Universität zu Köln

Untersuchungen zur Hochlicht-Akklimatisierung von Arabidopsis thaliana Mutanten mit Defekten im Kohlenhydratstoffwechsel

Schmitz, Jessica (2011) Untersuchungen zur Hochlicht-Akklimatisierung von Arabidopsis thaliana Mutanten mit Defekten im Kohlenhydratstoffwechsel. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Der Einfluss von Kohlenhydratstoffwechsel und Akklimatisierungsprozessen an Hochlicht-Bedingungen wurde anhand von A. thaliana Doppelmutanten mit Defekten im Tages- und Nachtexport von Photoassimilaten untersucht. Hierzu wurde eine kürzlich identifizierte Mutante mit vollständigem Funktionsverlust des Triosephosphat/Phosphat Translokators (TPT; tpt-2) sowohl in den Hintergrund von (1) Mutanten mit einer deutlich beeinträchtigten Stärkebiosynthese in Blättern (AGPase, adg1-1; plastidäre Phosphoglukomutase, pgm1; Phosphoglukoseisomerase, pgi1-1) als auch in (2) Mutanten mit Defekten im Stärkeabbau (Glukan Wasser Dikinase, sex1-3) bzw. im Export von Stärkeabbauprodukten (Maltoseexporter, mex1-2) eingekreuzt. Die erstaunlicherweise überlebensfähigen Doppelmutanten zeigten eine starke Wachstumsretardierung und mit Ausnahme der sex1-3/tpt-2 Doppelmutante einen Photosynthesephänotyp. Dieser war charakterisiert durch eine verminderte Photosyntheseeffizienz und eine stark erhöhte Grundfluoreszenz. Daher wurden diese Doppelmutanten auch als „Hoch-Chlorophyll-Fluoreszenz“ (HCF) Mutanten definiert. Es wurde festgestellt, dass der HCF Phänotyp nur unter Hochlichtbedingungen ausgebildet wurde, während die Doppelmutanten unter Schwachlichtbedingungen phänotypisch vom Wildtyp nicht zu unterscheiden waren. In der adg1-1/tpt-2 Doppelmutante führte eine Anzucht im Hochlicht zu einer dramatischen Veränderung der Gehalte von Photosynthese assoziierten Proteinen. Die plastomkodierten zentralen Untereinheiten von beiden Photosystemen waren stark verringert, während die kernkodierten Lichtsammelkomplexe weder auf transkriptioneller noch auf Proteinebene eine Veränderung zeigten. Die Ursache der stark erhöhten Grundfluoreszenz konnte auf eine Ablösung der Lichtsammelkomplexe von den Photosynthesezentren zurückgeführt werden. Die erhöhte Fluoreszenz der ungebundenen Lichtsammelkomplexe wurde im Licht durch den Prozess der „Hoch Energie“ Löschung in Form von Wärme abgestrahlt. Dieser Prozess kann als protektiver Mechanismus interpretiert werden und wurde in dieser Form bisher noch nicht beschrieben. Es wird postuliert, dass die beobachteten Veränderungen im Zusammenhang mit einer fehlerhaften Hochlicht-Akklimatisierung aufgrund einer veränderten retrograden Signalgebung stehen. Aus der Analyse von genomweiter Expressionsdaten konnte abgeleitet werden, dass Veränderungen der Lichtintensität dennoch perzipiert werden und zu einer Modulation der chloroplastidären Genexpression führen. Fütterung mit exogener Saccharose führte zu einer Revertierung des HCF- sowie des Wachstumsphänotyps im Hochlicht. Daher wird die Rolle Zucker-abhängiger Signalwege bei der Hochlicht-Akklimatisierung diskutiert und ein Modell postuliert, wie es zu einer regulatorischen Funktion des Kohlenhydratstoffwechsels kommen kann.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    The impact of carbohydrate limitation on acclimation to high light was studied using A. thaliana double mutants strongly impaired in the day- and night path of photoassimilate export from the chloroplast. A newly discovered mutant with complete loss of activity of the triosephosphate/phosphate translocator (TPT; tpt-2) was crossed into the background of (1) plants affected in the starch biosynthesis in leaves (AGPase, adg1-1; plastidic phosphoglucomutase, pgm1; plastidic phosphoglucose isomerase, pgi1-1) as well as (2) mutants defective in starch degradation (glucane water dikinase, sex1-3) or in the export of starch degradation products (maltose transporter, mex1-2). Surprisingly, the double mutants were still viable although showing strong growth retardation and developed, except for the sex1-3/tpt-2 double mutant, a dramatic photosynthetic phenotype. This phenotype was characterized by a reduced photosynthetic efficiency and increased ground fluorescence. Therefore these double mutants were defined as “high-chlorophyll-fluorescence” (HCF) mutants. The HCF phenotype was observable only in mutant plants grown under high light conditions, whereas plants grown in low light did not differ from the wild type. In the adg1-1/tpt-2 double mutant, growth in high light led to a drastic alteration in the content of photosynthesis-associated proteins. The amount of plastome-coded core subunits of both photosystems were strongly reduced, whereas the nuclear-encoded light harvesting complex subunits did not show any significant changes neither transcriptionally nor at the protein level. The increased ground fluorescence was due to the detachment of the light harvesting complexes from the reaction centers. In the light the increased fluorescence of the free antenna could be quenched by thermal dissipation. This process at the side of free antenna was interpreted as a protective mechanism and was never described in this form. It is postulated that the observed changes are the consequence of an altered acclimation to high light due to a perturbation in retrograde signaling. But as it was revealed by a genome-wide transcriptional analysis, changes in the light intensity could be perceived by the adg1-1/tpt-2 double mutant, leading to a modulation of the nuclear-encoded plastidic genes. Exogenous sucrose supply led to a rescue of both the HCF and the growth phenotypes under high light. The role of sugar-dependent signaling pathways in high light acclimation is discussed and a model is presented proposing a regulatory function of the carbon metabolism.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Schmitz, Jessica
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-42043
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Pflanzen, Metabolismus, Retrograde Signale, Nicht-photochemische Energielöschung, Hoch-Chlorophyll-FluoreszenzGerman
    plants, metabolism, retrograde signalling, non-photochemical quenching, high chlorophyll fluorescenceEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Botanisches Institut
    Language: German
    Date: February 2011
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 11 April 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 25 Jul 2011 14:14:03
    Referee
    NameAcademic Title
    Flügge, Ulf-IngoProf. Dr.
    Krämer, ReinhardProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4204

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