Universität zu Köln

Die essentielle Rolle des Transkriptionsfaktors SPL7 bei der Aufrechterhaltung der Kupfer-Homöostase in Arabidopsis thaliana

Grande, Arne Vincent (2010) Die essentielle Rolle des Transkriptionsfaktors SPL7 bei der Aufrechterhaltung der Kupfer-Homöostase in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Das Spurenelement Kupfer ist für höhere Pflanzen lebensnotwendig und wird als Kofaktor in Proteinen hauptsächlich wegen seines geringen Redoxpotentials eingesetzt, zum Beispiel im Plastocyanin, einem wichtigen Elektronentransporter der Photosynthesekomplexe. Ohne Kupfer als Kofaktor des Plastocyanins könnten keine Elektronen vom Cytochrom-b6/f-komplex auf das Photosystem I übertragen werden, wodurch die Photosynthese in höheren Pflanzen nicht möglich wäre. So wichtig Kupfer auch ist, so toxisch ist es auch in ungebundener Form. Deswegen ist es für Pflanzen unerlässlich, dass sie eine gut funktionierende Kupfer-Homöostase besitzen, damit sie ihre Metalloproteine ausreichend versorgen können, aber dennoch keine toxischen Mengen aufnehmen. Um eine bessere Kenntnis über die molekulargenetischen Mechanismen zu erlangen, die der Kupfer-Homöostase in höheren Pflanzen zugrunde liegen, wurde die Funktion von SPL7 (SQUAMOSA PROMOTOR BINDING PROTEIN LIKE7) in Arabidopsis thaliana studiert. SPL7 ist das Homolog des SBP-Box Transkriptionsfaktor CRR1 (COPPER RESPONSE REGULATOR1) aus Chlamydomonas, das für das transkriptionelle Umschalten bei Kupfermangel verantwortlich ist. Für die Analyse wurden Funktionsverlustmutanten von SPL7 unter unterschiedlichen Bedingungen kultiviert und ihr Phänotyp analysiert. Dabei zeigte sich, dass unter Kupfermangelkonzentrationen, bei denen der Wildtyp keine Mangelerscheinungen hatte, die Mutanten ein stark verlangsamtes Wachstum und einen deutlich späteren Übergang in die reproduktive Phase aufwiesen. Darüber hinaus zeigten sie große Defizite in der Samenproduktion, so dass sich unter Kurztagbedingungen gar keine Samen entwickelten oder aber die Pflanzen starben, bevor sie in die reproduktive Phase übergehen konnten. Auch das Wurzelsystem war wesentlich schlechter ausgebildet und wuchs deutlich langsamer. Die phänotypische Analyse der spl7-Mutanten zeigte außerdem, dass die Pflanzen eine gestörte Lignifizierung aufwiesen. So waren beispielsweise die Leitbündel in allen Geweben, wenn überhaupt, nur sehr gering lignifiziert. Auch die Defiziete in der Samenproduktion ließen sich auf eine gestörte Lignifizierung zurückführen, da auch das Endothecium der Antheren kaum lignifiziert war, wodurch eine Selbstung sehr erschwert wurde. Zusammen mit den anderen phänotypischen Merkmalen der spl7-Mutanten, deutete dies auf eine Mangelversorgung der gesamten Pflanze mit Nährstoffen hin. Interessanter Weise verschwanden sämtliche phänotypische Unterschiede zwischen Wildtypen und spl7-Mutanten, sobald die Kupferkonzentration im Substrat erhöht wurde. Unter diesen Bedingungen hatten die spl7-Mutanten einen wildtypischen Phänotyp. Eine differentielle Transkriptom-Analyse der spl7-Mutante und des Wildtyps unter optimalen und pessimalen Kupferbedingungen gab Hinweise darauf, dass SPL7 eine regulierende Funktion in der Kupfer-Homöostase von A. thaliana haben könnte. Durch unterschiedliche Genexpression in den Wurzeln (Kupfer-aufnehmendes Gewebe) und den überirdischen Teilen der Pflanze (Kupfer verbrauchendes Gewebe) kann man folgern, dass SPL7 nicht nur für die erhöhte Aufnahme von Kupfer über die Wurzeln, sondern auch für das Remobilisieren desselben aus anderen Geweben verantwortlich sein könnte. Schließlich ist der Transport von Kupfer vermutlich auch, wenn auch nur indirekt, von SPL7 abhängig, da die Lignifizierung der Leitbündel gestört ist. Diese Beobachtungen werden von den kürzlich veröffentlichten Forschungsergebnissen von Yamasaki und Mitarbeitern (2009) bestätigt. Diese Doktorarbeit bestätigt nicht nur, dass SPL7 für die allgemeine Kupfer-Homöostase wichtig ist, sondern offenbart darüber hinaus differenzierte Regulationsmechanismen, die über die Verteilung zwischen den Geweben einer Pflanze die optimale Kupferversorgung der einzelnen Zelle gewährleisten. Durch Übertragung dieser Erkenntnisse wäre es möglich, landwirtschaftliche Nutzpflanzen für Böden mit geringem Kupfergehalt zu optimieren, so dass die derzeitigen durch Kupfermangel bedingten Ertragseinbußen verringert würden.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Copper is an essential trace element in higher plants and is used mainly because of its low redox potential. Photosynthesis in higher plants, for example, would not be possible without copper as a cofactor of PLASTOCYANIN. Despite its indispensability, copper in an unbound form is toxic. Therefore it is of utmost importance that plants can rely on a well functioning copper homeostasis. To come to a better understanding of the molecular genetic mechanisms underlying copper homeostasis in higher plants, the function of SPL7 (SQUAMOSA PROMOTOR BINDING PROTEIN LIKE7) was studied in Arabidopsis thaliana. SPL7 is highly homologous to the SBP-box transcription factor CRR1 (COPPER RESPONSE REGULATOR1) in Chlamydomonas, which is required for a transcriptional reprogramming in response to copper deficiency. Mutants of SPL7 were grown on different substrates and their phenotypic changes analysed. The mutants showed already severe developmental defects under suboptimal copper conditions, while these did not yet cause deficiency phenotypes in the wildtype. The growth rate of the whole plant, including the root system, was strongly reduced and the developmental switch from vegetative to reproductive growth was significantly delayed. The seed production strongly declined up to no seeds in days with short light periods where most of the mutants failed to survive long enough to switch to reproductive growth. The lignification of the vasculature in all tissues was nearly abolished in the spl7-mutant and, like the other phenotypic differences, indicated major failures in uptake, transport and distribution of nutrients. The reduced lignification of the endothecium also leads to poor selfing of the flowers. Either application of additional copper or insertion of the wild type genomic SPL7 locus into the mutant plants complemented all these phenotypic differences. Differential transcriptome analysis of the Wildtyp and spl7-mutant plants grown under either sufficient or deficient copper conditions revealed SPL7 to be a major regulator in copper homeostasis. A similar finding was recently published by Yamasaki and co-workers (2009). Our gene expression data in combination with the experimental setup, i.e. separating the roots as importing/source tissue from the rosettes as the sink/source tissue, showed that SPL7 is not only responsible for boosting copper-uptake, but also for a redistribution of copper throughout the whole plant. The study presented in this thesis not only confirms the role of SPL7 in the copper homeostasis, but also unravels the molecular genetic mechanisms and physiological responses involved in different plant tissues or even in single cells. These insights may provide a way for genetic improvement of crop plants to cope with copper deficiency and to reduce yield loss.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Grande, Arne Vincentarnevincent@me.com
    Corporate Creators: Max-Plank-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung, Institut für Entwicklungsbiologie an der Universität zu Köln
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-41438
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Arabidopsis, SBP-Box-Gene, SPL7, Kupfer-Homöostase, LigninGerman
    Arabidopsis, SBP-box-genes, SPL7, copper homeostasis, ligninEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: German
    Date: 18 February 2010
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 12 April 2010
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 26 Apr 2011 17:30:20
    Referee
    NameAcademic Title
    Werr, WolfgangProf. Dr.
    Theres, KlausProf. Dr.
    Höcker, UteProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4143

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