TY  - THES
A1  - Drechsel, Oliver
T1  - Untersuchungen zu Struktur und Expression des Plastidengenoms höherer Pflanzen
T1  - Investigation of structure and expression of the plastid genome of higher plants
N2  - Auf dem Weg der genetischen Information stellt die Translation der RNA in eine Aminosäuresequenz den letzten Schritt dar. In Chloroplasten, den grünen Organellen der Pflanzenzellen, findet ein Großteil der Regulation der Genexpression auf Ebene der Initiation dieses Schrittes statt. Eine Vielzahl von Eigenschaften der RNA und von Faktoren, die an die RNA binden, entfalten einen Einfluss auf diesen Schritt. Bisher unvollständig aufgeklärt ist die Rolle einer konservierten Nukleotidsequenz in der untranslatierten Region der RNA -- der Shine-Dalgarno-Sequenz. Diese stellt in Bakterien, wie z.B. E. coli als Ribosomenbindestelle sicher, dass Ribosomen den Anfang der zu translatierenden Sequenz zuverlässig erkennen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse DNA-Konstrukte in Plastiden von Tabak eingebracht. Hierzu zählten Konstrukte, die sowohl eine erhöhte Anzahl von Ribosomenbindestellen enthielten als auch vermehrte Startpunkte der Translation. Zusätzlich wurden Konstrukte hergestellt, die die Situation von mehreren zu translatierenden Regionen in der RNA nachstellten. Es konnte festgestellt werden, dass plastidäre Ribosomen die strangaufwärts gelegenen Translationsstartpunkte bevorzugen -- im Gegensatz zu E. coli, wo alle Startpunkte gleichmäßig genutzt wurden. Hierdurch zeigten die prokaryotischen Ribosomen aus Chloroplasten, die sich aus bakteriellen Systemen ableiten, Eigenschaften von eukaryotischen Ribosomen. Ein zweites Teilprojekt dieser Arbeit beschäftigte sich mit der Inkompatibilität von Chloroplasten mit dem Kerngenom. In Kreuzungen von Arten der Gattung Pelargonium fielen Kombinationen auf, bei denen die Tochterpflanzen bleiche Blattbereiche bis hin zu vollständig weißen Pflanzen zeigten. Dieses Phänomen wird als Bastardbleichheit bezeichnet. In der Gattung Pelargonium werden Chloroplasten von beiden Elternteilen an die Tochterpflanzen vererbt. Da das Phänomen der Bastardbleichheit nur in einem der Plastiden vorkommt, nicht jedoch im anderen in der gleichen Pflanze, muss von einem Effekt ausgegangen werden, der von Plastiden ausgeht. Die Interaktionen zwischen Zellkern und Chloroplasten sind offensichtlich stark gestört. Zur detaillierten Untersuchung dieses Effekts wurde die Nukleotidsequenz von drei Chloroplastengenomen aufgeklärt. Es konnte eine Reihe von Sequenzunterschieden der Genome ermittelt werden. Aus diesen wurde eine Reihe von Unterschieden beobachtet, die einen solchen Effekt zur Folge haben können. Aus diesen Unterschieden wurde eine Reihe von potentiellen Kandidatengenen zusammengestellt, die in weiteren Arbeiten auf ihre Rolle in der Entstehung der Bastardbleichheit untersucht werden.
N2  - Chloroplasts are the green organelles of plants with a evolutionary prokaryotic background. During evolution chloroplasts established translation initiation as the major step in regulation of gene expression. A vast number of factors, e.g. sequence elements, secondary structures or RNA binding proteins, influences the regulation of translation initiation. A conserved sequence – Shine-Dalgarno sequence – can be identified both in prokaryotes as well as chloroplasts. In prokaryotes this sequence provides a faithful means for positioning of the ribosome to the start codon. Due to lower conservation of Shine-Dalgarno sequences the role of this sequence in translation initiation is not completely understood. We designed a series of constructs that contain different arrangements of these sequences in the 5’ UTR resulting in an increased number of potential ribosome binding sites or translation initiation sites. Additionally we constructed a series of 5’ UTRs that resembled polycistronic transcripts. The results showed a dramatic effect of the different constructs on the translation efficiency of the reporter protein. It could be shown that numerous translation initiation sites increase translation efficiency, whereas increased numbers of ribosome binding sites do not. Additionally it could be shown, that plastidic ribosomes preferentially initiate on 5’ translations initiation sites in contrast to prokaryotic ribosomes that recognize initiation sites equally. This illustrates that plastidic ribosomes in contrast to prokaryotic ribosomes show a scanning like mechanism. Hence plastidic ribosomes gained some eukaryotic properties during evolution. A second project was dealing with hybrid variegation. This phenomenon is based on plastid-nuclear genome incompatibility. Due to biparental plastid inheritance in Pelargonium hybrids may show chimeric phenotypes with bleached (incompatible) and green (compatible) sectors. This points to the plastome as cause for the hybrid variegation. To this end the nucleotide sequence of three plastid genomes was determined and an array of candidate genes causing the incompatibility could be compiled.
KW  - Shine-Dalgarno-Sequenzen
KW  - Translationsinitiation
KW  - Plastid
KW  - Bastardbleichheit
KW  - Shine-Dalgarno sequences
KW  - translation initiation
KW  - plastid
KW  - hybrid variegation
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-31056
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ahmad Abadi, Mohammad
T1  - Development and application of novel genetic transformation technologies in maize (Zea mays L.)
T1  - Entwicklung und Anwendung neuer genetischer Transformationstechnologien im Mais (Zea Mays L.)
N2  - Plant genetic engineering approaches are of pivotal importance to both basic and applied research. However, rapid commercialization of genetically engineered crops, especially maize, raises several ecological and environmental concerns largely related to transgene flow via pollination. In most crops, the plastid genome is inherited uniparentally in a maternal manner. Consequently, a trait introduced into the plastid genome would not be transferred to the sexually compatible relatives of the crops via pollination. Thus, beside its several other advantages, plastid transformation provides transgene containment, and therefore, is an environmentally friendly approach for genetic engineering of crop plants. Reliable in vitro regeneration systems allowing repeated rounds of regeneration are of utmost importance to development of plastid transformation technologies in higher plants. While being the world’s major food crops, cereals are among the most difficult-to-handle plants in tissue culture which severely limits genetic engineering approaches. In maize, immature zygotic embryos provide the predominantly used material for establishing regeneration-competent cell or callus cultures for genetic transformation experiments. The procedures involved are demanding, laborious and time consuming and depend on greenhouse facilities. In one part of this work, a novel tissue culture and plant regeneration system was developed that uses maize leaf tissue and thus is independent of zygotic embryos and greenhouse facilities. Also, protocols were established for (i) the efficient induction of regeneration-competent callus from maize leaves in the dark, (ii) inducing highly regenerable callus in the light, and (iii) the use of leaf-derived callus for the generation of stably transformed maize plants. Furthermore, several selection methods were tested for developing a plastid transformation system in maize. However, stable plastid transformed maize plants could not be yet recovered. Possible explanations as well as suggestions for future attempts towards developing plastid transformation in maize are discussed. Nevertheless, these results represent a first essential step towards developing chloroplast transformation technology for maize, a method that requires multiple rounds of plant regeneration and selection to obtain genetically stable transgenic plants. In order to apply the newly developed transformation system towards metabolic engineering of carotenoid biosynthesis, the daffodil phytoene synthase (PSY) gene was integrated into the maize genome. The results illustrate that expression of a recombinant PSY significantly increases carotenoid levels in leaves. The beta-carotene (pro-vitamin A) amounts in leaves of transgenic plants were increased by ~21% in comparison to the wild-type. These results represent evidence for maize to have significant potential to accumulate higher amounts of carotenoids, especially beta-carotene, through transgenic expression of phytoene synthases. Finally, progresses were made towards developing transformation technologies in Peperomia (Piperaceae) by establishing an efficient leaf-based regeneration system. Also, factors determining plastid size and number in Peperomia, whose species display great interspecific variation in chloroplast size and number per cell, were investigated. The results suggest that organelle size and number are regulated in a tissue-specific manner rather than in dependency on the plastid type. Investigating plastid morphology in Peperomia species with giant chloroplasts, plasmatic connections between chloroplasts (stromules) were observed under the light microscope and in the absence of tissue fixation or GFP overexpression demonstrating the relevance of these structures in vivo. Furthermore, bacteria-like microorganisms were discovered within Peperomia cells, suggesting that this genus provides an interesting model not only for studying plastid biology but also for investigating plant-microbe interactions.
N2  - Pflanzliche Gentechnik spielt sowohl in der Grundlagenforschung als auch der Biotechnologie eine große Rolle. Allerdings bringt die landwirtschaftliche Nutzung gentechnisch veränderter Pflanzen (GM) ökologische Umweltrisiken mit sich, wie z.B. die Kreuzung GM Pflanzen mit sexuell kompatiblen Verwandten durch Fremdbestäubung. Gegenüber den Kerntransformanden haben Plastidtransformanden für die biotechnologische Nutzung große Vorteile, unter anderem da die Vererbung des Plastidgenoms bei höheren Angiospermen ausschließlich maternal geschieht. Somit kann ein Gentransfer transplastomischer Pflanzen über Pollen ausgeschlossen werden. Zuverlässige in-vitro-Regenerationssysteme, die wiederholte Regenerationsrunden erlauben, sind von großem Wert für die Etablierung der Plastidentransformationstechnologie. Trotz Sein die Hauptgetreidenahrungsmittel der Welt, Zerealie Pflanzen gehören zu schwierigsten in der Gewebekultur zu handeln, die Annäherungen der genetischen Technik streng begrenzt. Im Mais werden hauptsächlich junge zygotische Embryonen für die Herstellung der Regenerations-kompetenten Kalluskulturen benutzt. Der Arbeitsaufwand dafür ist hoch und die Prozedur schwierig und von den Gewächshausbedingungen abhängig. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Gewebekultursysteme für Mais etabliert, welches junge Blattgewebe nutzt und somit unabhängig von Embryonen und Gewächshaus ist. Weiterhin wurden die aus Blättern gebildeten Kalluskulturen für die Generierung der genetisch veränderten Maispflanzen benutzt. Ebenso wurden verschiedene Selektionsmethoden für die Entwicklung eines Plastidentransformationssystems in Mais getestet. Jedoch konnten keine transplastomischen Maispflanzen erhalten werden. Sowohl die möglichen Ursachen als auch Vorschläge für weiterführende Versuche diesbezüglich werden im Rahmen dieser Arbeit diskutiert. Dennoch stellt diese Arbeit den ersten wesentlichen Schritt für die Entwicklung eines Plastidentransformationssystems in Mais vor. In einem zweiten Teil dieses Projekts wird die erfolgreiche Integration der Narzissen Phytoene Synthase in das Maisgenom durch das neu entwickelte nukleäre Transformationssystem gezeigt. Dadurch konnte eine signifikante Steigerung um 17% des Gesamtcarotinoid- und 21% des Beta-Carotengehalts in Maisblättern beobachtet werden. Schließlich wurden Fortschritte für die Entwicklung eines Transformationssystems für Peperomia (Piperaceae) durch die Etablierung eines Regenerationssystems aus Blättern gemacht. Außerdem wurden Faktoren, die die Plastidengröße und –zahl bestimmen, untersucht. Diese Ergebnisse geben Hinweise darauf, dass die Organellengröße und –zahl eher gewebespezifisch als in Abhängigkeit vom Plastidentyp reguliert wird.
KW  - Mais
KW  - genetische Manipulation
KW  - Regeneratin
KW  - Plastid
KW  - Maize
KW  - Genetic transformation
KW  - Regeneration
KW  - Plastid
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-14572
ER  -