Charakterisierung eines Membranproteins aus Arabidopsis mit strukturellen Ähnlichkeiten zu den Transportern der Natrium-Phosphat1-Familie aus Tieren

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Membranproteine mit strukturellen Ähnlichkeiten zu Anion:Cation-Symportern, insbesondere zu den Transportern der NaPi1- Familie aus Tieren untersucht. Neben den bereits bekannten Anion-Transporter (ANTR) aus Arabidopsis thaliana (ROTH et al., 2004) wurde in dieser Arbeit eine homologe Proteinfamilie aus Oryza sativa identifiziert. Dabei konnte die funktionelle Verwandtschaft der Proteine AtANTR5 aus A. thaliana und OsANTR5.1 aus O. sativa mittels Komplementation der antr5-Mutante nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung der physiologischen Bedeutung des AtANTR5-Proteins in der Phosphathomöostase, im Stickstoffstoffwechsel oder bei Pathogenbefall. Mittels GFP-Fusionsexperimenten konnte für AtANTR5 eine subzelluläre Lokalisierung im Golgi-Apparat festgestellt werden. Durch AtANTR5-Promotor-GUS-Pflanzen wurde die gewebe- und entwicklungsspezifische Expression des Membranproteins untersucht. AtANTR5 weist in den meisten Geweben eine sehr geringe Transkriptmenge auf und ist mittels GUS-Färbung nur in Pollen detektierbar. Dennoch ist das AtANTR5-Protein für die ganze Pflanze von essentieller Bedeutung, da eine Inaktivierung des Gen zu gravierenden phänotypischen Veränderungen, gekennzeichnet durch zwergenhaften Wuchs, eingerollten Blättern und Blattläsionen. Aufgrund der Ähnlichkeit zu tierischen Phosphattransportern, wurde zunächst der Einfluss von AtANTR5 auf die Phosphathomöostase in entsprechenden „knock out“-Mutanten untersucht. Es konnte jedoch keine Veränderungen im Phosphathaushalt festgestellt werden. Vielmehr weist die antr5-Mutante eine erhöhte Sensitivität gegenüber Aminosäuren, Ammonium und Salz auf. Offensichtlich ist die durch AtANTR5 Transportaktivität innerhalb des Golgi-Apparates von außerordentlichen Wichtigkeit für den pflanzlichen Stoffwechsel. Des weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen AtANTR5 und Pathogenabwehr festgestellt werden. „Northern-Blot“-Analysen zeigten eine Induktion der AtANTR5-Expression als Antwort auf Pathogenbefall durch P. syringae. Zytologische sowie histochemische Analysen haben bei antr5-Pflanzen die Ausprägung zahlreicher Abwehrmechanismen, wie Ablagerungen von Callose in den Zellwänden, Akkumulation von phenolischen Metaboliten, Salizylsäure, PR Proteinen und Wasserstoffperoxid oder Absterben der Zellen, gezeigt. Weiterhin konnte eine erhöhte Resistenz der antr5-Pflanzen gegenüber dem Befall von P. syringae ermittelt werden. Durch die Expression des NahG-Gens in antr5-Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Expression der PR-Gene Salizylsäure abhängig, das spontane Absterben der Zellen jedoch Salizylsäure unabhängig war. Dieses Befund lässt den Schluss zu, dass erhöhte SA-Akkumulation und die dadurch aktivierte Abwehr, sekundäre Effekte der AtANTR5-Inaktivierung darstellen

Charakterisierung eines Membranproteins aus Arabidopsis mit strukturellen Ähnlichkeiten zu den Transportern der Natrium-Phosphat1-Familie aus Tieren

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden pflanzliche Membranproteine mit strukturellen Ähnlichkeiten zu Anion:Cation-Symportern, insbesondere zu den Transportern der NaPi1- Familie aus Tieren untersucht. Neben den bereits bekannten Anion-Transporter (ANTR) aus Arabidopsis thaliana (ROTH et al., 2004) wurde in dieser Arbeit eine homologe Proteinfamilie aus Oryza sativa identifiziert. Dabei konnte die funktionelle Verwandtschaft der Proteine AtANTR5 aus A. thaliana und OsANTR5.1 aus O. sativa mittels Komplementation der antr5-Mutante nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Charakterisierung der physiologischen Bedeutung des AtANTR5-Proteins in der Phosphathomöostase, im Stickstoffstoffwechsel oder bei Pathogenbefall. Mittels GFP-Fusionsexperimenten konnte für AtANTR5 eine subzelluläre Lokalisierung im Golgi-Apparat festgestellt werden. Durch AtANTR5-Promotor-GUS-Pflanzen wurde die gewebe- und entwicklungsspezifische Expression des Membranproteins untersucht. AtANTR5 weist in den meisten Geweben eine sehr geringe Transkriptmenge auf und ist mittels GUS-Färbung nur in Pollen detektierbar. Dennoch ist das AtANTR5-Protein für die ganze Pflanze von essentieller Bedeutung, da eine Inaktivierung des Gen zu gravierenden phänotypischen Veränderungen, gekennzeichnet durch zwergenhaften Wuchs, eingerollten Blättern und Blattläsionen. Aufgrund der Ähnlichkeit zu tierischen Phosphattransportern, wurde zunächst der Einfluss von AtANTR5 auf die Phosphathomöostase in entsprechenden „knock out“-Mutanten untersucht. Es konnte jedoch keine Veränderungen im Phosphathaushalt festgestellt werden. Vielmehr weist die antr5-Mutante eine erhöhte Sensitivität gegenüber Aminosäuren, Ammonium und Salz auf. Offensichtlich ist die durch AtANTR5 Transportaktivität innerhalb des Golgi-Apparates von außerordentlichen Wichtigkeit für den pflanzlichen Stoffwechsel. Des weiteren konnte ein Zusammenhang zwischen AtANTR5 und Pathogenabwehr festgestellt werden. „Northern-Blot“-Analysen zeigten eine Induktion der AtANTR5-Expression als Antwort auf Pathogenbefall durch P. syringae. Zytologische sowie histochemische Analysen haben bei antr5-Pflanzen die Ausprägung zahlreicher Abwehrmechanismen, wie Ablagerungen von Callose in den Zellwänden, Akkumulation von phenolischen Metaboliten, Salizylsäure, PR Proteinen und Wasserstoffperoxid oder Absterben der Zellen, gezeigt. Weiterhin konnte eine erhöhte Resistenz der antr5-Pflanzen gegenüber dem Befall von P. syringae ermittelt werden. Durch die Expression des NahG-Gens in antr5-Mutanten konnte gezeigt werden, dass die Expression der PR-Gene Salizylsäure abhängig, das spontane Absterben der Zellen jedoch Salizylsäure unabhängig war. Dieses Befund lässt den Schluss zu, dass erhöhte SA-Akkumulation und die dadurch aktivierte Abwehr, sekundäre Effekte der AtANTR5-Inaktivierung darstellen

Molecular Physiological Analysis of the Two Plastidic ATP/ADP Transporters from Arabidopsis

Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) possesses two isoforms of plastidic ATP/ADP transporters (AtNTT1 and AtNTT2) exhibiting similar biochemical properties. To analyze the function of both isoforms on the molecular level, we examined the expression pattern of both genes by northern-blot analysis and promoter-β-glucuronidase fusions. AtNTT1 represents a sugar-induced gene mainly expressed in stem and roots, whereas AtNTT2 is expressed in several Arabidopsis tissues with highest accumulation in developing roots and young cotyledons. Developing lipid-storing seeds hardly contained AtNTT1 or -2 transcripts. The absence of a functional AtNTT1 gene affected plant development only slightly, whereas AtNTT2∷T-DNA, AtNTT1-2∷T-DNA, and RNA interference (RNAi) plants showed retarded plant development, mainly characterized by a reduced ability to generate primary roots and a delayed chlorophyll accumulation in seedlings. Electron microscopic examination of chloroplast substructure also revealed an impaired formation of thylakoids in RNAi seedlings. Moreover, RNAi- and AtNTT1-2∷T-DNA plants showed reduced accumulation of the nuclear-encoded protein CP24 during deetiolation. Under short-day conditions reduced plastidic ATP import capacity correlates with a substantially reduced plant growth rate. This effect is absent under long-day conditions, strikingly indicating that nocturnal ATP import into chloroplasts is important. Plastidic ATP/ADP transport activity exerts significant control on lipid synthesis in developing Arabidopsis seeds. In total we made the surprising observation that plastidic ATP/ADP transport activity is not required to pass through the complete plant life cycle. However, plastidic ATP/ADP-transporter activity is required for both an undisturbed development of young tissues and a controlled cellular metabolism in mature leaves

Function of the Golgi-located phosphate transporter PHT4;6 is critical for senescence-associated processes in Arabidopsis

The phosphate transporter PHT4;6 locates to the trans-Golgi compartment, and its impaired activity causes altered intracellular phosphate compartmentation, leading to low cytosolic Pi levels, a blockage of Golgi-related processes such as protein glycosylation and hemicellulose biosynthesis, and a dwarf phenotype. However, it was unclear whether altered Pi homeostasis in pht4;6 mutants causes further cellular problems, typically associated with limited phosphate availability. Here we report that pht4;6 mutants exhibit a markedly increased disposition to induce dark-induced senescence. In control experiments, in which pht4;6 mutants and wild-type plants developed similarly, we confirmed that accelerated dark-induced senescence in mutants is not a 'pleiotropic' process associated with the dwarf phenotype. In fact, accelerated dark-induced senescence in pht4;6 mutants correlates strongly with increased levels of toxic NH4 (+) and higher sensitivity to ammonium, which probably contribute to the inability of pht4;6 mutants to recover from dark treatment. Experiments with modified levels of either salicylic acid (SA) or trans-zeatin (tZ) demonstrate that altered concentrations of these compounds in pht4;6 plants act as major cellular mediators for dark-induced senescence. This conclusion gained further support from the notion that the expression of the pht4;6 gene is, in contrast to genes coding for major phosphate importers, substantially induced by tZ. Taken together, our findings point to a critical function of PHT4;6 to control cellular phosphate levels, in particular the cytosolic Pi availability, required to energize plant primary metabolism for proper plant development. Phosphate and its allocation mediated by PHT4;6 is critical to prevent onset of dark-induced senescence