Dokument: Die Expression des photorespiratorischen Gens 2-Phosphoglycolat-Phosphatase im Genus Flaveria und die Folgen einer beeinträchtigten Photorespiration für die C4-Pflanze Flaveria bidentis

Titel:	Die Expression des photorespiratorischen Gens 2-Phosphoglycolat-Phosphatase im Genus Flaveria und die Folgen einer beeinträchtigten Photorespiration für die C4-Pflanze Flaveria bidentis
Weiterer Titel:	The Expression of the Photorespiratory Gene 2-Phosphoglycolate Phosphatase and the Consequence of an Inhibited Photorespiration on the C4 Plant Flaveria bidentis
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=41942
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20170412-111113-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Levey, Myles [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 7,22 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 12.04.2017 / geändert 12.04.2017
Beitragende:	Prof. Dr. Westhoff, Peter [Gutachter] Prof. Dr. Weber, Andreas P. M. [Gutachter]
Stichwörter:	Photorespiration, C4 Photosynthese, C4-Photosynthesis, Flaveria, bidentis, 2-Phosphoglycolate phosphatase, PGLP, PGPase, Promotor, Evolution, 2-Phosphoglycolat Phosphatase
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Im Rahmen der Photorespiration wird Energie verbraucht und zusätzlich werden NH3 und CO2 freigesetzt. Aufgrund dieser Kosten entwickelten sich im Laufe der Zeit verschiedene Mechanismen, um den Bedarf an Photorespiration zu reduzieren. Einen solchen Mechanismus stellt die C4-Photosynthese dar, bei der die finale Fixierung von CO2 durch Ribulose-1,5-bisphosphat-Carboxylase/Oxygenase (RubisCO) ausschließlich in den Bündelscheiden-Zellen (BS-Zellen) stattfindet. Zusammen mit RubisCO sind auch die meisten Enzyme der Photorespiration in vielen C4-Pflanzen spezifisch in den BS-Zellen lokalisiert. In welchem Schritt der C4-Evolution das Enzym 2-Phosphoglycolat-Phosphatase (PGLP) seine Expression entsprechend änderte, ist bisher ebenso unklar wie die Frage, ob dies für die Etablierung der C4-Photosynthese zwingend erforderlich ist. Insgesamt ist die Photorespiration in allen C4-Pflanzen stark reduziert, dennoch wurde beobachtet, dass die C4-Pflanze Zea mays ohne eine funktionierende Photorespiration auf Dauer in normaler Luft nicht lebensfähig ist. Die Auswirkungen einer Störung der Photorespiration auf den Metabolismus von C4-Pflazen sind aber bisher unerforscht. In dieser Arbeit wurde die Expression des photorespiratorischen Gens PGLP in den Spezies F. bidentis (C4), F. trinervia (C3), F. brownii (C4-artig), F. pubescens (C2), F. pringlei (C3) und F. robusta (C3) des Genus Flaveria untersucht, welche verschiedene Schritte der C4-Evolution repräsentieren. Zu diesem Zweck wurde jeweils die 5’ flankierende Region des PGLP-Gens isoliert, verglichen und zur Expression des Reportergens β-Glucuronidase (GUS) verwendet. Dabei zeigte sich, dass die 5’ flankierenden Regionen der verschiedenen Spezies nur im proximalen Abschnitt eine hohe Ähnlichkeit aufweisen. Trotz dieser Unterschiedlichkeit führten alle getesteten 5’ flankierenden Regionen die gleiche Expression des GUS-Gens in BS- und Mesophyll-Zellen (M-Zellen) herbei. Dieses Ergebnis zeigte sich sowohl im Hintergrund der C4-Pflanze F. bidentis als auch dem der C3-Pflanze Arabidopsis thaliana. Die Gewebespezifität der Expression für BS- und M-Zellen änderte sich auch nicht, wenn zusätzlich zu der 5’ flankierenden Region das erste Intron des PGLP-Gens in das Konstrukt eingebracht wurde. Verglichen mit den 5’ flankierenden Regionen wiesen die Introns des PGLP-Gens insgesamt eine höhere Ähnlichkeit in den verschiedenen Spezies auf, was auf die Anwesenheit cis-regulatorischer Elemente hindeutet. Anders als bei der Lokalisation der GUS-Expression zeigte sich bei der Messung derer Stärke, dass das erste Intron einen verstärkenden Effekt auf die Expression hat. Insgesamt deuten alle Ergebnisse auf die Expression des PGLP-Gens in BS- und M-Zellen in Pflanzen des Genus Flaveria hin, unabhängig davon, welchen Schritt der C4-Evolution sie verkörpern. Zusätzlich zur Expression des PGLP-Gens im Genus Flaveria wurden auch die Folgen einer siRNA-vermittelten Reduktion des PGLP-Proteinspiegels für die C4-Pflanze F. bidentis untersucht. Ziel dessen war es, die Auswirkungen einer Störung der Photorespiration auf den Metabolismus und die Physiologie einer C4-Pflanze zu erforschen. Die siRNA-Linien, deren Proteinspiegel auf ca. 6 % des wildtypischen Niveaus reduziert wurden, zeigten dabei eine verringerte Fähigkeit unter normaler Luft auf Erde zu wachsen. Dieser Effekt konnte durch eine Erhöhung der CO2-Konzentration auf 1 % verringert werden, was ihn als photorespiratorischen Phänotyp kennzeichnet. Neben dem Effekt auf das Wachstumsverhalten der siRNA-Linien konnte auch eine signifikant erhöhte Inhibition der Photosynthese durch O2 detektiert werden, was auf die Akkumulation verschiedener inhibitorischer Metabolite und eine Überreduktion der Elektronentransportkette zurückzuführen ist. Hinsichtlich des Metabolismus zeigten die siRNA-Linien eine Akkumulation verzweigtkettiger Aminosäuren und verschiedener Komponenten des Zitronensäure-Zyklus, die auf eine verstärkte Respiration hindeuteten. Die erfassten Metabolite, die mit der C4-Photosynthese assoziiert sind, zeigten hingegen kaum Veränderungen. Als Alleinstellungsmerkmal gegenüber des F. bidentis Wildtyps und der PGLP-Mutante von A. thaliana akkumulierten die siRNA-Linien Glycolat, was eventuell durch die Reduktion von Glyoxylat durch die Glyoxylat-Reduktase entstand und den Versuch darstellt, das Redox-Gleichgewicht der Zelle wieder herzustellen. Zusammenfassend konnte hier gezeigt werden, dass das Gen PGLP im Genus Flaveria in BS- und M-Zellen exprimiert wird und seine BS-spezifische Expression demnach kein zwingender Schritt in der C4-Evolution dieses Genus ist. Zudem konnte nachgewiesen werden, dass die Störung der Photorespiration in der C4-Pflanze F. bidentis durch Reduktion der PGLP-Protein-Spiegel eine Akkumulation von Glycolat sowie eine Verstärkung alternativer der Respirationsarten zur Folge hat und die Fähigkeit der Pflanze in normaler Luft auf Erde zu wachsen beeinträchtigt. In the framework of photorespiration NH3 and CO2 are set free and energy is consumed. Due to these costs several mechanisms evolved to reduce the need for photorespiration. One of these mechanisms is the C4 photosynthesis, where the final fixation of CO2 by ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RubisCO) occurs within the bundle sheath cells (BS). At the site of RubisCO, most enzymes of photorespiration are specifically localized in the BS in many C4 plants. Concerning the photorespiratory enzyme 2-phosphoglycolate phosphatase (PGLP), it is unclear so far, if such a change of localization is needed to perform C4 photosynthesis and in which step of C4 evolution it might occur. All in all photorespiration is severely reduced in C4 plants. However, former studies demonstrate that even in C4 plants a disturbance of photorespiration impairs their ability to sustain in ambient air is reduced. To date the impact of such a disturbance on C4 metabolism and the connection to physiological responses is unknown. As a part of this work, the expression of the photorespiratory gene PGLP was analyzed in the Flaveria species F. bidentis (C4), F. trinervia (C3), F. brownii (C4-artig), F. pubescens (C2), F. pringlei (C3) and F. robusta (C3), which all represent different stages of C4 evolution. For this purpose, the 5’ flanking region of the PGLP gene was isolated, compared and used to express the gene β-Glucuronidase (GUS) in the background of the C3 plant Arabidopsis thaliana and the C4 plant F. bidentis. The comparison of this 5’ flanking regions revealed that only their proximal part is similar in the different species. In spite of these differences, all 5’ flanking regions mediate the same pattern of GUS expression in the BS and the mesophyll (M) cells of A. thaliana and F. bidentis. This expression pattern was unaffected by addition of PGLPs first intron to the constructs, Compared to the 5’ flanking regions the introns of PGLP have a higher degree of similarity between the species, indicating the presence of cis-regulatory elements conserving the sequence towards C4 evolution. In contrast to the localization of expression, the strength of expression was positively affected under the influence of the first intron. To conclude, all results obtained here indicate that the gene PGLP is expressed in BS and M cells in species of genus Flaveria independent from the stage they represent in C4 evolution. In addition to the analysis of PGLP gene expression in genus Flaveria, the consequence of a siRNA mediated reduction of PGLP protein for the C4 plant F. bidentis was investigated. The aim of this was to unravel the impact of a disturbance of photorespiration for C4 metabolism and the connection to physiology. Concerning the siRNA-lines with a PGLP level reduced to about 6 %, an impaired growth on soil in ambient air was observed. This impairment could be reduced, if plants were kept under 1 % CO2, marking it as a photorespiratory phenotype. Beside the effect on the growth of these siRNA-lines, a significant increase of the inhibition of photosynthesis by O2 was detected. This increase can be explained by the accumulation of different metabolites that might inhibit photosynthetic enzymes and by an over reduction of the electron transport chain. With regard to the impact on metabolism, the siRNA-lines accumulated branched chained amino acids and several metabolites of the TCA cycle after shifting them from 1 % CO to ambient air, which points to an up regulation of alternative pathways of respiration. In contrast to that the measured metabolites of C4 photosynthesis showed no reaction after the shift. As a unique feature of the PGLP siRNA-lines of F. bidentis an accumulation of glycolate was detected. This is possibly caused by a reduction of glyoxylate to glycolate via glyoxylate reductase as an attempt of the plant to restore its redox homeostasis. In summary, this study showed that the PGLP gene is expressed in BS- and M-cells in genus Flaveria, demonstrating that its BS-specific expression is no mandatory step for the C4 evolution in this genus. Furthermore, it was shown that a disturbance of the photorespiratory pathway, obtained via reducing the levels of PGLP, lead to an accumulation of glycolat and an enhancement of alternative ways of respiration on the one hand and a reduced ability of the plants to sustain under ambient air on soil on the other hand.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Entwicklungs- und Molekularbiologie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	12.04.2017
Dateien geändert am:	12.04.2017
Promotionsantrag am:	11.10.2016
Datum der Promotion:	10.03.2017