und mittels in vivo Untersuchungen an homolog über-exprimierter AtZE in Arabidopsis charakterisiert. Dabei konnte über Antikörper gegen die ZE gezeigt werden, dass die AtZE in Arabidopsis in zwei Isoformen (AtZE1 und AtZE2) vorliegt und die ZE1-Isoform fest mit der Thylakoidmembran assoziiert ist. In biochemischen Untersuchungen zur Aktivität der heterolog in E.coli überexprimierten NpZE aus Tabak, sowie der homolog überexprimierten AtZE1-Isoform aus Arabidopsis, ließ sich keine Aktivität der aufgereinigten Enzyme unter in vitro Bedingungen nachweisen. Dies wurde hinsichtlich der NpZE aus dem prokaryotischen System auf das Fehlen wichtiger eukaryotischer Faktoren zurückgeführt, während für die AtZE1-Isoform aus Arabidopsis das Fehlen der AtZE2-Isoform als Ursache vermutet wurde. An der AtZEP-überexprimierenden Arabidopsis-Linie 16 konnte eine essentielle Bedeutung der AtZE1-Isoform für die Epoxidation nachgewiesen werden, während die Funktion der AtZE2-Isoform unklar blieb. In vivo Studien zur Lichtregulation der Zx-Epoxidation in Arabidopsis Wildtyp-Pflanzen zeigten jedoch, dass die AtZE-Aktivität bei zunehmendem photo-oxidativen Stress sukzessive herunter reguliert wird und dabei die ZE2-Isoform verstärkt exprimiert wird. Diese Befunde lassen auf eine Beteiligung beider Isoformen an der Regulation der ZE-Aktivität schließen. Vergleichende in vivo Untersuchungen der Xanthophyllzyklus-Aktivität an zwei AtZEP-überexprimierenden Linien (16/3 und 19/9) und Wildtyp-Pflanzen zeigten, dass eine erhöhte AtZE-Aktivität zu einer verminderten Zx-Bildung im Schwach- und Starklicht führte und dadurch das Gleichgewicht des De-epoxidationszustandes der Xanthophylle zu niedrigeren Werten verschoben war. Dies lässt auf eine konstitutive ZE-Aktivität unter allen Lichtbedingungen schließen. Der verminderte Zx-Gehalt bewirkte zwar eine Verminderung der pH-abhängigen Energiedissipation in den ZE-überexprimierenden Pflanzen, was aber nicht in einer signifikant erhöhten Photoinhibition des PSII resultierte. Die in Wildtyp-Pflanzen beobachtete Inaktivierung der ZE nach extremem photo-oxidativen Stress konnte auch in den ZE-überexprimierenden Linien nachgewiesen werden. Hinsichtlich der Regulation der Zx-Epoxidation lässt sich daraus schließen, dass die generelle Aktivität der ZE zwar grundsätzlich durch den Gehalt an ZE limitiert ist, die stress-induzierte Inaktivierung der ZE aber wahrscheinlich auf posttranslationaler Ebene erfolgt.The carotenoid zeaxanthin (Zx), which is formed from violaxanthin (Vx) in the xanthophyll cycle, has essential functions in different photoprotective mechanisms in chloroplasts and plays a central role in the pH-dependent thermal dissipation of excess light energy in photosystem II (PSII). The Zx content in the thylakoid membrane has to be regulated very carefully to avoid undesirable annihilation of absorbed light energy at non-saturating light intensities on the one hand and to allow an efficient quenching of energy under highlight conditions on the other hand. While the pH-regulated formation of Zx from Vx by the lumen-localized Vx de-epoxidase is well understood, the regulation and biochemical properties of the Zx epoxidase (ZE), which catalyzes the reconversion of Zx to Vx, are only poorly characterized. In this work the ZE was characterized by in vitro-studies of the epoxidation using purified ZE of higher plants and by in vivo-analysis after homologous over-expression of the AtZE in Arabidopsis. Using antibodies raised against the AtZE, it was shown, that two isoforms of the AtZE (ZE1 and ZE2) exist in Arabidopsis and that the AtZE1-isoform is tightly associated with the thylakoid membrane. In biochemical studies on the activity of the NpZE from tobacco (purified after heterologous over-expression in E.coli) and Arabidopsis (isolated after homologous over-expression in Arabidopsis) no enzyme activity was detectable under in vitro conditions. In case of the NpZE isolated from the prokaryotic system, the lack of eukaryotic factors was supposed to be responsible for the in vitro-inactivity of the enzyme, and in case of the AtZE1-isoform of Arabidopsis the lack of the AtZE2-isoform. An essential role of the AtZE1-isoform for the epoxidation was demonstrated in the AtZE over-expressing Arabidopsis-line 16, while the function of the AtZE2-isoform remained unclear. However, in vivo studies on the light-dependent regulation of Zx-epoxidation in Arabidopsis wild-type plants indicated that the AtZE-activity is gradually down-regulated in response to increasing photo-oxidative stress conditions concomitant with an increased expression of the AtZE2-isoform. These observations suggest a role of both isoforms in the regulation of the AtZE-activity. Comparative in vivo studies on the xanthophyll cycle activity in two AtZE-overexpression lines (16/3 and 19/9) and wild-type plants showed, that an increased AtZE activity leads to a decreased Zx formation under both low and high light conditions and thus shifts the steady state level of the xanthophyll de-epoxidation state towards lower values. This implies that the ZE is constitutively active under all light conditions. Although the decreased Zx content resulted in decreased pH-dependent energy dissipation in AtZE-overexpressing plants, no significantly increased photoinhibition of PSII was detectable in comparison with wild-type plants. The observed inactivation of AtZE after extreme photo-oxidative stress in wild-type plants was also detectable in the AtZE-overexpression lines. With respect to the regulation of Zx epoxidation it was concluded, that the AtZE-activity in wild-type plants is generally limited by the Zx content, but the stress-induced ZE inactivation is likely to occur on the posttranslational level. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen | |||||||
| Dokument erstellt am: | 25.08.2009 | |||||||
| Dateien geändert am: | 20.07.2009 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 28.05.2009 | |||||||
| Datum der Promotion: | 09.07.2009 |
