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Overproduction of Chl b retards senescence through transcriptional reprogramming in arabidopsis
(2012)
Leaf senescence is a developmentally and environmentally regulated process which includes global changes in gene expression. Using Arabidopsis as a model, we modified Chl arrangement in photosystems by overexpressing the catalytic domain (the C domain) of chlorophyllide a oxygenase (CAO) fused with the linker domain (the B domain) of CAO and green fluorescent protein (GFP). In these plants (referred to as the BCG plants for the B and C domains of CAO and GFP), the Chl a/b ratio was drastically decreased and Chl b was incorporated into core antenna complexes. The BCG plants exhibited a significant delay of both developmental and dark-induced leaf senescence. The photosynthetic apparatus, CO2 fixation enzymes and the chloroplast structure were lost in wild-type plants during senescence, while BCG plants retained them longer than the wild type. Large-scale quantitative real-time PCR analyses of 1,880 transcription factor (TF) genes showed that 241 TFs are differentially expressed between BCG plants and wild-type plants at senescence, similar to 40% of which are known senescence-associated genes (SAGs). Expression profiling also revealed the down-regulation of a large number of additional non-TF SAGs. In contrast, genes involved in photosynthesis were up-regulated, while those encoding Chl degradation enzymes were down-regulated in BCG plants. These results demonstrate that alteration of pigment composition in the photosynthetic apparatus retards senescence through transcriptional reprogramming.
Im Rahmen des ersten Teils der vorliegenden Doktorarbeit konnten zwei nicht-essentielle (rps15, rpl36) und fünf essentielle (rps3, rps16, rpl22, rpl23, rpl32) im Plastom von Nicotiana tabacum kodierte Proteine des plastidären Ribosoms bezüglich ihrer Essentialität charakterisiert werden. Diese Gene wurden durch gezielte Knockout-Experimente inaktiviert und die resultierenden Effekte untersucht. Die Ergebnisse lassen einen Rückschluss auf die Lokalisation der Gene der insgesamt sieben untersuchten ribosomalen Proteine zu, die im Plastom mehrerer parasitischer, Plastiden-besitzender Spezies nicht mehr nachweisbar sind. Im Fall von rps15 könnte tatsächlich ein Verlust des Genes stattgefunden haben, im Fall der restlichen Gene ist eher mit einem Transfer in den Nukleus zu rechnen (rpl36 ausgenommen). Dies würde bedeuten, dass die Geschwindigkeit der erfolgreichen Etablierung eines Gentransfers in vielen parasitischen Spezies gegenüber grünen Pflanzen stark erhöht ist. Alle in E. coli nicht-essentiellen Proteine mit Homologen in Plastiden (rps15, rpl33, rpl36) sind auch dort, trotz ~1,5 Milliarden Jahren getrennter Evolution, nicht essentiell. Dieses Ergebnis bestätigt den schon früher festgestellten hohen Konservierungsgrad der bakteriellen und plastidären Translationsmaschinerien. Die Phänotypen der KO-Pflanzen der nicht-essentiellen Gene (rps15, rpl36) weisen auf eine interessante Rolle von S15 während der Ribosomenassemblierung hin und im Fall von L36 auf eine wichtige funktionelle Rolle im Plastiden-Ribosomen sowie auf eine Involvierung der Plastidentranslation in der Generierung eines retrograden Signals, welches die Blattform zu beeinflussen im Stande ist. Des Weiteren konnte eine Verbindung der Translationsaktivität mit der Ausbildung von Seitentrieben hergestellt werden, die vermutlich auf veränderte Auxinsynthese im Chloroplast zurückzuführen ist. Aus dem Folgeprojekt, bei dem Doppel-KO-Pflanzen nicht-essentieller ribosomaler Proteine erzeugt wurden, lässt sich auf eine relativ große Plastizität der Architektur von Plastidenribosomen schließen. Im zweiten Teil der Arbeit konnte erfolgreich ein Hochdurchsatz-Screeningsystem zur semiquantitativen Analyse von 192 verschiedenen miRNAs aus Chlamydomonas reinhardtii etabliert werden. Es gelang durch die Untersuchung von 23 verschiedenen Wachstums- und Stressbedingungen sowie Entwicklungsstadien mehrere miRNAs zu identifizieren, die eine differenzielle Expression zeigen sowie unter allen untersuchten Bedingungen konstant bleibende miRNAs nachzuweisen. Dadurch konnten mehrere vielversprechende Kandidaten-miRNAs ausgemacht werden, die nun eingehender untersucht werden können.