Dokument: Metabolische, regulatorische und strukturelle Anpassung an C4 Photosynthese in der Gattung Cleome

Titel:	Metabolische, regulatorische und strukturelle Anpassung an C4 Photosynthese in der Gattung Cleome
Weiterer Titel:	Metabolic, Regulatory and Structural Adaptation to C4 Photosynthesis in the Genus Cleome
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=33934
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20150402-112408-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Sommer, Manuel [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 20,64 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 30.03.2015 / geändert 30.03.2015
Beitragende:	Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	C4 Photosynthese ist eine sehr productive Charaktereigenschaft, die sich mehr als 66 Mal unabhängig entwickelt hat. Das Ziel dieser Arbeit war es, zu einem besseren Verständnis der globalen Anpassung von Pflanzen an die C4 Photosynthese beizutragen. Als Modellspezies für die Analyse des C4 Charaktermerkmals wählten wir die zweikeimblättrige C4 Pflanze Cleome gynandra. Für die biochemische Charakterisierung von C4 Photosynthese in C. gynandra verglichen wir die Enzymaktivität von C4 Genen mit denen in der C3 Pflanze Tarenaya hassleriana. Wir fanden Plastizität bei der Mischung der dekarboxylierenden Enzyme, wobei die PEPCK Aktivität von 52% der NADME Aktivität in jungen Blättern auf 153% in alten Blättern anstieg. Weiterhin zeigten wir eine auschließlich mitochondrielle Aktivität der C4 AspAT und schlagen eine alternative Variante zum Lehrbuchmodell des NADME C4 Wegs vor. Um die Entwicklung des C4 Merkmals in C. gynandra zu untersuchen, führten wir RNA Sequenzieranalysen an sich entwickelnden Blättern und anderen Geweben im Vergleich zu T. hassleriana durch. Wir fanden eine verzögerte Expression photosynthetischer Gene in der C4 Pflanze, die mit einer späten Entwicklung der Kranz Anatomie einhergeht. Wir schlussfolgerten, dass die späte Kranz-Entwicklung ursächlich für die verzögerte Genexpression ist. Außerdem zeigten wir, dass ein Entwicklungsmodul aus Wurzeln in die kranzförmige C4 Anatomie transferriert wurde, was aufzeigt, dass diese Blätter Signale für ihre Entwicklung von denen des Wurzelgewebes kopieren. Zusammen illustrieren diese Ergebnisse die Entwicklung des C4 Merkmals in C. gynandra. Nachfolgend analysierten wir die Rolle des Glk Transkriptionsfaktors für die Entwicklung der C4 Photosynthese. Glk1 ist das einzige exprimierte Glk in C. gynandra und zeigt keine Spezifität für Bündelscheiden- oder Mesophyllgewebe. Wir exprimierten CgGlk1 heterolog in A. thaliana und fanden funktionelle Konservierung der Glk beider Pflanzen durch biochemische und phänotypische Analyse. Jedoch war die Komplementierung unvollständig, da die Expression von Genen des PSII durch CgGlk1 Expression teilweise unzureichend wiederhergestellt wurde. Die schwächste Antwort fanden wir in Genen des sauerstoffbildenden Komplexes. Weitere Studien müssen bestimmen, ob dieser Effekt auf molekularer Evolution von CgGlk1 basiert. In den Daten von Manuskript 2 fanden wir weiterhin, das LTPs in Blättern von C. gynandra stark hochreguliert sind. Wir charakterisierten die Funktion des am stärksten abgelesenen LTP und fanden dass es ein sekretorisches Protein ist, welches spezifisch an Cholesterol bindet. Bisher konnte noch keine hohe Substratspezifität für pflanzliche LTPs gezeigt werden. Um unsere Ergebnisse bezüglich der Entwicklung der C4 Photosyntese in C. gynandra zu komplementieren, analysierten wir das Transkriptom der fakultativen C4 Segge Eleocharis retroflexa in Unterwasser- (C3) und terrestrischem (C4) Wachstum. Wir fanden ein hohes Maß an phänotpyischer Plastizität in sekundär untergetauchten Halmen, was zeigt, dass C4 Gene eher individuellen regulatorischen Mustern folgen als einem „Master Switch“. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zum besseren Verständnis von der Entwicklung und der Adaptation regulatorischer Proteine an das C4 Syndrom in der Gattung Cleome bei. Des Weiteren verdeulicht sie die Rolle der strukturellen Adaptation an die C4 Photosynthese und zeigt, dass C4 Gene individuell auf Veränderungen der Umwelt reagieren. C4 photosynthesis is a very productive trait that evolved more than 66 times independently. This thesis aimed to contribute to a better understanding of a plant’s global adaptations to the C4 trait. As a model species for the analysis of the C4 trait, we chose the dicotyledonous C4 plant Cleome gynandra. For the biochemical characterization of C4 in C. gynandra, we compared the enzyme activities of C4 genes with those of the C3 plant Tarenaya hassleriana. We detected plasticity of the composition of decarboxylating enzymes, where PEPCK activity increased from 52% of NADME activity in young leaves to 153% in old leaves. Furthermore, we showed the exclusively mitochondrial localization of the C4 AspAT and propose an alternative to the textbook model of the NADME C4 pathway. To examine the development of the C4 trait in C. gynandra, we conducted RNA sequencing analysis on developing leaves and other tissues in comparison to the T. hassleriana. We found a delayed expression of photosynthesis genes in the C4 plant that is accompanied by a late Kranz differentiation. We concluded that the establishment of Kranz leaf anatomy at a later stage of development is causal for this delay. We also found that developmental modules of the root are transferred to Kranz-structured C4 leaves, indicating that the leaf copies developmental cues from the concentric root tissue for differentiation. Together, these results illustrate the development of the C4 trait in C. gynandra. Next, we analyzed the role of Glk transcription factors for the development of C4 photosynthesis. Glk1 is the only expressed Glk in C. gynandra and shows no specificity for bundle sheath or mesophyll. We heterologously expressed CgGlk1 in A. thaliana and demonstrated functional conservation between both plants by biochemical and phenotypic analysis. However, complementation was insufficient, since transcripts of PSII genes showed a variable, incomplete rescue in response to CgGlk1 expression in A. thaliana with the weakest response being in oxygen evolving complex genes. Future studies remain to determine, whether this effect is based on molecular evolution of CgGlk1. In the data from Manuscript 2, we found up-regulation of LTPs in C. gynandra leaves. We functionally characterized the most abundant LTP and found that it is a secretory protein that specifically binds cholesterol. High specificity for a single lipid species has not been demonstrated for a plant LTP before. To complement our findings on the development of C4 photosynthesis in C. gynandra, we analyzed the transcriptome of the facultative C4 sedge Eleocharis retroflexa in submerged (C3) and terrestrial (C4) growth. We found a high degree of phenotypic plasticity in secondarily submerged culms, which indicates that C4 genes follow individual regulatory patterns rather than a master switch. In summary, this thesis contributed to a better understanding of the development of C4 photosynthesis and adaptation of regulatory proteins to the C4 syndrome in the genus Cleome. It further points out the role of structural adaptation to C4 photosynthesis and shows that C4 genes can be regulated individually in response to the environment.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	02.04.2015
Dateien geändert am:	02.04.2015
Promotionsantrag am:	20.02.2015
Datum der Promotion:	23.03.2015