TY  - THES
A1  - Hoffmann, Toni
T1  - Cloning and characterisation of the HMA3 gene and its promoter from Arabidopsis halleri (L.) O'Kane and Al'Shehbaz and Arabidopsis thaliana (L.) Heynhold
T1  - Klonierung und Charakterisierung des HMA3 Genes und seines Promotors aus Arabidopsis halleri (L.) O'Kane und Al'Shehbaz und Arabidopsis thaliana (L.) Heynhold
N2  - Being living systems unable to adjust their location to changing environmental conditions, plants display homeostatic networks that have evolved to maintain transition metal levels in a very narrow concentration range in order to avoid either deficiency or toxicity. Hence, plants possess a broad repertoire of mechanisms for the cellular uptake, compartmentation and efflux, as well as for the chelation of transition metal ions. A small number of plants are hypertolerant to one or a few specific transition metals. Some metal tolerant plants are also able to hyperaccumulate metal ions. The Brassicaceae family member Arabidopis halleri ssp. halleri (L.) O´KANE and AL´SHEHBAZ is a hyperaccumulator of zinc (Zn), and it is closely related to the non-hypertolerant and non-hyperaccumulating model plant Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD. The close relationship renders A. halleri a promising emerging model plant for the comparative investigation of the molecular mechanisms behind hypertolerance and hyperaccumulation. Among several potential candidate genes that are probably involved in mediating the zinc-hypertolerant and zinc-hyperaccumulating trait is AhHMA3. The AhHMA3 gene is highly similar to AtHMA3 (AGI number: At4g30120) in A. thaliana, and its encoded protein belongs to the P-type IB ATPase family of integral membrane transporter proteins that transport transition metals. In contrast to the low AtHMA3 transcript levels in A. thaliana, the gene was found to be constitutively highly expressed across different Zn treatments in A. halleri, especially in shoots. In this study, the cloning and characterisation of the HMA3 gene and its promoter from Arabidopsis halleri (L.) O´KANE and AL´SHEHBAZ and Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD is described. Heterologously expressed AhHMA3 mediated enhanced tolerance to Zn and to a much lesser degree to cadmium (Cd) but not to cobalt (Co) in metal-sensitive mutant strains of budding yeast. It is demonstrated that the genome of A. halleri contains at least four copies of AhHMA3, AhHMA3-1 to AhHMA3-4. A copy-specific real-time RT-PCR indicated that an AhHMA3-1 related gene copy is the source of the constitutively high transcript level in A. halleri and not a gene copy similar to AhHMA3-2 or AhHMA3-4. In accordance with the enhanced AtHMA3mRNA transcript level in A. thaliana roots, an AtHMA3 promoter-GUS gene construct mediated GUS activity predominantly in the vascular tissues of roots and not in shoots. However, the observed AhHMA3-1 and AhHMA3-2 promoter-mediated GUS activity in A. thaliana or A. halleri plants did not reflect the constitutively high expression of AhHMA3 in shoots of A. halleri. It is suggested that other factors e. g. characteristic sequence inserts within the first intron of AhHMA3-1 might enable a constitutively high expression. Moreover, the unknown promoter of the AhHMA3-3 gene copy could be the source of the constitutively high AhHMA3 transcript levels in A. halleri. In that case, the AhHMA3-3 sequence is predicted to be highly homologous to AhHMA3-1. The lack of solid localisation data for the AhHMA3 protein prevents a clear functional assignment. The provided data suggest several possible functions of the AhHMA3 protein: Like AtHMA2 and AtHMA4 it might be localised to the plasma membrane and could contribute to the efficient translocation of Zn from root to shoot and/or to the cell-to-cell distribution of Zn in the shoot. If localised to the vacuolar membrane, then a role in maintaining a low cytoplasmic zinc concentration by vacuolar zinc sequestration is possible. In addition, AhHMA3 might be involved in the delivery of zinc ions to trichomes and mesophyll leaf cells that are major zinc storage sites in A. halleri.
N2  - Pflanzen sind lebende Systeme, die nicht in der Lage sind ihren Standort sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen. Infolgedessen weisen Pflanzen homöostatischeNetzwerke auf, welche die Mengen an intrazellulären Übergangsmetallen in einem sehr engen Konzentrationsbereich kontrollieren um somit Vergiftungs- oder Mangelerscheinungen zu vermeiden. Eine kleine Anzahl von Pflanzen ist hypertolerant gegenüber einem oder mehreren Übergangsmetallen. Einige wenige dieser metalltoleranten Pflanzen sind fähig Übergangsmetalle in beträchtlichen Mengen zu speichern, sprich zu hyperakkumulieren, ohne Vergiftungserscheinungen zu zeigen. Die Haller’sche Schaumkresse (Arabidopis halleri ssp. halleri (L.) O´KANE und AL´SHEHBAZ) aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ist ein solcher Hyperakkumulator für Zink (Zn). Sie ist nah verwandt mit der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD), die jedoch nicht-hypertolerant und nicht-hyperakkumulierend für Übergangsmetalle ist. Diese nahe Verwandtschaft erlaubt vergleichende Studien der molekularen Mechanismen, die Hypertoleranz und Hyperakkumulation zu Grunde liegen. Zu der Gruppe von Kandidatengenen, die möglicherweise von Bedeutung für die Zink-hypertoleranten und -hyperakkumulierenden Eigenschaften von A. halleri sind, gehört AhHMA3, ein Gen mit großer Ähnlichkeit zu AtHMA3 (AGI Nummer: At4g30120) aus A. thaliana. Es kodiert ein Protein aus der Familie transmembraner Übergangsmetall-Transportproteine, den P-typ IB ATPasen. Im Gegensatz zu den niedrigen AtHMA3 Transkriptmengen in A. thaliana wird das AhHMA3 Gen in A. halleri in Gegenwart verschiedener Zn Konzentrationen konstitutiv hoch exprimiert, insbesondere im Spross der Pflanze. Diese Arbeit beschreibt die Klonierung und Charakterisierung des HMA3 Gens und seines Promoters aus A. halleri und A. thaliana. Es wurde gezeigt, dass heterolog exprimiertes AhHMA3 Protein in metallsensitiven Hefestämmen eine erhöhte Toleranz gegenüber Zink und zu einem geringen Grad gegenüber Kadmium (Cd) jedoch nicht gegenüber Kobalt (Co) vermittelt.Weiterhin wurden im Genom von A. halleri mindestens vier AhHMA3 Genkopien, AhHMA3-1 bis AhHMA3-4, nachgewiesen. Eine Genkopie-spezifische Echtzeit-RT-PCR (real-time RT-PCR) deutete darauf hin, dass eine zu AhHMA3-1 und nicht zu AhHMA3-2 oder AhHMA3-4 ähnliche Genkopie die Quelle der konstitutiv hohen Transkriptmengen in A. halleri ist. In Übereinstimmung mit erhöhten mRNS Transkriptmengen inWurzeln von A. thaliana, vermittelte ein AtHMA3 Promoter-GUS (ß-Glucuronidase) Genkonstrukt GUS-Aktivität hauptsächlich in den Leitgeweben der Wurzeln jedoch nicht des Sprosses. Die vermittelte GUS-Aktivität durch Promoterfragmente von AhHMA3-1 und AhHMA3-2 in A. thaliana oder A. halleri Pflanzen spiegelte jedoch nicht die konstitutiv hohe AhHMA3 Expression im Spross von A. halleri wieder. Es wird vermutet, dass andere Faktoren die konstitutiv hohe Expression ermöglichen wie zum Beispiel die gefundenen kopiespezifischen Sequenzinsertionen innerhalb des ersten AhHMA3-1 Introns. Weiterhin ist es denkbar, dass der unbekannte Promoter der AhHMA3-3 Genkopie die Quelle der konstitutiv hohen AhHMA3 Transkriptmengen ist. In diesem Fall wird eine sehr hohe Ähnlichkeit zwischen den Sequenzen von AhHMA3-3 und der AhHMA3-1 vorhergesagt. Es konnten keine deutlichen Ergebnisse zur intrazellulären Lokalisierung gemacht werden, die eine exakte Einordnung der Funktion des AhHMA3 Proteins erlauben würden. Die bisher ermittelten Ergebnisse schlagen jedoch mehrere mögliche Funktionen für AhHMA3 vor: Ähnlich den AhHMA3 homologen Proteinen, AtHMA2 und AtHMA4, könnte AhHMA3 in der Plasmamembran der Zelle sitzen und dort zur effizienten Translokation von Zink aus der Wurzel in den Spross und/oder zur Zell-zu-Zell Verteilung von Zn im Spross beitragen. Falls AhHMA3 in der Membran der Vakuole sitzt, könnte es eine Rolle bei der Aufrechterhaltung niedriger zytoplasmatischer Zinkkonzentrationen durch vakuoläre Zinksequestrierung spielen. Zusätzlich ist es denkbar, dass AhHMA3 an der Abgabe von Zinkionen an Trichome und Blattmesophyllzellen beteiligt ist, die die Haupteinlagerungsorte für Zink in A. halleri darstellen.
KW  - P-Typ ATPase
KW  - Übergangsmetalle
KW  - Hyperakkumulation
KW  - Zink
KW  - HMA
KW  - p-type ATPase
KW  - transition metals
KW  - hyperaccumulation
KW  - zinc
KW  - HMA
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15259
ER  - 
TY  - THES
A1  - Köchert, Karl
T1  - Development of a method to assess EAAT1 transcription levels in Alzheimer's disease
N2  - Zur Zeit leiden ca. 24 Millionen Menschen auf der ganzen Welt unter Demenz, Alzheimer macht dabei 50-60% aller Demenzfälle aus. Da der Anteil der Bevölkerung, der an Demenz leidet, proportional zum Alter zunimmt und der Anteil älterer Menschen in der Gesellschaft von Jahr zu Jahr steigt, wird Alzheimer immer mehr zu einem ernstzunehmenden, gesellschaftlichen Problem. Zum Stand der heutigen Forschung ist es etabliert, dass die Aminosäure Glutamat - quantitativ einer der wichtigsten Neurotransmitter im Zentralen Nervensystem (ZNS) - toxische Konzentrationen erreichen kann wenn sie - im Zuge der Übertragung von Aktionspotentialen - nach ihrer Freisetzung nicht aus dem Synaptischen Spalt entfernt wird. Viele Studien haben gezeigt, dass in der Alzheimerschen Krankheit die Glutamataufnahme beeinträchtigt ist, was zu toxischen Konzentrationen von Glutamat und dem daraus folgenden Absterben von Neuronen führt. Der exitatorische Aminosäuretransporter 1 (EAAT1) gehört zu der Familie der Na+-abhängigen Glutamattransporter und stellt nach EAAT2 den quantitativ wichtigsten Glutamattransporter im ZNS dar. In diesem Projekt wurde eine bis dahin für den Menschen nicht bekannte EAAT1 Spleißvariante, in der Exon 3 ausgeschnitten wird, nachgewiesen. Diese Variante wurde EAAT1Δ3 genannt und stellt damit mit EAAT1Δ9 die zweite für EAAT1 nachgewiesene Spleißvariante dar. Eine auf real-time RT-PCR basierende Methode wurde entwickelt, um die Transkripte von EAAT1 wildtyp (EAAT1 wt), EAAT1Δ3 und EAAT1Δ9 zu quantifizieren. Proben aus verschiedenen Hirnarealen wurden aus einem Set von Kontrollen und Alzheimerfällen bei der Quantifizierung verwendet. Die gewählten Areale sind von der Alzheimerschen Krankheit unterschiedlich stark betroffen. Dies diente als interne Kontrolle für die durchgeführten Experimente und ermöglichte so die Differenzierung zwischen beobachteten Effekten: Nur Effekte die alleinig in von Alzheimer betroffenen Gehirnarealen auftreten, können als spezifisch für die Krankheit angesehen werden. Die Resultate diese Projektes zeigen, dass EAAT1Δ3 in sehr geringer Anzahl transkribiert wird, die nur 0.15% der EAAT1 wt Transkription entspricht. Dahingegen entspricht das EAAT1 Δ9 Transkript im Durchschnitt 26.6% des EAAT1 wt Transkripts. Es wurde nachgewiesen, dass die Transkriptionsrate aller EAAT1 Varianten in Alzheimerfällen signifikant reduziert ist (P<0.0001). Dies unterstützt die Theorie, dass bei Alzheimerfällen die EAAT1 Proteinexpression stark reduziert und der Glutamattransport, der normalerweise durch diesen Transporter gewährleistet wird, stark eingeschränkt ist. Dies wiederum resultiert in toxisch hohen Glutamatkonzentrationen und damit dem Absterben von Neuronen. Die gefundene Reduktion der EAAT1Transkription ist nicht spezifisch für Gehirnareale die von Alzheimer betroffen sind, sondern tritt in selbem Maße in nicht von Alzheimer betroffenen Gehirnarealen auf. Daraus lässt sich schließen, dass die Reduktion der EAAT1 Transkription eher ein Resultat eines in der Alzheimerschen Krankheit präsenten, grundlegenden Krankheitsmechanismus ist als deren Ursache.
N2  - Today about 24 Million people worldwide suffer from dementia, Alzheimer’s Disease accounts for approximately 50-60% of all dementia cases. As the prevalence of dementia grows with increasing age Alzheimer’s Disease becomes more and more of an issue for society as the proportion of elderly people increases from year to year. It is well established, that the amino acid glutamate - quantitatively being the most important neurotransmitter in the central nervous system (CNS) - may reach toxic concentrations if not cleared from the synaptic cleft into which it is released during transmittance of action potentials. In Alzheimer’s Disease there is strong evidence for a generally impaired glutamate uptake system which in turn is thought to result in toxic levels of the amino acid with the potential to kill off neurons. The excitatory amino acid transporter 1 (EAAT1) belongs to the family of Na+-dependent glutamate transporter and accounts together with EAAT2 for most of the glutamate uptake in the CNS. In this project a new splice variant of EAAT1, skipping exon 3 was detected in human brain samples and subsequently called EAAT1Δ3, this being the second splice variant found after the recent detection of EAAT1Δ9. A method was developed to quantify the transcript of EAAT1 wt, EAAT1Δ3 and EAAT1Δ9 by means of real-time PCR. Samples were taken from different brain areas of a set of control and AD cases. The areas chosen for examination are affected differently in Alzheimer’s Disease, this was used an internal control for the experiments done in this project as to determine whether any effect observed is specific for AD, i.e. AD affected areas or is generally seen in all areas examined. The results of this project show that EAAT1Δ3 is transcribed in very low copy numbers making up a proportion of 0.15% of EAAT1 wt whereas EAAT1Δ9 is transcribed in a considerably large proportion of EAAT1 wt of 26.6%. It was moreover found that all EAAT1 variants are transcribed at significantly lower rates (P<0.0001) in AD cases, supporting the theory that EAAT1 protein expression is reduced to a point where glutamate uptake normally mediated by this transporter is impaired. This in turn is thought to result in toxic levels glutamate accounting for neuronal loss in the disease. No area-dependent effects were found, suggesting that the reduction of EAAT1 transcription is rather a result of an underlying general mechanism present in AD. Further research will have to be done to assess the degree of EAAT1 expression in AD and whether those future findings match with the result of this project.
KW  - Morbus Alzheimer
KW  - Glutamat
KW  - EAAT1
KW  - Spleißvariante
KW  - Alzheimer's Disease
KW  - Glutamate
KW  - EAAT1
KW  - Splice Variant
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15965
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagner, Dirk
T1  - Microbial perspectives of the methane cycle in permafrost ecosystems in the Eastern Siberian Arctic : implications for the global methane budget
N2  - The Arctic plays a key role in Earth’s climate system as global warming is predicted to be most pronounced at high latitudes and because one third of the global carbon pool is stored in ecosystems of the northern latitudes. In order to improve our understanding of the present and future carbon dynamics in climate sensitive permafrost ecosystems, the present study concentrates on investigations of microbial controls of methane fluxes, on the activity and structure of the involved microbial communities, and on their response to changing environmental conditions. For this purpose an integrated research strategy was applied, which connects trace gas flux measurements to soil ecological characterisation of permafrost habitats and molecular ecological analyses of microbial populations. Furthermore, methanogenic archaea isolated from Siberian permafrost have been used as potential keystone organisms for studying and assessing life under extreme living conditions. Long-term studies on methane fluxes were carried out since 1998. These studies revealed considerable seasonal and spatial variations of methane emissions for the different landscape units ranging from 0 to 362 mg m-2 d-1. For the overall balance of methane emissions from the entire delta, the first land cover classification based on Landsat images was performed and applied for an upscaling of the methane flux data sets. The regionally weighted mean daily methane emissions of the Lena Delta (10 mg m-2 d-1) are only one fifth of the values calculated for other Arctic tundra environments. The calculated annual methane emission of the Lena Delta amounts to about 0.03 Tg. The low methane emission rates obtained in this study are the result of the used remotely sensed high-resolution data basis, which provides a more realistic estimation of the real methane emissions on a regional scale. Soil temperature and near soil surface atmospheric turbulence were identified as the driving parameters of methane emissions. A flux model based on these variables explained variations of the methane budget corresponding to continuous processes of microbial methane production and oxidation, and gas diffusion through soil and plants reasonably well. The results show that the Lena Delta contributes significantly to the global methane balance because of its extensive wetland areas. The microbiological investigations showed that permafrost soils are colonized by high numbers of microorganisms. The total biomass is comparable to temperate soil ecosystems. Activities of methanogens and methanotrophs differed significantly in their rates and distribution patterns along both the vertical profiles and the different investigated soils. The methane production rates varied between 0.3 and 38.9 nmol h-1 g-1, while the methane oxidation ranged from 0.2 to 7.0 nmol h-1 g-1. Phylogenetic analyses of methanogenic communities revealed a distinct diversity of methanogens affiliated to Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae and Methanosaetaceae, which partly form four specific permafrost clusters. The results demonstrate the close relationship between methane fluxes and the fundamental microbiological processes in permafrost soils. The microorganisms do not only survive in their extreme habitat but also can be metabolic active under in situ conditions. It was shown that a slight increase of the temperature can lead to a substantial increase in methanogenic activity within perennially frozen deposits. In case of degradation, this would lead to an extensive expansion of the methane deposits with their subsequent impacts on total methane budget. Further studies on the stress response of methanogenic archaea, especially Methanosarcina SMA-21, isolated from Siberian permafrost, revealed an unexpected resistance of the microorganisms against unfavourable living conditions. A better adaptation to environmental stress was observed at 4 °C compared to 28 °C. For the first time it could be demonstrated that methanogenic archaea from terrestrial permafrost even survived simulated Martian conditions. The results show that permafrost methanogens are more resistant than methanogens from non-permafrost environments under Mars-like climate conditions. Microorganisms comparable to methanogens from terrestrial permafrost can be seen as one of the most likely candidates for life on Mars due to their physiological potential and metabolic specificity.
N2  - Die Arktis spielt eine Schlüsselrolle im Klimasystem unserer Erde aus zweierlei Gründen. Zum einen wird vorausgesagt, dass die globale Erwärmung in den hohen Breiten am ausgeprägtesten sein wird. Zum anderen ist ein Drittel des globalen Kohlenstoffs in Ökosystemen der nördlichen Breiten gespeichert. Um ein besseres Verständnis der gegenwärtigen und zukünftigen Entwicklung der Kohlenstoffdynamik in klimaempfindlichen Permafrostökosystemen zu erlangen, konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Untersuchungen zur Kontrolle der Methanflüsse durch Mikroorganismen, auf die Aktivität und Struktur der beteiligten Mikroorganismen-gemeinschaften und auf ihre Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen. Zu diesem Zweck wurde eine integrierte Forschungsstrategie entwickelt, die Spurengasmessungen mit boden- und molekularökologischen Untersuchungen der Mikroorganismengemeinschaften verknüpft. Langzeitmessungen zu den Methanflüssen werden seit 1998 durchgeführt. Diese Untersuchungen zeigten beträchtliche saisonale und räumliche Schwankungen der Methanemissionen auf, die zwischen 0 und 362 mg m-2 d-1 für die untersuchten Landschaftseinheiten schwankten. Für die Bilanzierung der Methanemissionen für das gesamte Delta wurde erstmals eine Klassifikation der unterschiedlichen Landschaftseinheiten anhand von Landsat-Aufnahmen durchgeführt und für eine Hochrechnung der Methandaten genutzt. Die Mittelwerte der regional gewichteten täglichen Methanemissionen des Lenadeltas (10 mg m-2 d-1) sind nur ein Fünftel so hoch wie die berechneten Werte für andere arktische Tundren. Die errechnete jährliche Methanemission des Lenadeltas beträgt demnach ungefähr 0,03 Tg. Die geringen Methanemissionsraten dieser Studie können durch den bisher noch nicht realisierten integrativen Ansatz, der Langzeitmessungen und Landschafts-klassifizierungen beinhaltet, erklärt werden. Bodentemperatur und oberflächennahe atmosphärische Turbulenzen wurden als die antreibenden Größen der Methanfreisetzung identifiziert. Ein Modell, das auf diesen Variablen basiert, erklärt die Veränderungen der Methanflüsse gemäß der dynamischen mikrobiellen Prozesse und der Diffusion von Methan durch den Boden und die Pflanzen zutreffend. Die Ergebnisse zeigen, dass das Lenadelta erheblich zur globalen Methanemission aufgrund seiner weitreichenden Feuchtgebiete beiträgt. Die mikrobiologischen Untersuchungen zeigten, dass Permafrostböden durch eine hohe Anzahl von Mikroorganismen besiedelt wird. Die Gesamtbiomasse ist dabei mit Bodenökosystemen gemäßigter Klimate vergleichbar. Die Stoffwechselaktivitäten von methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien unterschieden sich erheblich in ihrer Rate und Verteilung im Tiefenprofil sowie zwischen den verschiedenen untersuchten Böden. Die Methanbildungsrate schwankte dabei zwischen 0,3 und 38,9 nmol h-1 g-1, während die Methanoxidation eine Rate von 0,2 bis 7,0 nmol h-1 g-1 aufwies. Phylogenetische Analysen der methanogenen Mikro-organismengemeinschaften zeigten eine ausgeprägte Diversität der methanogenen Archaeen auf. Die Umweltsequenzen bildeten vier spezifische Permafrostcluster aus, die den Gruppen Methanomicrobiaceae, Methanosarcinaceae und Methano-saetaceae zugeordnet werden konnten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Methanfreisetzung durch die zugrunde liegenden mikrobiologischen Prozesse im Permafrostboden gesteuert wird. Die beteiligten Mikroorganismen überleben nicht nur in ihrem extremen Habitat, sondern zeigten auch Stoffwechselaktivität unter in-situ-Bedingungen. Ferner konnte gezeigt werden, dass eine geringfügige Zunahme der Temperatur zu einer erheblichen Zunahme der Methanbildungsaktivität in den ständig gefrorenen Permafrostablagerungen führen kann. Im Falle der Permafrostdegradation würde dieses zu einer gesteigerten Freisetzung von Methan führen mit bisher unbekannten Auswirkungen auf das Gesamtbudget der Methanfreistzung aus arktischen Gebieten. Weitere Untersuchungen zur Stresstoleranz von methanogenen Archaeen – insbesondere des neuen Permafrostisolates Methanosarcina SMA-21 - weisen eine unerwartete Widerstandsfähigkeit der Mikroorganismen gegenüber ungünstigen Lebensbedingungen auf. Eine bessere Anpassung an Umweltstress wurde bei 4°C im Vergleich zu 28°C beobachtet. Zum ersten Mal konnte gezeigt werden, dass methanogene Archaeen aus terrestrischem Permafrost unter simulierten Marsbedingungen unbeschadet überleben. Die Ergebnisse zeigen, dass methanogene Archaeen aus Permafrostböden resistenter gegenüber Umweltstress und Marsbedingungen sind als entsprechende Mikroorganismen aus Habitaten, die nicht durch Permafrost gekennzeichnet sind. Mikroorganismen, die den Archaeen aus terrestrischen Permafrosthabitaten ähneln, können als die wahrscheinlichsten Kandidaten für mögliches Leben auf dem Mars angesehen werden.
KW  - Methankreislauf
KW  - mikrobielle Prozesse
KW  - Diversität
KW  - Spurengasflüsse
KW  - Permafrostökosysteme
KW  - methane cycle
KW  - microbial processes
KW  - diversity
KW  - trace gas fluxes
KW  - permafrost ecosystems
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Senger, Toralf
T1  - Untersuchungen zur Metallhomöostase in Arabidopsis thaliana
T1  - Investigations to study metal homeostasis in Arabidopsis thaliana
N2  - Alle Organismen sind für ihr Überleben auf Metalle angewiesen. Hierbei gibt es für jedes Metall einen Konzentrationsbereich, der das Optimum zwischen Metallmangel, -bedarf und -toxizität darstellt. Es gilt mittlerweile als erwiesen, dass alle Organismen zur Aufrechterhaltung des Metallgleichgewichts ein komplexes Netzwerk von Proteinen und niedermolekularen Verbindungen entwickelt haben. Die molekularen Komponenten dieses Netzwerks sind nur zu einem Teil bekannt und charakterisiert: In den letzten Jahren wurden einige Proteinfamilien identifiziert, deren Mitglieder Metalle durch Lipidmembranen transportieren. Eine dieser Metalltransporterfamilien ist die Cation Diffusion Facilitator (CDF)-Familie: Alle charakterisierten Mitglieder exportieren Metalle aus dem Zytoplasma – entweder in zelluläre Kompartimente oder aus der Zelle heraus. Von den zwölf Mitgliedern dieser Familie in Arabidopsis thaliana (A. thaliana) – Metall Toleranz Protein (MTP)-1 bis -12 – wurden bisher AtMTP1 und AtMTP3 charakterisiert. In dieser Arbeit wird die Charakterisierung von AtMTP2 beschrieben. Wie die homologen Proteine AtMTP1 und AtMTP3 führt AtMTP2 zu Zn-Toleranz, wenn es heterolog in Zn-sensitiven Hefemutanten exprimiert wird. Mit AtMTP2 transformierte Hefemutanten zeigten darüber hinaus erhöhte Co-Toleranz. Expression von chimären AtMTP2/GFP Fusionsproteinen in Hefe, A.thaliana protoplasten und in stabil transformierten A.thalinana Planzenlinien deutet auf Lokalisation of AtMTP2 in Membranen des Endoplasmatischen Retikulums (ER) hin, wenn GFP an den C-Terminus von MTP2 fusioniert wird. Fusion of GFP an den N-Terminus von AtMTP2 führte zu Lokalisation in der vakuolären Membran, was wahrscheinlichsten auf Fehllokalisierung durch Maskierung eines ER-Retentionsmotivs (XXRR) am N-Terminus von AtMTP2 zurückgeht. Dies legt nahe, dass AtMTP2 die erwähnten Metalle in das Endomembransystem der Zelle transportieren kann. Eine gewebespezifische Lokalisierung wurde mit Pflanzen durchgeführt, die das β-Glucuronidase (GUS)-Reporterprotein bzw. chimäre Fusionsproteine aus EGFP und AtMTP2 unter Kontrolle des nativen pMTP2-Promotors exprimierten. Diese Experimente bestätigten zum einen, dass der pMTP2-Promotor nur unter Zn-Defizienz aktiv ist. GUS-Aktivität wurde unter diesen Bedingungen in zwei Zonen der Wurzelspitze beobachtet: in den isodiametrischen Zellen der meristematischen Zone und in der beginnenden Wurzelhaarzone. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die EGFP-Fusionsproteine unter Kontrolle des nativen pMTP2-Promotors nur in epidermalen Zellen exprimiert werden. Für eine homozygote Knockout- Linie, mtp2-S3, konnte bisher kein eindeutiger Phänotyp identifiziert werden. Auf Grundlage der bisher durchgeführten Charakterisierung von AtMTP2 erscheinen zwei Modelle der Funktion von AtMTP2 in der Pflanze möglich: AtMTP2 könnte essentiell für die Versorgung des ER mit Zn unter Zn-Mangelbedingungen sein. Hierfür spricht, dass AtMTP2 in jungen, teilungsaktiven und damit Zn-benötigenden Wurzelzonen exprimiert wird. Die auf die Epidermis beschränkte Lokalisation könnte bei diesem Modell auf die Möglichkeit der zwischenzellulären Zn-Verteilung innerhalb des ER über Desmotubules hindeuten. Alternativ könnte AtMTP2 eine Funktion bei der Detoxifizierung von Zn unter Zn-Schock Bedingungen haben: Es ist bekannt, dass unter Zn- Mangelbedingungen die Expression der zellulären Zn-Aufnahmesysteme hochreguliert wird. Wenn nun die Zn-Verfügbarkeit im Boden z. B durch eine pH-Änderung innerhalb kurzer Zeit stark ansteigt, besteht die Notwendigkeit der Entgiftung von Zn innerhalb der Zelle, bis der starke Einstrom von Zn ins Zytoplasma durch die Deaktivierung der Zn-Aufnahmesysteme und einer geringeren Expression in der Pflanze gedrosselt ist. Ein ähnlicher Mechanismus wurde in der Bäckerhefe S. cerevisae beschrieben, in der darüber hinaus ein Zn-Transporter verstärkt exprimiert wird, der Zn durch Transport in die Vakuole entgiften kann. Es ist durchaus möglich, dass in Arabidopsis AtMTP2 die Zn-Detoxifizierung unter diesen speziellen Bedingungen durch Zn-Transport in das ER oder die Vakuole vermittelt. Zur Identifikation weiterer Komponenten des Metallhomöostasenetzwerks sind verschiedene Ansätze denkbar. In dieser Arbeit wurde in Hefe ein heterologer Screen durchgeführt, um Interaktoren für vier Mitglieder der Arabidopsis-CDF-Familie zu identifizieren. Unter den 11 im Hefesystem bestätigten Kandidaten befindet sich mit AtSPL1 ein AtMTP1-Interaktionskandidat, der möglicherweise eine Rolle bei der Cu-,Zn-Homöostase spielt. Als wahrscheinliche AtMTP3-Interaktionskandidaten wurde die c”-Untereinheit der vakuolären H+-ATPase AtVHA identifiziert sowie mit AtNPSN13 ein Protein, das vermutlich eine Rolle bei Fusionen von Vesikeln mit Zielmembranen spielt. Ein anderer Ansatz zur Identifikation neuer Metallhomöostasegene ist die vergleichende Elementanalyse von natürlichen oder mutagenisierten Pflanzenpopulationen. Voraussetzung für diesen Ansatz ist die schnelle und genaue Analyse des Elementgehalts von Pflanzen. Eine etablierte Methode zur simultanen Bestimmung von bis zu 65 Elementen in einer Probe ist die Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). Der limitierende Faktor für einen hohen Probendurchsatz ist die Notwendigkeit, Proben für die Analyse zu verflüssigen. Eine alternative Methode der Probenzuführung zum Analysegerät ist die elektrothermale Verdampfung (ETV) der Probe. Zur weitgehend automatisierten Analyse von Pflanzenmaterial mit minimiertem Arbeitsaufwand wurde eine Methode entwickelt, die auf der Kopplung der ETV mit der ICP OES basiert.
N2  - All organisms require for their survival essential metals. For each required metal exists an optimal concentration between metal deficiency and -toxicity. It has become evident that all organisms developed a complex network of proteins and low molecular compounds to maintain the equilibrium between all metals. Only few molecular components of this metal-homeostasis network are characterized in detail: A number of protein families whose members transport metals over the barrier of lipid-membranes have been identified during the last couple of years. One of those metal-transport families is the Cation Diffusion Facilitator (CDF) family. All characterized members export metals from the cytoplasm – either into cellular compartments or outside the cell. From the 12 Arabidopsis thaliana (A.thaliana) members – Metal Tolerance Protein (MTP)-1 to 1-2 – only MTP1 and MTP3 have been characterized yet. In this work, characterization of MTP2 is described. As was found for the homologous proteins AtMTP1 and AtMTP3, heterologous expression of AtMTP2 in Zn-sensitive yeast mutants leads to enhanced Zn-tolerance. Less pronounced, enhanced tolerance was also found for Co when AtMTP2 was expressed in Co sensitive yeast mutants. Expression of chimeric AtMTP2/GFP fusion proteins in yeast, A.thaliana protoplasts and in stably transformed A.thalinana plant lines indicated localization of MTP2 in membranes of the endoplasmic reticulum, when GFP was fused to the C-terminal end of MTP2. Fusion of GFP to the N-terminal end of MTP2 lead to vacuolar localization that is most likely explained as mistargeting due to masking of an ER retrieval motive (XXRR) found at the N-terminus of MTP2. This suggests that AtMTP2 mediates the transport of Zn and Co into the endomembrane system of the cell. Tissue specific localization was performed with plant lines expressing the β-Glucuronidase (GUS) reporter protein and with plant lines expressing chimeric fusions of GFP with AtMTP2 under control of the native pMTP2 promoter. Those experiments confirmed Affymetrix Genechip® data suggesting activity of the pMTP2 promoter only under Zn-deficiency. GUS activity was only found under Zn-deficiency in two zone of root tips – the meristematic zone, characterized by isodiamtric cells, and in the beginning differentiation zone, characterized by appearing root hairs. Confocal microscopy with plant lines expressing chimeric MTP2 /GFP fusions demonstrated that expression of AtMTP2 is restricted to epidermal cells. A phenotype for the homozygous mtp2-S3 knockout mutant could not be identified yet. Based on the data obtained as yet , two mode of action of AtMTP2 in planta seam likely: AtMTP2 could be essential for delivery of Zn to the ER under Zn-deficiency. This is supported by the fact, that AtMTP2 is active in young, dividing (and therefore Zn-requiring) zones of the root. The epidermal-restricted expression of AtMTP2 points towards a distribution of Zn in these root zones of Zn within desmotubules. Alternatively, AtMTP2 could have a Zn-detoxifying function under Zn-shock. It is known that in yeast under Zn-deficiency not only the expression of an Zn-uptake transporter is up-regulated, but also the expression of a vacuolar Zn-transporter. It mediates Zn-detoxification of surplus Zn that enters cells upon Zn-resupply before shut down of the Zn uptake system. AtMTP2 could exert this function when soil Zn-availability raises suddenly, for example due to rain after a drought. Different means/methods are perceivable to identify further components of the metal homeostasis network. In this work, a heterologuos screen was performed in yeast to identify interacting proteins for four members of the Arabidopsis CDF-family. Among 11 candidates identified and confirmed in the Split Ubiquitin System (SUS, a Yeast-2-Hybrid variant) is with AtSPL1 an AtMTP1 interaction candidate, which plays putatively a role in Zn,Cu homoestasis. The c” subunit of the vacuolar H+-ATPase AtVHA was found as likely AtMTP3-interaction candidate, as well as AtNPSN13, an protein that plays putatively a role in fusion of vesicles with target-membranes. Another method to identify new metal homeostasis genes is the comparative elemental analysis of natural and mutagenized plant populations. Prerequisite for this approach is the fast and accurate analysis of the elemental composition of plants. An established method for elemental analysis is Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry (ICP OES). The limiting factor for high thoughput is the requirement for laborious wet digest of plant samples before analysis. An alternative mean of sample delivery to the ICP OES is electrothermal vaporization (ETV). For faster, less laborious analysis of plant material, a method based on the established coupling of ETV with ICP OES was developed, which is optimized for plant material and automated as far as possible.
KW  - CDF
KW  - MTP
KW  - MTP1
KW  - MTP2
KW  - MTP3
KW  - Interaktoren
KW  - Split Ubiquitin
KW  - ETV
KW  - ICP OES
KW  - CDF
KW  - MTP
KW  - MTP1
KW  - MTP2
KW  - MTP3
KW  - Interactors
KW  - Split Ubiquitin
KW  - ETV
KW  - ICP OES
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-13234
ER  -