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Autor: Uehlein, Norbert
Titel:Funktionsanalyse pflanzlicher Aquaporine
Dissertation:TU Darmstadt, Fachbereich Biologie, 2004

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Abstract auf Deutsch:


Aquaporine zählen zur Superfamilie der MIP-homologen Proteine („major intrinsic proteins“). Sie bilden membranständige Poren, die die Passage von Wasser bzw. gelöster Stoffe wie zum Beispiel Glycerin und Harnstoff erleichtern. Der aquaporinvermittelte Stofftransport über Biomembranen ist nicht aktiver Natur, sondern folgt einem osmotischen Gradienten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden drei Aspekte der Aquaporin-Funktion untersucht. Zunächst wurde die CO2-Permeabilität des Aquaporins NtAQP1 aus Nicotiana tabacum untersucht. Die aquaporinvermittelte zelluläre Aufnahme von CO2 konnte zunächst im heterologen Xenopus-Oozytenexpressionssystem nachgewiesen werden. Im Folgenden schlossen sich Untersuchungen im homologen pflanzlichen System an. Auch hier konnte eine veränderte zelluläre Aufnahme von CO2 in Abhängigkeit von der NtAQP1-Expression nachgewiesen werden. An intakten Pflanzen konnten darüber hinaus Effekte auf CO2-abhängige physiologische Vorgänge gezeigt werden. Die veränderte Expression von NtAQP1 beeinflusst den Mechanismus der Stomatabewegung und wirkt sich auf die Photosyntheseleistung der Pflanze aus. Aus den erhaltenen Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass NtAQP1 im heterologen wie im homologen System unter anderem die Funktion einer CO2-Pore hat. Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigte sich mit der unterschiedlichen Wasserpermeabilität von PIP1- und PIP2-Aquaporinen am Beispiel zweier Vertreter aus Samanea saman. PIP1-Aquaporine induzieren in Xenopus-Oozyten in der Regel eine niedrige Wasserpermeabilität der Plasmamembran, während PIP2-Aquaporine deutlich höhere transmembrane Wasserflüsse ermöglichen. Mittels Gefrierbruch-Elektronenmikroskopie wurde die Dichte von Protein-Komplexen in den Plasmamembranen der Oozyten untersucht. Hierbei konnte nachgewiesen werden, dass die angesprochenen unterschiedlichen Wasserpermeabilitäten auf eine molekulare Eigenschaft des entsprechenden Proteins zurückgehen können und nicht auf einen unterschiedlichen Einbau der Proteine in die Plasmamembran beruhen. Als drittes Projekt wurde untersucht, inwiefern sich die Stickstoff-Versorgung von Phaseolus vulgaris in Form von Ammonium, bzw. Nitrat, auf die Aquaporinexpression in der Wurzel auswirkt. Kooperationspartner konnten nachweisen, dass die Versorgung von Wurzeln mit Ammonium als Stickstoffform eine verringerte Rate der Wasseraufnahme zur Folge hat. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Behandlung mit Ammonium zu einer reduzierten Expression von PIP1-Aquaporinen in der Wurzel führt.


Abstract auf Englisch:

Aquaporins are members of the super-family of MIP-homologs (“major intrinsic proteins”). They build up membrane pores which facilitate the passage of water and small neutral solutes like glycerol and urea. Aquaporin mediated membrane transport is a passive event following an osmotic gradient. The purpose of this study was to examine three aspects of aquaporin function. The main project was to analyse the CO2 permeability of NtAQP1, an aquaporin from Nicotiana tabacum. Aquaporin mediated cellular CO2 uptake was initially shown in the heterologous Xenopus oocyte expression system. Following examinations in the homologous plant system also exhibited an altered cellular CO2 uptake following the expression level of NtAQP1. Furthermore in intact plants effects on CO2 dependent physiological processes could be shown. The modified expression of NtAQP1 influences stomatal movement and affects photosynthetic capacity of the plant. The results of this study provide evidence that the plant aquaporin NtAQP1 acts as a CO2 pore not only in the heterologous Xenopus oocyte expression system but also in the plant itself. Another part of this study dealt with the highly different water permeabilities of PIP1 and PIP2 aquaporins considering two aquaporins from Samanea saman as examples. PIP1 aquaporins normally induce a low water permeability in the Xenopus oocyte expression system, whereas the expression of PIP2 aquaporins enables pronounced transmembrane water fluxes. Using the technique of freeze fracture electron microscopy the density of protein complexes in oocyte plasma membranes was analysed. It could be shown that the different water permeabilities depend on a molecular feature of the aquaporins and not on a varying integration into the oocyte plasmamembrane. Furthermore the influence of nitrogen supply on aquaporin expression in french bean was analysed. Phaseolus vulgaris plants were supplied with ammonia or nitrate as nitrogen source. Collaboration partners could show that supply of roots with ammonia results in a reduced water uptake. This study showed that fertilising the plants with ammonia causes a reduced expression of PIP1 aquaporins in the roots.

Dokument aufgenommen :2004-07-23
URL:http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000465