TY  - THES
A1  - Guedes Corrêa, Luiz Gustavo
T1  - Evolutionary and functional analysis of transcription factors controlling leaf development
T1  - Evolutionäre und funktionelle Analyse von Transkriptionsfaktoren, welche die Blattentwicklung steuern
N2  - Leaves are the main photosynthetic organs of vascular plants, and leaf development is dependent on a proper control of gene expression. Transcription factors (TFs) are global regulators of gene expression that play essential roles in almost all biological processes among eukaryotes. This PhD project focused on the characterization of the sink-to-source transition of Arabidopsis leaves and on the analysis of TFs that play a role in early leaf development. The sink-to-source transition occurs when the young emerging leaves (net carbon importers) acquire a positive photosynthetic balance and start exporting photoassimilates. We have established molecular and physiological markers (i.e., CAB1 and CAB2 expression levels, AtSUC2 and AtCHoR expression patterns, chlorophyll and starch levels, and photosynthetic electron transport rates) to identify the starting point of the transition, especially because the sink-to-source is not accompanied by a visual phenotype in contrast to other developmental transitions, such as the mature-to-senescent transition of leaves. The sink-to-source transition can be divided into two different processes: one light dependent, related to photosynthesis and light responses; and one light independent or impaired, related to the changes in the vascular tissue that occur when leaves change from an import to an export mode. Furthermore, starch, but not sucrose, has been identified as one of the potential signalling molecules for this transition. The expression level of 1880 TFs during early leaf development was assessed by qRTPCR, and 153 TFs were found to exhibit differential expression levels of at least 5-fold. GRF, MYB and SRS are TF families, which are overrepresented among the differentially expressed TFs. Additionally, processes like cell identity acquisition, formation of the epidermis and leaf development are overrepresented among the differentially expressed TFs, which helps to validate the results obtained. Two of these TFs were further characterized. bZIP21 is a gene up-regulated during the sink-to-source and mature-to-senescent transitions. Its expression pattern in leaves overlaps with the one observed for AtCHoR, therefore it constitutes a good marker for the sink-to-source transition. Homozygous null mutants of bZIP21 could not be obtained, indicating that the total absence of bZIP21 function may be lethal to the plant. Phylogenetic analyses indicate that bZIP21 is an orthologue of Liguleless2 from maize. In these analyses, we identified that the whole set of bZIPs in plants originated from four founder genes, and that all bZIPs from angiosperms can be classified into 13 groups of homologues and 34 Possible Groups of Orthologues (PoGOs). bHLH64 is a gene highly expressed in early sink leaves, its expression is downregulated during the mature-to-senescent transition. Null mutants of bHLH64 are characterized by delayed bolting when compared to the wild-type; this indicates a possible delay in the sink-to-source transition or the retention of a juvenile identity. A third TF, Dof4, was also characterized. Dof4 is neither differentially expressed during the sink-to-source nor during the senescent-to-mature transition, but a null mutant of Dof4 develops bigger leaves than the wild-type and forms a greater number of siliques. The Dof4 null mutant has proven to be a good background for biomass accumulation analysis. Though not overrepresented during the sink-to-source transition, NAC transcription factors seem to contribute significantly to the mature-to-senescent transition. Twenty two NACs from Arabidopsis and 44 from rice are differentially expressed during late stages of leaf development. Phylogenetic analyses revealed that most of these NACs cluster into three big groups of homologues, indicating functional conservation between eudicots and monocots. To prove functional conservation of orthologues, the expression of ten NAC genes of barley was analysed. Eight of the ten NAC genes were found to be differentially expressed during senescence. The use of evolutionary approaches combined with functional studies is thus expected to support the transfer of current knowledge of gene control gained in model species to crops.
N2  - Das Blatt ist das wichtigste photosynthetische Organ von Gefäßpflanzen und die Blattentwicklung ist von einer exakten Genexpression abhängig. Transkriptionsfaktoren (TFs) sind globale Regulatoren der Genexpression. Diese sind, in fast allen biologischen Vorgängen der Eukaryoten, von grundlegender Bedeutung. Das Promotionsarbeit legte den Schwerpunkt auf den sogenannten Sink-source-Übergang in Blättern der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, zu deutsch Ackerschmalwand. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Analyse von TFs, welche eine wichtige Rolle in der frühen Blattentwicklung spielen. Sehr junge Blätter befinden sich im sogenannten Sink-Status, sie müssen Photoassimilate aus älteren, sogenannten Source-Blättern importieren, da sie selbst noch nicht in der Lage sind, hinreichend viel Kohlendioxid über die Photosynthese zu binden. Der Übergang vom Sink- in den Source-Zustand eines Blattes ist ein hoch komplizierter biologischer Prozess, der bisher nur in Ansätzen verstanden ist. Im Rahmen der Doktorarbeit wurden molekulare und physiologische Marker identifiziert, die es erlauben, den für das bloße Auge nicht ohne weiteres sichtbaren Sink-Source-Übergang zu erkennen. Dazu wurde beispielsweise die Aktivität bestimmter Gene, unter anderem der Gene AtSUC2 und AtCHoR, mittels molekularer Techniken verfolgt. Um den Über zwischen den beiden Entwicklungszuständen eingehend zu charakterisieren wurde die Aktivität von etwa 1900 Regulatorgenen mittels eines multiparallelen Verfahrens - der sogenannten quantitativen RT-PCR - untersucht. Bei den Regulatoren handelt es sich um Transkriptionsfaktoren, die die Aktivität anderer Gene der Pflanzen steuern. Von allen untersuchten Genen zeigten 153 ein vom Blattstadium abhängiges Aktivitätsmuster. Dabei waren Mitglieder der GRF, MYB und SRS Familien überrepräsentiert. Für die gefundenen Transkriptionsfaktoren zeigte sich besonders häufig eine Assoziation zu Prozessen wie Spezialisierung von Zellen, Entwicklung der Epidermis sowie der Blattentwicklung. Zwei ausgewählte Regulatorproteine - bZIP21 und bHLH64 - wurden detaillierter charakterisiert. Das bZIP21-Gen zeigte eine starke Aktivität whrend des Sink-Source-Übergangs. Sein Expressionsmuster in Blättern deckt sich mit dem für AtCHoR beobachteten Expressionsmuster, so dass bZIP21 als ein neuer Marker für die Sink-Source- Transition dienen kann. Es konnten keine homozygoten Null-Mutanten des Gens erhalten werden, was die Vermutung nahelegt, dass gänzliche Abwesenheit von bZIP21 letal fr die Pflanze sein kann. Phylogenetische Analysen ergaben, dass bZIP21 ortholog zum Gen Liguleless2 aus Mais ist. In diesen Analysen konnte gezeigt werden, dass alle pflanzlichen bZIP Transkriptionsfaktoren von vier Gründergenen abstammen und alle bZIPs der Angiospermen in 13 homologe Klassen und 34 mögliche orthologe Klassen (Possible Groups of Orthologues, PoGOs) eingeordnet werden können. Das bHLH64 Gen ist im unreifen Blatt stark aktiv und während des Alterungsprozesses herunterreguliert. Null-Mutationen von bHLH64 zeigen eine verzögerte Blütenbildung im Vergleich zum Wildtyp; dies weist auf eine mögliche Verzögerung in des Sink-SourceÜbergangs oder Aufrechterhaltung der jugendlichen Identität hin. Ein dritter Transkriptionsfaktor, Dof4, wurde ebenfalls charakterisiert. Dof4 wird weder während des Sink-Source-Übergangs noch während des Alterungsprozesses unterschiedlich exprimiert. Eine Null-Mutante von Dof4 besaß größere Blätter und eine höhere Anzahl an Schoten in Vergleich zum Wildtyp. Diese Mutanten erwiesen sich als gut geeignet fr die Analyse der Akkumulation pflanzlicher Biomasse. Obwohl während der Sink-Source Transition nicht überrepräsentiert, scheinen NAC Transkriptionsfaktoren eine große Rolle während des Alterungsprozesses zu spielen. Zweiundzwanzig NAC-Gene von Arabidopsis und 44 von Reis sind in der späten Phase der Blattentwicklung verändert exprimiert. Phylogenetische Analysen erlaubten die Einordnung der meisten dieser NACs in vier homologe Gruppen, was auf einen funktionellen Erhalt zwischen einkeimblättrigen und zweikeimblättrigen Pflanzen hinweist. Um den funktionellen Erhalt von Orthologen zu untersuchen, wurde die Expression von zehn NAC-Genen aus Gerste analysiert. Acht dieser Gene zeigten eine von der Blattalterung abhängige Expression. Die Kombination von evolutionären Analysen und funktionellen Studien könnte den Wissenstransfer von Modellpflanzen auf Getreidepflanzen in Zukunft vereinfachen.
KW  - Evolution
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Pflanzen
KW  - Entwicklung
KW  - Blatt
KW  - evolution
KW  - transcription factors
KW  - plant
KW  - development
KW  - leaf
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-40038
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vosloh, Daniel
T1  - Subcellular compartmentation of primary carbon metabolism in mesophyll cells of Arabidopsis thaliana
T1  - Subzelluläre Kompartimentierung des primären Kohlenstoffmetabolismus in Mesophyllzellen von Arabidopsis thaliana
N2  - Metabolismus in Pflanzenzellen ist stark kompartimentiert. Viele Stoffwechselwege haben Reaktionen in mehr als einem Kompartiment. Zum Beispiel wird während der Photosynthese in pflanzlichen Mesophyllzellen Kohlenstoff in Form von Stärke in den Chloroplasten synthetisiert, während es im Zytosol in Form von Sacharose gebildet und in der Vakuole gespeichert wird. Diese Reaktionen sind strikt reguliert um ein Gleichgewicht der Kohlenstoffpools der verschiedenen Kompartimente aufrecht zu erhalten und die Energieversorgung aller Teile der Zelle für anabolische Reaktionen sicher zu stellen. Ich wende eine Methode an, bei der die Zellen unter nicht-wässrigen Bedingungen fraktioniert werden und daher der metabolische Status der während der Ernte herrschte über den ganzen Zeitraum der Auftrennung beibehalten wird. Durch die Kombination von nichtwässriger Fraktionierung und verschiedener Massenspektrometrietechniken (Flüssigchromotagraphie- und Gaschromotagraphie basierende Massenspekrometrie) ist es möglich die intrazelluläre Verteilung der meisten Intermediate des photosynthetischen Kohlenstoffstoffwechsels und der Produkte der nachgelagerten metabolischen Reaktionen zu bestimmen. Das Wissen über die in vivo Konzentrationen dieser Metabolite wurde genutzt um die Änderung der freien Gibbs Energie in vivo zu bestimmen. Mit Hilfe dessen kann bestimmt werden, welche Reaktion sich in einem Gleichgewichtszustand befinden und welche davon entfernt sind. Die Konzentration der Enzyme und der Km Werte wurden mit den Konzentrationen der Metabolite in vivo verglichen, um festzustellen, welche Enzyme substratlimitiert sind und somit sensitiv gegenüber Änderungen der Substratkonzentration sind. Verschiedene Intermediate des Calvin-Benson Zyklus sind gleichzeitig Substrate für andere Stoffwechselwege, als da wären Dihyroxyaceton-phosphat (DHAP, Saccharosesynthese), Fructose 6-phosphat (Fru6P, Stärkesynthese), Erythrose 4-phosphat (E4P, Shikimat Stoffwechselweg) und Ribose 5-phosphat (R5P, Nukleotidbiosynthese). Die Enzyme, die diese Intermediate verstoffwechseln, liegen an den Abzweigungspunkten zu diesen Stoffwechselwegen. Diese sind Trisose phosphat isomerase (DHAP), Transketolase (E4P), Sedoheptulose-1,7 biphosphat aldolase (E4P) und Ribose-5-phosphat isomerase (R5P), welche nicht mit ihren Substraten gesättigt sind, da die jeweilige Substratkonzentration geringer als der zugehörige Km Wert ist. Für metabolische Kontrolle bedeutet dies, dass diese Schritte am sensitivsten gegenüber Änderungen der Substratkonzentrationen sind. Im Gegensatz dazu sind die regulierten irreversiblen Schritte von Fructose-1,6.biphosphatase und Sedoheptulose-1,7-biphosphatase relativ insensitiv gegenüber Änderungen der Substratkonzentration. Für den Stoffwechselweg der Saccharosesynthese konnte gezeigt werden, dass die zytosolische Aldolase eine geringer Bindeseitenkonzentration als Substratkonzentration (DHAP) aufweist, und dass die Konzentration von Saccharose-6-phosphat geringer als der Km Wert des synthetisierenden Enzyms Saccharose-phosphatase ist. Sowohl die Saccharose-phosphat-synthase, also auch die Saccharose-phosphatase sind in vivo weit von einem Gleichgewichtszustand entfernt. In Wildtyp Arabidopsis thaliana Columbia-0 Blättern wurde der gesamte Pool von ADPGlc im Chloroplasten gefunden. Das Enzyme ADPGlc pyrophosphorylase ist im Chloroplasten lokalisiert und synthetisiert ADPGlc aus ATP und Glc1P. Dieses Verteilungsmuster spricht eindeutig gegen die Hypothese von Pozueta-Romero und Kollegen, dass ADPGlc im Zytosol durch ADP vermittelte Spaltung von Saccharose durch die Saccharose Synthase erzeugt wird. Basierend auf dieser Beobachtung und anderen veröffentlichten Ergebnissen wurde geschlußfolgert, dass der generell akzeptierte Stoffwechselweg der Stärkesynthese durch ADPGlc Produktion via ADPGlc pyrophosphorylase in den Chloroplasten korrekt ist, und die Hypothese des alternativen Stoffwechselweges unhaltbar ist. Innerhalb des Stoffwechselweges der Saccharosesynthsese wurde festgestellt, dass die Konzentration von ADPGlc geringer als der Km Wert des Stärkesynthase ist, was darauf hindeutet, dass das Enzym substratlimitiert ist. Eine generelle Beobachtung ist, dass viele Enzmye des Calvin-Benson Zyklus ähnliche Bindeseitenkonzentrationen wie Metabolitkonzentrationen aufweisen, wohingegen in den Synthesewegen von Saccharose und Stärke die Bindeseitenkonzentrationen der Enzyme viel geringer als die Metabolitkonzentrationen sind.
N2  - Metabolism in plant cells is highly compartmented, with many pathways involving reactions in more than one compartment. For example, during photosynthesis in leaf mesophyll cells, primary carbon fixation and starch synthesis take place in the chloroplast, whereas sucrose is synthesized in the cytosol and stored in the vacuole. These reactions are tightly regulated to keep a fine balance between the carbon pools of the different compartments and to fulfil the energy needs of the organelles. I applied a technique which fractionates the cells under non-aqueous conditions, whereby the metabolic state is frozen at the time of harvest and held in stasis throughout the fractionation procedure. With the combination of non-aqueous fractionation and mass spectrometry based metabolite measurements (LC-MS/MS, GC-MS) it was possible to investigate the intracellular distributions of the intermediates of photosynthetic carbon metabolism and its products in subsequent metabolic reactions. With the knowledge about the in vivo concentrations of these metabolites under steady state photosynthesis conditions it was possible to calculate the mass action ratio and change in Gibbs free energy in vivo for each reaction in the pathway, to determine which reactions are near equilibrium and which are far removed from equilibrium. The Km value and concentration of each enzyme were compared with the concentrations of its substrates in vivo to assess which reactions are substrate limited and so sensitive to changes in substrate concentration. Several intermediates of the Calvin-Benson cycle are substrates for other pathways, including dihydroxyacetone-phosphate (DHAP,sucrose synthesis), fructose 6-phosphate (Fru6P, starch synthesis), erythrose 4-phosphate (E4P,shikimate pathway) and ribose 5-phosphate (R5P, nucleotide synthesis). Several of the enzymes that metabolise these intermediates, and so lie at branch points in the pathway, are triose-phosphate isomerase (DHAP), transketolase (E4P, Fru6P), sedoheptulose-1,7-bisphosphate aldolase (E4P) and ribose-5-phosphate isomerase (R5P) are not saturated with their respective substrate as the metabolite concentration is lower than the respective Km value. In terms of metabolic control these are the steps that are most sensitive to changes in substrate availability, while the regulated irreversible reactions of fructose-1,6-bisphosphatase and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase are relatively insensitive to changes in the concentrations of their substrates. In the pathway of sucrose synthesis it was shown that the concentration of the catalytic binding site of the cytosolic aldolase is lower than the substrate concentration of DHAP, and that the concentration of Suc6P is lower than the Km of sucrose-phosphatase for this substrate. Both the sucrose-phosphate synthase and sucrose-phosphatase reactions are far removed from equilibrium in vivo. In wild type A. thaliana Columbia-0 leaves, all of the ADPGlc was found to be localised in the chloroplasts. ADPglucose pyrophosphorylase is localised to the chloroplast and synthesises ADPGlc from ATP and Glc1P. This distribution argues strongly against the hypothesis proposed by Pozueta-Romero and colleagues that ADPGlc for starch synthesis is produced in the cytosol via ADP-mediated cleavage of sucrose by sucrose synthase. Based on this observation and other published data it was concluded that the generally accepted pathway of starch synthesis from ADPGlc produced by ADPglucose pyrophosphorylase in the chloroplasts is correct, and that the alternative pathway is untenable. Within the pathway of starch synthesis the concentration of ADPGlc was found to be well below the Km value of starch synthase for ADPGlc, indicating that the enzyme is substrate limited. A general finding in the comparison of the Calvin-Benson cycle with the synthesis pathways of sucrose and starch is that many enzymes in the Calvin Benson cycle have active binding site concentrations that are close to the metabolite concentrations, while for nearly all enzymes in the synthesis pathways the active binding site concentrations are much lower than the metabolite concentrations.
KW  - Pflanze
KW  - Kohlenstoffmetabolismus
KW  - Mesophyll
KW  - Zelle
KW  - plant
KW  - carbon metabolism
KW  - mesophyll
KW  - cell
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55534
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Naseri, Gita
A1  - Balazadeh, Salma
A1  - Machens, Fabian
A1  - Kamranfar, Iman
A1  - Messerschmidt, Katrin
A1  - Müller-Röber, Bernd
T1  - Plant-Derived Transcription Factors for Orthologous Regulation of Gene Expression in the Yeast Saccharomyces cerevisiae
JF  - ACS synthetic biology
N2  - Control of gene expression by transcription factors (TFs) is central in many synthetic biology projects for which a tailored expression of one or multiple genes is often needed. As TFs from evolutionary distant organisms are unlikely to affect gene expression in a host of choice, they represent excellent candidates for establishing orthogonal control systems. To establish orthogonal regulators for use in yeast (Saccharomyces cerevisiae), we chose TFs from the plant Arabidopsis thaliana. We established a library of 106 different combinations of chromosomally integrated TFs, activation domains (yeast GAL4 AD, herpes simplex virus VP64, and plant EDLL) and synthetic promoters harboring cognate cis regulatory motifs driving a yEGFP reporter. Transcriptional output of the different driver/reporter combinations varied over a wide spectrum, with EDLL being a considerably stronger transcription activation domain in yeast than the GAL4 activation domain, in particular when fused to Arabidopsis NAC TFs. Notably, the strength of several NAC-EDLL fusions exceeded that of the strong yeast TDH3 promoter by 6- to 10-fold. We furthermore show that plant TFs can be used to build regulatory systems encoded by centromeric or episomal plasmids. Our library of TF-DNA binding site combinations offers an excellent tool for diverse synthetic biology applications in yeast.
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - artificial transcription factor
KW  - NAC transcription factor
KW  - synthetic biology
KW  - plant
Y1  - 2017
U6  - https://doi.org/10.1021/acssynbio.7b00094
SN  - 2161-5063
VL  - 6
SP  - 1742
EP  - 1756
PB  - American Chemical Society
CY  - Washington
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hoelscher, Matthijs Pieter
T1  - The production of antimicrobial polypeptides in chloroplasts
N2  - Plants are an attractive platform for the production of medicinal compounds because of their potential to generate large amounts of biomass cheaply. The use of chloroplast transformation is an attractive way to achieve the recombinant production of proteins in plants, because of the chloroplasts’ high capacity to produce foreign proteins in comparison to nuclear transformed plants. In this thesis, the production of two different types of antimicrobial polypeptides in chloroplasts is explored.
The first example is the production of the potent HIV entry inhibitor griffithsin. Griffithsin has the potential to prevent HIV infections by blocking the entry of the virus into human cells. Here the use of transplastomic plants as an inexpensive production method for griffithsin was explored. Transplastomic plants grew healthily and were able to accumulate griffithsin to up to 5% of the total soluble protein. Griffithsin could easily be purified from tobacco leaf tissue and had a similarly high neutralization activity as griffithsin recombinantly produced in bacteria. Griffithsin could be purified from dried tobacco leaves, demonstrating that dried leaves could be used as a storable starting material for griffithsin purification, circumventing the need for immediate purification after harvest.
The second example is the production of antimicrobial peptides (AMPs) that have the capacity to kill bacteria and are an attractive alternative to currently used antibiotics that are increasingly becoming ineffective. The production of antimicrobial peptides was considerably more challenging than the production of griffithsin. Small AMPs are prone to degradation in plastids. This problem was overcome by fusing AMPs to generate larger polypeptides. In one approach, AMPs were fused to each other to increase size and combine the mode of action of multiple AMPs. This improved the accumulation of AMPs but also resulted in impaired plant growth. This was solved by the use of two different inducible systems, which could largely restore plant growth. Fusions of multiple AMPs were insoluble and could not be purified.
In addition to fusing AMPs to each other, the fusion of AMPs to small ubiquitin-like modifier (SUMO), was tested as an approach to improve the accumulation, facilitate purification, and reduce the toxicity of AMPs to chloroplasts. Fusion of AMPs to SUMO indeed increased accumulation while reducing the toxicity to the plants. SUMO fusions produced inside chloroplasts could be purified, and SUMO could be efficiently cleaved off with the SUMO protease. Such fusions therefore provide a promising strategy for the production of AMPs and other small polypeptides inside chloroplasts.
KW  - plastid transformation
KW  - Nicotiana tabacum
KW  - HIV
KW  - AIDS
KW  - antiviral agent
KW  - micorbicide
KW  - Griffithsin
KW  - chloroplast
KW  - antimicrobial peptide
KW  - AMP
KW  - recombinant production
KW  - transgenic
KW  - SUMO
KW  - inducible expression
KW  - anti bacterial
KW  - protein fusion
KW  - polypeptide
KW  - peptide
KW  - plant
KW  - molecular farming
Y1  - 2020
ER  - 
TY  - THES
A1  - Uflewski, Michal
T1  - Characterizing the regulation of proton antiport across the thylakoid membrane
N2  - Die Energie, die zum Antrieb photochemischer Reaktionen benötigt wird, stammt aus der Ladungstrennung an der Thylakoidmembran. Aufrgrund des Unterschieds in der Protonenkonzentration zwischen dem Stroma der Chloroplasten und dem Thylakoidlumen wird eine Protonenmotorische Kraft (pmf) erzeugt. Die pmf setzt sich aus dem Protonengradienten (ΔpH) und dem Membranpotential (ΔΨ) zusammen, die gemeinsam die ATP-Synthese antreiben. In der Natur schwankt die Energiemenge, die die Photosynthese antreibt, aufgrund häufiger Änderungen der Lichtintensität. Der Thylakoid-Ionentransport kann den Energiefluss durch einen Photosyntheseapparat an die Lichtverfügbarkeit anpassen, indem er die pmf-Zusammensetzung verändert. Die Dissipation von ΔΨ verringert die Ladungsrekombination am Photosystem II, so dass ein Anstieg der ΔpH-Komponente eine Rückkopplung zur Herabregulierung der Photosynthese auslösen kann. Der durch den K+-Austausch-Antiporter 3 (KEA3) gesteuerte K+/H+-Antiport reduziert den ΔpH-Anteil von pmf und dämpft dadurch das nicht-photochemische Quenching (NPQ). Infolgedessen erhöht sich die Photosyntheseeffizienz beim Übergang zu geringerer Lichtintensität. Ziel dieser Arbeit war es, Antworten auf Fragen zur Regulierung der KEA3-Aktivität und ihrer Rolle in der Pflanzenentwicklung zu finden. Die vorgestellten Daten zeigen, dass KEA3 in Pflanzen, denen der Chloroplasten-ATP-Synthase-Assembly-Faktor CGL160 fehlt und die eine verminderte ATP-Synthase-Aktivität aufweisen, eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Photosynthese und des Pflanzenwachstums unter stationären Bedingungen spielt. Das Fehlen von KEA3 in der cgl160-Mutante führt zu einer starken Beeinträchtigung des Wachstums, da die Photosynthese aufgrund des erhöhten pH-abhängigen NPQs und des verringerten Elektronenflusses durch den Cytochrom b6f-Komplex eingeschränkt ist. Die Überexpression von KEA3 in der cgl160-Mutante erhöht die Ladungsrekombination im Photosystem II und fördert die Photosynthese. In Zeiten geringer ATP-Synthase-Aktivität profitieren die Pflanzen also von der KEA3-Aktivität. KEA3 unterliegt einer Dimerisierung über seinen regulatorischen C-Terminus (RCT). Der RCT reagiert auf Veränderungen der Lichtintensität, da die Pflanzen, die KEA3 ohne diese Domäne exprimieren, einen reduzierten Lichtschutzmechanismus bei Lichtintensitätsschwankungen aufweisen. Allerdings fixieren diese Pflanzen während der Photosynthese-Induktionsphase mehr Kohlenstoff als Gegenleistung für einen langfristigen Photoprotektor, was die regulierende Rolle von KEA3 in der Pflanzenentwicklung zeigt. Der KEA3-RCT ist dem Thylakoidstroma zugewandt, so dass seine Regulierung von lichtinduzierten Veränderungen in der Stroma-Umgebung abhängt. Die Regulierung der KEA3-Aktivität überschneidet sich mit den pH-Änderungen im Stroma, die bei Lichtschwankungen auftreten. Es hat sich gezeigt, dass ATP und ADP eine Affinität zum heterolog exprimierten KEA3 RCT haben. Eine solche Wechselwirkung verursacht Konformationsänderungen in der RCT-Struktur. Die Faltung der RCT-Liganden-Interaktion hängt vom pH-Wert der Umgebung ab. Mit einer Kombination aus Bioinformatik und In-vitro-Ansatz wurde die ATP-Bindungsstelle am RCT lokalisiert. Das Einfügen einer Punktmutation in der KEA3-RCT Bindungsstelle in planta führte zu einer Deregulierung der Antiporteraktivität beim Übergang zu wenig Licht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten ermöglichten es uns, die Rolle von KEA3 bei der Anpassung der Photosynthese umfassender zu bewerten und Modelle zur Regulierung der KEA3-Aktivität während des Übergangs zwischen verschiedenen Lichtintensitäten vorzuschlagen.
N2  - The energy required to drive photochemical reactions is derived from charge separation across the thylakoid membrane. As the consequence of difference in proton concentration between chloroplasts stroma and thylakoid lumen, a proton motive force (pmf) is generated. The pmf is composed out of the proton gradient (ΔpH) and membrane potential (ΔΨ), and together they drive the ATP synthesis. In nature, the amount of energy fueling photosynthesis varies due to frequent changes in the light intensity. Thylakoid ion transport can adapt the energy flow through a photosynthetic apparatus to the light availability by adjusting the pmf composition. Dissipation of ΔΨ reduces the charge recombination at the photosystem II, allowing for an increase in ΔpH component to trigger a feedback downregulation of photosynthesis. K+ Exchange Antiporter 3 (KEA3) driven K+/H+ antiport reduces the ΔpH fraction of pmf, thereby dampening a non-photochemical quenching (NPQ). As a result, it increases the photosynthesis efficiency during the transition to lower light intensity. This thesis aimed to find the answers for questions concerning KEA3 activity regulation and its role in plant development. Presented data shows that in plants lacking chloroplast ATP synthase assembly factor CGL160 with decreased ATP synthase activity, KEA3 has a pivotal role in photosynthesis regulation and plant growth during steady-state conditions. Lack of KEA3 in cgl160 mutant results in a strong growth impairment, as photosynthesis is limited due to increased pH-dependent NPQ and decreased electron flow through cytochrome b6f complex. Overexpression of KEA3 in cgl160 mutant increases charge recombination at photosystem II, promoting photosynthesis. Thus, during periods of low ATP synthase activity, plants benefit from KEA3 activity. The KEA3 undergoes dimerization via its regulatory C-terminus (RCT). The RCT responds to changes in light intensity as the plants expressing KEA3 without this domain show reduced photo-protective mechanism in light intensity transients. However, those plants fix more carbon during the photosynthesis induction phase as a trade-off for a long-term photoprotection, showing KEA3 regulatory role in plant development. The KEA3 RCT is facing thylakoid stroma, thus its regulation depends on light-induced changes in the stromal environment. KEA3 activity regulation overlaps with the stromal pH changes occurring during light fluctuations. The ATP and ADP has shown to have an affinity towards heterologously expressed KEA3 RCT. Such interaction causes conformational changes in RCT structure. The fold change of RCT-ligand interaction depends on the environmental pH value. With a combination of bioinformatics and in vitro approach, the ATP binding site at RCT was located. Introduction of binding site point mutation in planta KEA3 RCT resulted in antiporter activity deregulation during transition to low light. Together, the data presented in this thesis allowed us to assess more broadly a KEA3 role in photosynthesis adjustment and propose the models of KEA3 activity regulation throughout transition in light intensity.
KW  - plant
KW  - photosynthesis
KW  - thylakoid
KW  - ion transport
KW  - fluctuating light
KW  - Pflanze
KW  - Photosynthese
KW  - Thylakoid
KW  - Ionentransport
KW  - schwankendes Licht
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gonzalez Duran, Enrique
T1  - Genetic control of intracellular gene transfer by DNA repair in N. tabacum
N2  - Mitochondria and plastids are organelles with an endosymbiotic origin. During evolution, many genes are lost from the organellar genomes and get integrated in the nuclear genome, in what is known as intracellular/endosymbiotic gene transfer (IGT/EGT). IGT has been reproduced experimentally in Nicotiana tabacum at a gene transfer rate (GTR) of 1 event in 5 million cells, but, despite its centrality to eukaryotic evolution, there are no genetic factors known to influence the frequency of IGT in higher eukaryotes. The focus of this work was to determine the role of different DNA repair pathways of double strand break repair (DSBR) in the integration step of organellar DNA in the nuclear genome during IGT. Here, a CRISPR/Cas9 mutagenesis strategy was implemented in N. tabacum, with the aim of generating mutants in nuclear genes without expected visible phenotypes. This strategy led to the generation of a collection of independent mutants in the LIG4 (necessary for non-homologous end joining, NHEJ) and POLQ genes (necessary for microhomology mediated end joining, MMEJ). Targeting of other DSBR genes (KU70, KU80, RPA1C) generated mutants with unexpectedly strong developmental phenotypes.. These factors have telomeric roles, hinting towards a possible relationship between telomere length, and strength of developmental disruption upon loss of telomere structure in plants. The mutants were made in a genetic background encoding a plastid-encoded IGT reporter, that confers kanamycin resistance upon transfer to the nucleus. Through large scale independent experiments, increased IGT from the chloroplast to the nucleus was observed in lig4 mutants, as well as lines encoding a POLQ gene with a defective polymerase domain (polqΔPol). This shows that NHEJ or MMEJ have a double-sided relationship with IGT: while transferred genes may integrate using either pathway, the presence of both pathways suppresses IGT in wild-type somatic cells, thus demonstrating for the first time the extent on which nuclear genes control IGT frequency in plants. The IGT frequency increases in the mutants are likely mediated by increased availability of double strand breaks for integration. Additionally, kinetic analysis reveals that gene transfer (GT) events accumulate linearly as a function of time spent under antibiotic selection in the experiment, demonstrating that, contrary to what was previously thought, there is no such thing as a single GTR in somatic IGT experiments. Furthermore, IGT in tissue culture experiments appears to be the result of a "race against the clock" for integration in the nuclear genome, that starts when the organellar DNA arrives to the nucleus granting transient antibiotic resistance. GT events and escapes of kanamycin selection may be two possible outcomes from this race: those instances where the organellar DNA gets to integrate are recovered as GT events, and in those cases where timely integration fails, antibiotic resistance cannot be sustained, and end up considered as escapes. In the mutants, increased opportunities for integration in the nuclear genome change the overall ratio between IGT and escape events. The resources generated here are promising starting points for future research: (1) the mutant collection, for the further study of processes that depend on DNA repair in plants (2) the collection of GT lines obtained from these experiments, for the study of the effect of DSBR pathways over integration patterns and stability of transferred genes and (3) the developed CRISPR/Cas9 workflow for mutant generation, to make N. tabacum meet its potential as an attractive model for answering complex biological questions.
N2  - Mitochondrien und Plastiden sind beides Organellen endosymbiotischen Ursprungs. Im Laufe der Evolution gehen viele Gene aus den Organellengenomen verloren und werden in das Kerngenom integriert, was als intrazellulärer/endosymbiotischer Gentransfer (IGT/EGT) bezeichnet wird. IGT konnte experimentell in Nicotiana tabacum mit einer Gentransferrate (GTR) von einem Ereignis in fünf Millionen Zellen nachgestellt werden, aber trotz seiner zentralen Bedeutung für die eukaryotische Evolution sind keine genetischen Faktoren bekannt, die die Häufigkeit von IGT in höheren Eukaryoten beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der Rolle verschiedener DNA-Reparaturwege der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR) bei der Integration von Organellen-DNA in das Kerngenom während des IGT. Dazu wurde in N. tabacum eine CRISPR/Cas9-basierte Mutagenesestrategie angewandt, mit dem Ziel, Mutanten in Kerngenen zu erzeugen, für die keine sichtbaren Phänotypen zu erwarten sind. Diese Strategie führte zur Erzeugung einer Reihe unabhängiger Mutanten im LIG4-Gen (notwendig für „non-homologous end joining“, die nicht-homologe Verbindung von Enden, NHEJ) und POLQ (notwendig für „microhomology mediated end joining“, die Mikrohomologie-vermittelte Verbindung von Enden, MMEJ). Die gezielte Beeinflussung anderer DSBR-Gene (KU70, KU80, RPA1C) führte zu Mutanten mit unerwartet starken Entwicklungsphänotypen. Diese Gene spielen eine Rolle beim Erhalt der Telomere, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Telomerlänge und der Stärke der Entwicklungsstörung bei Verlust der Telomerstruktur in Pflanzen hindeutet. Die Mutanten wurden in einem genetischen Hintergrund erzeugt, der über einen in den Plastiden lokalisierten IGT-Reporter verfügt, der nach Übertragung in den Zellkern Kanamycin-Resistenz vermittelt. In groß angelegten unabhängigen Experimenten wurde in lig4-Mutanten sowie in Linien, die für ein POLQ-Gen mit einer defekten Polymerase-Domäne (polqΔPol) kodieren, eine erhöhte GTR vom Chloroplasten zum Zellkern beobachtet. Dies zeigt, dass NHEJ oder MMEJ eine zweischneidige Beziehung zum IGT haben: Während übertragene Gene folglich über jeden der beiden Mechanismen integriert werden können, unterdrückt das gleichzeitige Vorhandensein beider Wege IGT in somatischen Wildtyp-Zellen, wodurch zum ersten Mal gezeigt wird, in welchem Ausmaß Kerngene die IGT-Häufigkeit in Pflanzen kontrollieren. Die erhöhte Verfügbarkeit von Doppelstrangbrüchen für die Integration könnte für die erhöhte IGT-Häufigkeit in den Mutanten verantwortlich sein. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Zeitverlaufs, dass Gentransferereignisse (GT) in Abhängigkeit von der Zeit, die im Experiment unter Antibiotikaselektion verbracht wurde, linear akkumulieren, was beweist, dass es, anders als bisher angenommen, in somatischen IGT-Experimenten keine statische GTR gibt. Darüber hinaus scheint IGT in Gewebekulturexperimenten das Ergebnis eines Wettlaufs mit der Zeit um die Integration in das Kerngenom zu sein, der beginnt, wenn die Organellen-DNA in den Zellkern gelangt und eine vorübergehende Antibiotikaresistenz gewährt. Echte GT-Ereignisse und „Escapes“ (scheinbare Resistenz, ein vorläufiges Ausweichen vor der Kanamycin-Selektion) können zwei mögliche Ergebnisse dieses Wettlaufs sein: Die Fälle, in denen die Organellen-DNA integriert wird, werden als GT-Ereignisse gewertet, und in den Fällen, in denen die rechtzeitige Integration scheitert, kann die Antibiotikaresistenz nicht aufrechterhalten werden und sie werden als „Escape“ betrachtet. In den Mutanten verändern sich die Möglichkeiten zur Integration in das Kerngenom, wodurch sich das Gesamtverhältnis zwischen IGT- und „Escape“-Ereignissen ändert. Die hier erzeugten Ressourcen sind vielversprechende Ausgangspunkte für künftige Forschungen: (1) die Mutantensammlung, für die Untersuchung von weiteren Prozessen, die von der DNA-Reparatur in Pflanzen abhängen, (2) die Sammlung von GT-Linien, die aus den hier beschriebenen Experimenten gewonnen wurden, für die Untersuchung der Auswirkungen von DSBR-Mechanismen auf Integrationsmuster und Stabilität übertragener Gene und (3) der hier entwickelte Arbeitsablauf für die Mutantenerzeugung mittels CRISPR/Cas9, damit N. tabacum sein Potenzial als attraktives Modell für die Beantwortung komplexer biologischer Fragestellungen erfüllen kann.
T2  - Genetische Kontrolle des intrazellulären Gentransfers durch DNA-Reparatur in N. tabacum
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Y1  - 2023
ER  -