Universität zu Köln

Molecular and physiological characterization of a novel PHYA mutant allele in Arabidopsis thaliana

Sokolova, Vladyslava (2011) Molecular and physiological characterization of a novel PHYA mutant allele in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    As sessile and photoautotrophic organisms, plants require an explicit adjustment of the development processes with the prevailing environmental conditions. Light is the most important environmental factor, which acts not only as the energy source, but also as the regulation signal for numerous physiological processes in the plants. A set of photosensing molecules – photoreceptors – have been developed in plants to perceive light of different quality, intensity, direction and continuance. Phytochromes are photoreceptors that perceive the red and far-red regions of the light spectrum (650 - 750 nm). In Arabidopsis the phytochrome gene family consists of five members (PHYA-E). Phytochromes can be divided into “light-labile” (phyA) and light-stable (phyB-E) types. Phytochromes mediate responses that can be categorized as follows: very low fluence responses (VLFR), low fluence responses (LFR) and high irradiance responses (HIR). The light-labile phyA mediates responses that are characterized by a low Pfr/Pr ratio and R/FR irreversibility, namely VLFR and FR-HIR. This study describes the Arabidopsis thaliana mutant (psm, renamed phyA-5) showing a distinct photomorphogenic phenotype. Molecular mapping revealed a new missense mutation in the PHYA amino terminal extension (NTE) domain. The phyA-5 mutant exhibits a hyposensitive phenotype in continuous low-intensity far-red light, whereas in high-intensity conditions the mutant resembles the wild-type. Both VLFR and HIR are reduced in the mutant. The mutation does not affect the expression level of PHYA. The dark-accumulated level of the mutated phyA-5 protein and R light-induced degradation were shown to be normal, whereas higher residual amounts of phyA-5 were detected in low FR. It has been shown that the complex mutant phenotype and the abnormal stability of the mutated protein under low intensity of FR light are caused by the impaired nuclear import of the phyA-5 under these conditions, whereas high-fluence light induces normal nuclear import, resulting in a phenotype resembling the wild-type. Furthermore, it has been demonstrated that the reduced nuclear import of phyA-5 is caused by the decreased binding affinity of the mutant photoreceptor to the nuclear import facilitators FHY1 and FHL. Studies on transgenic plants expressing phyA-5-YFP-NLS protein in phyA-201 background provided evidence that phyA-5 behaves identically to wild-type phyA, i.e. it is constitutively localized in the nucleus. To sum up, the data obtained show that the NTE domain influences the regulation of phyA nuclear import through participation in the assembling of the FHY1/FHL/PHYA Pfr complex and the resulting aberrant nucleo/cytoplasmic distribution impairs light-induced degradation of phyA. Results of this study underline the interconnection between phototransformation of phyA, its nuclear import, functioning and degradation.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Als sessile und photoautotrophe Organismen müssen Pflanzen ihre Entwicklungsvorgänge genau an die bestehenden Umweltbedingungen anpassen. Licht ist einer der wichtigsten Umweltfaktoren, weil es nicht nur als Energiequelle dient, sondern auch als regulierendes Signal für eine Vielzahl von physiologischen Prozessen in Pflanzen agiert. Ein Set von photosensorischen Molekülen – die Photorezeptoren – haben sich in Pflanzen entwickelt um Licht unterschiedlicher Qualität, Intensität, Ausrichtung und Dauer wahrzunehmen. Phytochrome sind Photorezeptoren, die die rote und dunkelrote Strahlung des Lichtspektrums wahrnehmen (650 – 750 nm). In Arabidopsis besteht die Familie der Phytochrome aus fünf Mitgliedern (PHYA-E). Man unterscheidet dabei lichtinstabile (phyA) und lichtstabile Typen (phyB-E). Phytochrome vermitteln Reaktionen, die sich wie folgt charakterisieren lassen: Reaktionen auf sehr niedrige Lichtfluenz (very low fluence response, VLFR), Reaktionen auf niedrige Lichtfluenz (low fluence response, LFR) und Reaktionen auf hohe Strahlungsintensität (high irradiance response, HIR). Das Licht-instabile phyA vermittelt Reaktionen, die durch eine niedrige Pfr/Pr Ratio und eine R/FR Irreversibilität gekennzeichnet sind, nämlich die VLFR und die FR-HIR Reaktionen. Diese Doktorarbeit beschreibt eine Arabidopsis thaliana Mutante (psm, umbenannt in phyA-5), die einen charakteristischen photomorphogenetischen Phänotyp aufweist. Durch molekulares Mapping wurde eine neue missense Mutation in der aminoterminalen Extensionsdomäne (amino terminal extension, NTE) gefunden. Die PhyA-5 Mutante weist unter kontinuierlichem Licht des dunkelroten Spektrums bei geringer Lichtintensität einen hyposensitiven Phänotyp auf. Unter hoher Lichtintensität jedoch gleicht die Mutante dem Wildtyp. Die Mutation hat keine Auswirkungen auf das Expressionslevel von PHYA, da das Niveau des im Dunkeln akkumulierten phyA-5 Proteins und der durch rotes Licht vermittelte Abbau des Proteins normal sind. Allerdings wurden höhere Restmengen von phyA-5 Protein unter geringem dunkelrotem (low FR) gefunden. Es konnte gezeigt werden, dass der komplexe mutante Phänotyp und die nicht normale Stabilität des mutanten Proteins unter dunkelrotem Licht mit geringer Intensität auf einen verminderten Transport des Proteins in den Kern zurückzuführen ist. Unter normaler Lichtfluenz jedoch ist auch der Transport in den Kern normal, was einen wildtypähnlichen Phänotyp zur Folge hat. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der verminderte Transport von phyA-5 in den Zellkern durch eine verminderte Bindungsaffinität des mutanten Photorezeptors an FHY1 und FHL – Komponenten, die den Kerntransport erleichtern - verursacht wird. Untersuchungen an transgenen Pflanzen, die ein phyA-5-YFP-NLS Fusionsprotein in einem phyA-201-mutantem Hintergrund expremieren, gaben Hinweise darauf, dass phyA-5 sich wie phyA im Wildtyp verhält und konstitutiv im Zellkern lokalisiert ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die NTE-Domäne die Regulierung des Kerntransports von phyA durch die Bildung des FHY1/FHL/PHYA/Pfr Komplexes beeinflusst und die daraus resultierende, aberrante Kern- bzw. zytoplasmatische Verteilung des Proteins den lichtinduzierten Abbau von phyA stört. Die Ergebnisse dieser Studie betonen noch einmal die Wichtigkeit der Zusammenhänge der Phototransformation von PhyA mit dem Kerntransport, der Funktion und dem Abbau des Proteins.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Sokolova, Vladyslavacerevisi@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-44651
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    phytochrome, light signalling, FHY1, FHL, nuclear translocationEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: September 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 05 December 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Dec 2011 16:23:14
    Referee
    NameAcademic Title
    Coupland, GeorgeProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4465

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