Dokument: Evolution der Expression der, die P Untereinheit der Glycin Decarboxylase kodierenden, GLDP Gen-familie im Genus Flaveria

Titel:	Evolution der Expression der, die P Untereinheit der Glycin Decarboxylase kodierenden, GLDP Gen-familie im Genus Flaveria
Weiterer Titel:	Evolution of the expression of the GLDP gene family encoding the P subunit of glycine decarboxylase in the genus Flaveria
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=26056
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20130620-100816-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Schulze, Stefanie [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 24,45 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.06.2013 / geändert 19.06.2013
Beitragende:	Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Feldbrügge, Michael [Gutachter]
Stichwörter:	Photorespiration, C4 Photosynthese, Glycine Decarboxylase
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	In den meisten Fällen basiert C4-Photosynthese auf der räumlichen Trennung der primären Fixierung von CO2 in Form von Bicarbonat durch PEPC und der Lokalisierung der RubisCO. In C4 Pflanzen ist RubisCO in den Bündelscheidenzellen lokalisiert, aus diesem Grund ist auch die Photorespiration auf die Bündelscheidenzellen reduziert. Eines der Hauptenzyme der Photorespiration ist die Glycindecarboxylase (GDC). GDC ist zusätzlich in den C1 Stoffwechsel involviert, der in allen Zellen der Pflanze essentiell ist. Untersuchungen des P-Proteins der GDC in der C4 Pflanze Flaveria trinervia (GLDPA) haben gezeigt, dass der 5′-flankierende Bereich für die Bündelscheiden-spezifische Expression dieses Gens verantwortlich ist (Engelmann et al., 2008). In der vorliegenden Studie wurde eine detaillierte Analyse der 5′-flankierenden Region des GLDPA Gens der C4 Pflanze F. trinervia durchgeführt. Hierzu wurden Verkürzungskonstrukte mit einem Reporter-Gen hergestellt und Transkripte mittels „rapid amplification of 5′ complementary DNA ends“ (5′ RACE) analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass der 5′-flankierende Bereich nicht nur einen, sondern zwei Promotoren enthält, die in einer Tandem-Orientierung vorliegen. Der proximale Promoter ist für die Bündelscheiden-spezifische Expression des Reporter-Gens verantwortlich, der distale Promoter hingegen für eine Expression in allen photosynthetisch aktiven Geweben des Blattes. Mittels RNAseq-Experimenten konnte gezeigt werden, dass im Gesamtkontext des GLDPA Gens, wie er im Genom von F. trinervia vorliegt, nur ein Bruchteil der Transkripte vom distalen Promoter stammen und der Hauptteil der Transkripte vom proximalen Promoter ausgeht. Die Regulierung der Transkriptmenge des distalen Promoters wird höchstwahrscheinlich of post-transkriptioneller Ebene durch die Stabilität der entstehenden RNAs reguliert. Die vorliegenden Resultate deuten darauf hin, dass GLDPA vorherrschend in den Bündelscheidenzellen exprimiert wird, in denen es Teil der Photorespiration ist und nur minimale Mengen in allen anderen Zelltypen exprimiert werden, um dort den C1 Stoffwechsel aufrecht zu erhalten. Um herauszufinden, wie sich die Bündelscheiden-spezifische Expression des GLDP-Gens im Laufe der Entwicklung der C4-Photosynthese im Genus Flaveria entwickelt hat wurden C3-Spezies hinzugezogen. Phylogenetische Analysen zeigten, dass es eine GLDP-Genfamilie gibt, die sich in drei distinkte Gruppen aufteilen lässt, diese wurden Gruppe I, II und III genannt. Reporter-Gen Studien mit 5′-flankierenden Sequenzen der Gruppe I GLDP Gene, zu denen auch GLDPA von F. trinervia, gehört, zeigten, dass auch die 5′-flankierenden Regionen der C3-Spezies Bündelscheiden-spezifische Expression des Reporter-Gens hervorrufen. Im Gegensatz dazu zeigten Konstrukte mit dem 5′-flankierenden Bereich des Gruppe II Gens der C3-Spezies F. pringlei eine ubiquitäre Expression des Reporter-Gens. In der C4-Spezies F. trinervia ist das Gruppe II Gen zu einem Pseudogen geworden. RNAseq Untersuchungen anhand von Flaveria Spezies, deren Photosynthesetyp von C3- über intermediärer hin zu C4-Photosynthese reichten, konnten zusätzlich zeigen, dass dieser Prozess graduell verlaufen und das Gruppe II Gen nicht abrupt abgeschlatet wurden ist. Die Tandem-Promoter-Struktur des GLDPA-Gens von F. trinervia innerhalb der Gruppe I-Gene ist konserviert und bereits in den C3-Spezies zu finden. Allerdings wird der distale Promoter in den C3-Spezies nicht abgelesen und ist somit kryptisch. C4 photosynthesis is, in most cases, dependent of the spatial separation of the primary fixation of CO2 in the form of bicarbonate by PEPC and the localisation of RubisCO. RubisCO as well as photorespiration is localised in the bundle sheath cells in C4 plants. One of the key enzymes of photorespiration is glycine decarboxylase (GDC). GDC is further involved in C1 metabolism that is essential in all cells of plants. A previous study of the gene for the P protein of GDC (GLDPA) of the C4 plant Flaveria trinervia showed that the 5′ flanking sequence is responsible for the bundle sheath specific expression of the GLDPA gene (Engelmann et al., 2008). This study provides a detailed analysis of the GLDPA 5′ flanking region with reporter gene studies and “rapid amplification of 5′ complimentary DNA ends” (5′ RACE). The analysis revealed that the 5′ flanking region contains two promoters operating in tandem. The proximal promoter is responsible for the bundle sheath expression, whereas the distal promoter drives the expression of the reporter gene in all photosynthetic tissues. RNAseq experiments show that in the context of the complete promoter-composition the distal promoter produces only minor amounts of transcripts while the vast majority of transcripts derive from the proximal promoter. Regulation of transcript amounts is presumable regulated post-transcriptionally on the level of RNA stability. These results indicate that GLDPA is predominately expressed in the bundle sheath cells to fulfil photorespiration. Minor amounts of GLDPA are expressed in the other tissues to fulfil C1 metabolism. C3 species of the genus Flaveria were chosen to elucidate the evolution of the bundle sheath specificity of GLDP. Phylogenetic analyses indicate that GLDP is encoded by a gene family, which clusters into three groups. Group I, II and III. Reporter gene studies of the 5′ flanking sequences of group I genes (to which GLDPA of F. trinervia belongs) of two C3 species show that these 5′ flanking regions drive bundle sheath specific expression already. In contrast, group II genes drive reporter gene expression in all photosynthetic tissues of C3 leaves, but in the C4 species F. trinervia, the group II gene became a pseudogene. RNAseq analyses with Flaveria species, also containing intermediates, show that the knock-off was a gradual process and did not happen ad hoc. A further result is that the tandem promoter structure is already present in the group I GLDP genes of the genus, but no transcripts derive from this promoter, showing that this promoter is cryptic and is activated in the transition from C3 to C4 photosynthesis.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	20.06.2013
Dateien geändert am:	20.06.2013
Promotionsantrag am:	05.05.2013
Datum der Promotion:	12.06.2013