Signalwege und Toleranzfaktoren für die Anpassung an Hypoxie und Überflutung in Arabidopsis thaliana

Arabidopsis thaliana wurde in dieser Arbeit verwendet, um Signalwege und Anpassungsmechanismen zu untersuchen, die die Toleranz gegen Überflutung und Hypoxiestress beeinflussen. Eine Gruppe von 49 Genen wird bei Hypoxie in verschiedensten Arabidopsis-Zelltypen verstärkt exprimiert (Mustroph et al. 2009). Eine Durchsuchung von Microarray-Datenbanken nach Mutanten, die eine differentielle Regulation dieser Gene aufweisen, führte zu der Entdeckung eines Microarrays der EMS-Mutante ged1, der eine Hochregulation von 36 der 49 hypoxie-responsiven Gene bei Normoxie zeigt. Durch die Kartierung von ged1 wurde eine Mutation in dem Gen PRT6 gefunden und damit ein neues Allel einer prt6-Mutante in einem Wassilewskija Hintergrund. PRT6 ist eine Ubiquitin Ligase, deren Bedeutung als essentielles Enzym in einem durch den N-end rule pathway vermittelten Sauerstoffwahrnehmungsmechanismus zu jener Zeit gerade durch zwei unabhängige Publikationen bekannt wurde (Gibbs et al. 2011, Licausi et al. 2011). Ged1 wurde mit der T-DNA Insertionslinie prt6-1 in einem Col-0 Hintergrund verglichen. Beide Mutanten erwiesen sich in Überflutungsexperimenten toleranter als ihre jeweiligen Wildtypen. Diese Beobachtung steht in Widerspruch zu veröffentlichten Überflutungsexperimenten, in denen prt6-Mutanten ähnlicher ökotypischer Hintergründe verwendet worden waren. Diese zeigen eine Intoleranz der Mutanten (Licausi et al. 2011, Weits et al. 2014). Zusätzlich unterscheiden sich die Überflutungsexperimente in der Überlebensdauer aller Genotypen. Diese sind in den publizierten Experimenten um bis zu einem Vielfachen kürzer. Die Luftfeuchtigkeit während der Erholungsbehandlung konnte als Grund für diese Unterschiede zwischen den Experimenten verantwortlich gemacht werden, was darauf hindeutet, dass prt6-Mutanten bei Wiederbelüftung anfällig für eine verringerte Wasseraufnahme durch die Wurzel sind. Interessanterweise zeigte ged1 in den hier dargestellten Überflutungsexperimenten im Gegensatz zu den anderen Genotypen höhere Lt50 Werte bei Überflutung in Dunkelheit als bei Dunkelheit an der Luft. Diese Beobachtung konnte mit einem etwa vierfach höheren Kohlenhydratgehalt, einschließlich Stärke, Saccharose, Glukose und Fruktose, in Rosettenblättern von ged1 nach 24 h Überflutung im Vergleich zur Luftbehandlung in Verbindung gebracht werden. Ein ähnlicher Unterschied im Kohlenhydratgehalt wurde in prt6-1 festgestellt, obwohl dieser Genotyp eine im Vergleich zur Luftbehandlung geringere Überlebenswahrscheinlichkeit bei Überflutung aufwies. Beide Mutanten zeigten nach 24 h Überflutung in Dunkelheit einen etwa zweifach höheren Kohlenhydratgehalt als die Wildtypen. Dagegen gab es keine signifikanten Unterschiede im Kohlenhydratgehalt nach 24 h Dunkelheit an der Luft, obwohl beide prt6-Mutanten in verschiedenen Dunkelheit-Überlebensexperimenten an der Luft toleranter waren als die jeweiligen Wildtypen und eine verzögerte Seneszenz aufwiesen. Demzufolge hängt der verringerte Kohlenhydratverbrauch bei Überflutung von Hypoxie- und/oder Überflutungs-induzierten Signalen ab, findet aber verstärkt in prt6-Mutanten statt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Ausschaltung des N-end rule pathway eine Herrunterregulation des Kohlenhydratverbrauchs und einen ökonomischeren Umgang mit Energieressourcen bewirkt, obwohl gleichzeitig die Expression vieler Gene erhöht wird, die an Zuckerabbau und Fermentation beteiligt sind. Darüber hinaus konnten bestimmte Phänotypen von N-end-rule pathway-Mutanten, nämlich ein Abscisinsäure-hypersensitives Anhalten der Keimlingsetablierung und die Fähigkeit lange Dunkelperioden zu überleben mit der Aktivität von ERF-VII Transkriptionsfaktoren in Verbindung gebracht werden, die selbst unter Kontrolle des N-end-rule pathway stehen. Ein mögliches neues Zielprotein des N-end-rule pathway, der Transkriptionsfaktor ABR1 (ABA REPRESSOR1) wurde charakterisiert. Das Transkriptlevel von ABR1 ist bei Anoxie-Behandlung stark hochreguliert. Überexpressionslinien zeigten eindeutige Phänotypen, wie exzessive Wurzelhaarbildung, starke Wachstumsdefekte und reduzierten Samenertrag. Die Phänotypisierung einer Knockout-Mutante steht aber in Widerspruch zu bereits veröffentlichten Ergebnissen (Pandey et al. 2005) und deutet darauf hin, dass die Funktion von ABR1 nicht in der Weise mit ABA-Signalwegen in Verbindung steht, wie zuvor angenommen. Des Weiteren werden Daten zu möglichen Zielen des Transkriptionsfaktors LBD41 (LOB DOMAIN-CONTAINING PROTEIN 41) präsentiert. LBD41 ist ein Repressor der Transkription und wird bei Hypoxie verstärkt exprimiert. Sein Transkriptlevel wird von ERF-VII Transkriptionsfaktoren reguliert.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

Universität Bayreuth

Year

2015

Author dc:creator

• Riber, Willi

Contributors dc:contributor

• Mustroph, Angelika

Repository record source_url

https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/1886/

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oai:epub.uni-bayreuth.de:1886