Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana

Borgstädt R (2004)
Bielefeld (Germany): Bielefeld University.

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Bielefeld Dissertation | German
Author
Supervisor
Kruse, Olaf (PD Dr.)
Abstract
Die Organismen der oxygenen Photosynthese passen sich mit Photoakklimationsprozessen wechselnden Lichtqualitäten und -quantitäten an. Durch Analyse der Redox-Zustände der photosynthetischen Elektronentransportkette werden Sensor-/Regulator-Elemente aktiviert, welche die Photosynthese an die neuen Umweltbedingungen anpassen. In einem dieser Prozesse, der "State Transition", migrieren die mobilen LHCII-Proteine zwischen den Photosystemen und passen so die Lichtenergieversorgung den Umweltbedingungen (Bonaventura und Meyers 1969; Murata 1969) und den Bedürfnissen des Organismus an Reduktions-/Energie-Äquivalenten (Finazzi et al., 1999, 2000, 2001) an. Durch Reduktion des PQ-Pools wird eine Regulationskaskade ausgehend von dem Cytb6f-Komplex induziert. Diese phosphoryliert die mit dem PSII assoziierten mobilen LHCII-Proteine, die zu PSI migrieren (Kruse, 2001, Wollman, 2001, Allen, 2003). Der genaue Mechanismus dieser Signalkaskade ist noch unbekannt. Zur Analyse der Regulation des Prozesses der "State Transition" wurde ein "forward genetics"-Ansatz in Arabidopsis thaliana verwendet. Mit der Entwicklung eines "State Transition-Screening"-Systems wurden drei Mutanten aus 10.000 Arabidopsis thaliana-EMS und "Neutron bombardtment"-Linien mit einer defekten "State Transition" identifiziert. Eine dieser Mutanten, Stmu10, wurde eingehend genotypisch und phänotypisch charakterisiert. Durch die Sequenzierung des Arabidopsis thaliana-Genoms (The Arabidopsis Genome Initiative, 2001) konnte ein "mapping"-Ansatz zur Eingrenzung des Locus der Mutation verwendet werden. Die Deletion der Transkription des Gens At4G08870 in Stmu10 konnte mit den Methoden der RT-PCR und des Northern-Blot identifiziert werden. Bei dem Genprodukt handelt es sich um eine Arginase2, die im Mitochondrium lokalisiert ist und deren Deletion in Stmu10 die Reduktion der Arginase-Aktivität hervorruft. Durch Hemmung der Respiration kommt es in Stmu10 zur dauerhaften Reduktion des PQ-Pools und damit zu dem Verbleib in State2. Die Hemmung von Stoffwechselwegen durch die Deletion der Arginase2, sowie eine potentielle regulatorische Funktion in der NO-Signaltransduktion als Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen wird diskutiert. Die Reduktion von Thiol-Resten der "State Transition"-induzierenden LHCII-Kinase durch das Thiordoxin-System hemmt bei Starklicht-Bedingungen die Phosphorylierung der mobilen LHCII-Proteine. Unter diesen Bedingungen wird der Prozess der Photoinhibition induziert. Bei einer vollständigen Reduktion des PQ-Pools wird eine Signalkaskade induziert, an deren Ende PSII-Proteine als Substrat phosphoryliert werden. Die Phosphorylierung induziert eine Stabilisierung des Dimeren-Zustandes des PSII und hemmt so den "PSII-Repair-Cycle". Dieser Mechanismus soll dadurch eine Schutzfunktion gegen ständige Neusynthese und Degradierung des D1-Proteins sein (Kruse, 2001, Aro und Ohad, 2003). Mit einem "reverse genetics"-Ansatz wurde das Arabidopsis thaliana-Genom auf potentielle Mitglieder photosynthetischer Signalkaskaden analysiert. Bei diesen Mitgliedern sollte es sich um chloroplastidäre Serin-Threonin-Membrankinasen handeln, die potentiell durch Phosphorylierung die Prozesse der "State Transition" oder der Photoinhibition induzieren. Durch "Screening" der Arabidopsis thaliana-Datenbank (TAIR, Garcia-Hernandez, 2002) konnten 12 potentielle chloroplastidäre Serin-Threonin-Membrankinasen identifiziert werden, von denen eine, mit der Tair-Nr. At3g24550, charakterisiert wurde. Von der als STK1 benannten Kinase wurden "in silico" T-DNA-Mutanten identifiziert, die phänotypisch charakterisiert wurden. Bei den Mutanten konnte eine Hemmung der D1/D2-Phosphorylierung und bei andauernden Starklicht-Bedingungen (3 Wochen 700µE) eine einsetzende Seneszenz detektiert werden. Die Kinase STK1 wurde in E. coli exprimiert und gegen Kaninchen immunisiert. Mit Immunodetektion durch das STK1-Antiserum wurden erste Lokalisierungsstudien durchgeführt. Dabei konnte durch vergleichende Maldi-Analysen eine potentiell chloroplastidäre Lokalisierung unterstützt werden. Über die Funktion der STK1 in dem Prozess der Photoinhibition wird diskutiert.
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Borgstädt R. Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana. Bielefeld (Germany): Bielefeld University; 2004.
Borgstädt, R. (2004). Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Borgstädt, R. (2004). Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana. Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
Borgstädt, R., 2004. Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana, Bielefeld (Germany): Bielefeld University.
R. Borgstädt, Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana, Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2004.
Borgstädt, R.: Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana. Bielefeld University, Bielefeld (Germany) (2004).
Borgstädt, Rüdiger. Identifizierung und Charakterisierung nukleärer Mutanten mit defekter Photoakklimation in Arabidopsis thaliana. Bielefeld (Germany): Bielefeld University, 2004.
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