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Funktionelle Charakterisierung der Arabidopsis thaliana Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3

Heckwolf, Marlies :
Funktionelle Charakterisierung der Arabidopsis thaliana Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Funktionelle Charakterisierung der Arabidopsis thaliana Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3
Language: German
Abstract:

Die pflanzlichen Aquaporine der Plasmamembran intrinsischen Proteine (PIP) lassen sich in zwei Untergruppen einteilen, die PIP1 und PIP2 Aquaporine. Obwohl diese beiden Gruppen ähnliche Porenregionen aufweisen unterscheiden sie sich in ihrer Leitfähigkeit für Wasser und kleinere Moleküle. Im Vergleich zur hohen Wasser-Leitfähigkeit von PIP2- Aquaporinen, sind PIP1-Aquaporine nahezu wasserundurchlässig. Im Gegensatz dazu können PIP1-Aquaporine die Diffusion von kleinen, ungeladenen Molekülen (Glycerin, Harnstoff, CO2) erleichtern, PIP2-Aquaporine jedoch nicht. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Leitfähigkeitscharakteristika der Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3 aus Arabidopsis thaliana in einem Hefeexpressionssystem mit Hinblick auf ihre Wasser-und Kohlendioxid-Leitfähigkeit untersucht und im Anschluss ihre physiologische Bedeutung für die Pflanze analysiert werden. Es zeigte sich, dass AtPIP2;3 die Membranpermeabilität für Wasser signifikant erhöhen konnte, wohingegen AtPIP1;2 dies nicht vermochte. Im Gegensatz dazu war AtPIP1;2 in der Lage, die Diffusion von CO2 über die Hefe-Plasmamembran zu erleichtern, AtPIP2;3 jedoch nicht. Die physiologische Relevanz dieser verschiedenen Aquaporin-Leitfähigkeiten wurde mit Hilfe von T-DNA-Insertionslinien untersucht. Die verwendeten A. thaliana-Linien atpip1;2-1 und atpip2;3-1, konnten als homozygot charakterisiert werden. Linie atpip1;2-1 enthält lediglich die Insertion im AtPIP1;2-Gen. In Linie atpip2;3-1 findet sich neben der Insertion im AtPIP2;3-Gen eine weitere in einer nicht codierenden Region des 3. Chromosoms. Bei beiden Linien führt die T-DNA-Insertion zum Verlust der entsprechenden Aquaporin-mRNA. Die Untersuchung der hydraulischen Leitfähigkeit von Arabidopsis-Wurzeln der beiden Insertionslinien ergab, dass im Vergleich zur Kontroll-Linie die Abwesenheit von AtPIP2;3 keinen Einfluss auf die hydraulische Leitfähigkeit hat. Dagegen scheint AtPIP1;2 eine Komponente des symplastischen Transportweges von Wasser in der Wurzel zu sein, da atpip1;2-1-Wurzeln eine deutliche Reduktion der hydraulischen Leitfähigkeit aufwiesen. Auch im Blatt konnte eine physiologische Bedeutung von AtPIP1;2 nachgewiesen werden, da Messungen des pflanzlichen Gaswechsels der Linie atpip1;2-1 eine signifikant verringerte photosynthetische Assimilationsrate und stomatäre Leitfähigkeit ergaben. Als Ursache hierfür konnte die starke Reduktion der Mesophyll-Leitfähigkeit für CO2 (gm) identifiziert werden. Hier kommt vermutlich die im heterologen Expressionssystem nachgewiesene molekulare CO2-Leitfähigkeit von AtPIP1;2 zum Tragen. Für Linie atpip2;3-1 konnten bezüglich der Gaswechsel-Analysen keinerlei Unterschiede zu den Kontroll-Pflanzen festgestellt werden. Die Ergebnisse weisen auf eine Funktion von AtPIP1;2 sowohl in der Wasser-Aufnahme durch die Wurzeln als auch in der Erleichterung der CO2-Diffusion im Blatt hin. Hingegen konnte basierend auf den durchgeführten Untersuchungen nicht festgestellt werden, inwieweit AtPIP2;3 von physiologischer Bedeutung ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Plant aquaporins belonging to the Plasmamembrane Intrinsic Proteins (PIP) can be subdivided into two groups, the PIP1 and PIP2 aquaporins. Though both groups posses similar pore regions they vary in their functionality with regard to water and solute permeability. PIP1 proteins are compared to the high water permeability of PIP2-aquaporins almost water-tight. However, PIP1 aquaporins facilitate diffusion of small solutes (glycerol, urea, CO2) while expression of PIP2 aquaporins has no effect on the permeability of these solutes. The aim of the thesis was to analyze the possible conductivity of the aquaporins AtPIP1;2 and AtPIP2;3 from Arabidopsis thaliana for water and CO2 in a heterologous expression system followed by an investigation of the physiological relevance of these two aquaporins in the homologous system. The presence of AtPIP2;3 in yeast membrane increased water permeability significantly while expression of AtPIP1;2 had no effect on membrane water permeability. On the contrary, expression of AtPIP1;2 lead to an increase of CO2 triggered internal acidification probably identical to an increase in facilitated CO2 membrane diffusion. This was not observed in case of AtPIP2;3 expression. In order to examine the physiological relevance of the above mentioned findings T-DNA insertion lines were used. Lines atpip1;2-1 and atpip2;3-1 were characterized to be homozygous. Line atpip1;2-1 contains a single insertion in the desired aquaporin gene, while line atpip2;3 has an additional insertion in a non coding region of chromosome 3. In the case of both lines the T-DNA insertion provokes a complete loss of the corresponding aquaporin mRNA. The investigation of the hydraulic conductivity of Arabidopsis roots showed no difference between control and atpip2;3 plants. In contrast to this AtPIP1;2 seems to be a component of the symplastic water transport pathway in the root, because the complete loss of the aquaporin results in decreased root hydraulic conductivity in atpip1;2 plants. Besides AtPIP1;2 is important in leaves as well. Measurements of plant gas exchange showed significantly reduced nett-photosynthesis and stomatal conductance. These findings were caused by a decreased mesophyll conductance for CO2 in the leaf. In the case of line atpip2;3-1 comparison of gas exchange data with wildtype plants showed no differences. The obtained results point to a contribution of the aquaporin AtPIP1;2 to the water uptake in the roots as well as to a facilitated CO2-diffusion through the leaf. However, based on the performed experiments no physiological function of AtPIP2;3 could be determined in Arabidopsis thaliana presumably due to redundant function of other PIP2 proteins.English
Uncontrolled Keywords: Aquaporine, T-DNA Insertionslinie, Photosynthese, Mesophyll-Leitfähigkeit
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Aquaporine, T-DNA Insertionslinie, Photosynthese, Mesophyll-LeitfähigkeitGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 580 Pflanzen (Botanik)
Divisions: Biology > Botany > Applied Plant Sciences
Date Deposited: 11 Mar 2010 15:02
Last Modified: 07 Dec 2012 11:56
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-20423
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kaldenhoff, Prof. Dr. Ralf and Göringer, Prof. Dr. H. Ulrich
Refereed: 7 August 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2042
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