In den Chloroplasten von höheren Pflanzen sind die Galaktolipide Monogalaktosyldiacylglycerol (MGDG) und Digalaktosyldiacylglycerol (DGDG) die am weitesten verbreiteten Lipide. In dieser Forschungsarbeit wurde die Funktion der DGDG Synthase DGD1, und insbesondere die Funktion des N-terminalen Bereichs dieses Enzyms in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Die Überexpression des N-terminalen Bereichs von DGD1 in WT-Col2 resultierte in einem reduzierten Wachstum, welches sich jedoch von der dgd1-1 Mutante unterschied. Dies legte bereits nahe, dass die Expression von N-DGD1 einen negativen Einfluss auf das Wachstum hat. Durch Studien in einem heterologen E.coli Expressionssystem konnte diese These bestätigt werden. Zellen, die ausschließlich N-DGD1 zusammen mit einer MGD Synthase aus Gurke exprimierten, waren im Wachstum stark beeinträchtigt. Nicht nur der N-terminale Bereich von DGD1, auch der N-terminale Bereich von MGD1 besitzt eine Funktion als Transitpeptid und ist somit ein wichtiger Faktor zur korrekten Lokalisierung des MGD1 Proteins. In dieser Arbeit ist es gelungen, ein Fusionskonstrukt aus N-MGD1 und DGD2 in die dgd1-1 Mutante zu transferieren und damit das reduzierte Wachstum zu komplementieren. Frühere Versuche, ein reduziertes dgd1-1 Wachstum mit DGD2 allein zu komplementieren, scheiterten. Somit gibt dies einen Hinweis darauf, dass N-MGD1 als Transitpeptid fungieren kann. Bindungsstudien zur Interaktion von DGD1 und N-DGD1 Protein zeigten, dass die polaren Lipide MGDG und DGDG in Wechselwirkung mit dem N-terminalen Bereich von DGD1 treten. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist nicht erforscht, wie der Transport von DGDG und MGDG zwischen den Hüllmembranen des Chloroplasten erfolgt. Die in dieser Arbeit angefertigen Bindungsstudien konnten Hinweise darauf geben, dass N-DGD1 als eine Art „Antiporter“ fungiert, um MGDG und DGDG zwischen den Hüllmembranen zu transportieren. Weiterhin wurden Bindungsstudien zur Erforschung von Interaktionen der Glykosyltransferasen DGD1, DGD2, MGD1, MGD2 und MGD3 angefertigt. Dabei wurden Wechselwirkungen zwischen den Glykosyltransferasen DGD1, DGD2 und MGD2 detektiert. Interessant ist, dass Hinweise auf eine Dimerbildung bestimmter Enzyme gefunden wurden, so für DGD1 und MGD2. Ein weiterer Ansatz zur Erforschung von Wechselwirkungen von DGD1 Protein mit bis jetzt unbekannten Proteinen war die Expression von DGD1-StrepIITag und DGD1-CTAPTag Fusionsproteinen in dgd1-1 Mutanten. Es wurden für beide Tags transgene Linien generiert, die im Wachstum komplementiert waren und wildtypähnliche Mengen an DGDG akkumulierten. Die Expression der verschiedenen Tags in den Pflanzen war sehr unterschiedlich, wobei der DGD1-CTAP-Tag am stärksten exprimiert war. Mit Pflanzenmaterial dieser Linien kann nun eine Aufreinigung des getaggten Proteins und eventueller Interaktionspartner erfolgen. / The two galactolipids monogalactosyldiacylglycerol (MGDG) and digalactosyl-diacylglycerol (DGDG) constitute the bulk of membrane lipids in chloroplasts. They play a crucial role in organell development and are important for the functionality of photosynthetic complexes in thylakoids. Two DGDG synthases, DGD1 and DGD2, are found in Arabidopsis, and the two proteins localize to the chloroplast envelope membranes. The dgd1 mutant which contains only 10% of wild type amounts of DGDG shows a dwarf phenotype and reduced photosynthetic capacity. The DGD1 protein consists of two domains. While the C-terminal part is responsible for galactosyltransferase activity, no clear function can be attributed to the N-terminal extension. To study the function of the N-terminal part of DGD1 in chloroplast membrane lipid synthesis, translational fusion proteins harboring different DGDG synthase sequences were introduced into wild type and dgd1 mutant plants and analyzed for changes in lipid content and growth. The dgd1 mutant phenotype was complemented with a full-length DGD1 sequence, but not with DGD2. Interestingly, the chimeric fusion of the N-terminal part of DGD1 with DGD2 did complement the dgd1 growth and lipid deficiency. Over-expression of the N-terminal part of DGD1 in wild type Arabidopsis plants affected growth and resulted in alterations of leaf morphology. However, this phenotype was distinct from that observed for dgd1, because these transgenic plants contain normal amounts of galactolipids, and leaves are not yellowish. In conclusion, these data suggest that the N-terminal region of DGD1 might be important for galactolipid transport across the chloroplast envelope membranes towards the thylakoid membranes. Interaction studies between N-DGD1 Protein and different membrane lipids showed an interaction between N-DGD1 Protein and MGDG and DGDG. Till now not much is known about the transport mechanisms of DGDG and MGDG between the chloroplast envelopes. This work gave some indications, that the N-terminal part of DGD1 is involved in the transport of MGDG and DGDG between the chloroplast envelopes. Furthermore interaction studies were made for the glycosyltransferases DGD1, DGD2 MGD1, MGD2 and MGD3. Interactions between DGD1, DGD2 and MGD2 were observed. Another way for finding interacting proteins of DGD1 was the expression of a DGD1-CTAPTag fusion protein in the dgd1-1 mutant. These transgenic lines contained a high amount of DGD1-CTAPTag protein. With these plants its now possible to analyze interacting partners of DGD1 with help of Tandem Affinity Purification method.

In Chloroplasten durchlaufen primäre Transkripte eine großen Anzahl von bzw. Reifungsprozesse. Diese Ereignisse spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Genexpression und sind im Wesentlichen durch Proteinfaktoren, insbesondere RNA-Bindeproteine, reguliert. Der plastidäre Spleißfaktor MatK zählt zu den prokaryotischen Gruppe-II-Intron. MatK aus Nicotiana tabacum interagiert mit seinem Heimatintron trnK und sechs weiteren Gruppe IIA Introns. In dieser Untersuchung, MatK-Bindestellen konnten unterschiedlichen Regionen der Gruppe-II-Introns zugewiesen werden mit RIP-seq in Nicotiana tabacum. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass MatK im Vergleich zu seinen bakteriellen Vorfahren an Vielseitigkeit in der RNA-Erkennung gewonnen hat. MatK zeigt somit beispielhaft, wie eine Maturase die Fähigkeit erworben haben könnte, in trans auf mehrere Introns zu wirken. Quantitative Untersuchung und mathematische Modellierung der Expression von MatK und dessen Zielen offenbart ein komplexes Muster möglicher regulatorischer Feedback-Mechanismen. In dieser Studie konnte ein möglicher Feedback- Mechanismus durch Analyse von polysomal gebundenen Transkripten ausgeschlossen werden. Stabile Bindung von Proteinen an spezifische RNA-Bindestellen und anschließender Abbau der ungeschützten RNA kann zu Akkumulation von kleinen RNAs (sRNAs) führen. Solche Footprints von RNA-Bindeproteinen wurden durch die Untersuchung von Datensätzen kleiner RNAs in Chlamydomonas reinhardtii identifiziert. Zwei der sRNAs entsprechen den 5'' Enden der reifen psbB und psbH mRNAs. Beide sRNAs sind abhängig von Mbb1, einem TPR (Tetratrico-peptide repeat) Protein. Die beiden sRNAs besitzen eine hohe Ähnlichkeit in ihrer Primärsequenz und fehlen in der mbb1 Mutante. Dies legt nahe, dass auch andere der hier identifizierten sRNAs an 5'' Enden plastidärer mRNAs Protein-Bindestellen repräsentieren, die für die korrekte RNA-Prozessierung und RNA-Stabilisierung in Chlamydomonas Chloroplasten erforderlich sind. / In chloroplasts, primary transcripts are subjected to a number of processing events. These events play important roles in the regulation of gene expression and are extensively controlled by protein factors, especially by RNA-binding proteins. Chloroplast splicing factor MatK is related to prokaryotic group II intron maturases. Nicotiana tabacum MatK interacts with its home intron trnK and six additional group IIA introns. In this study, binding sites of MatK were narrowed down to varying regions of its group II targets by RIP-seq in Nicotiana tabacum. The results obtained demonstrate that MatK has gained versatility in RNA recognition relative to its bacterial ancestors. MatK thus exemplifies how a maturase could have gained the ability to act in trans on multiple introns during the dispersion of the group II introns through the eukaryotic genome early in the eukaryote evolution. Quantitative investigation and mathematical modeling of the expression of MatK and its targets revealed a complex pattern of possible feedback regulatory interactions. In this study, one possible feedback regulation mechanism was ruled out by the analysis of polysome associated transcripts. Stable binding of proteins to specific RNA sites and subsequent degradation of the unprotected RNA regions can result in small RNA, footprint of the RNA binding protein. Such footprints were identified by examining small RNA datasets of Chlamydomonas reinhardtii. Two of the sRNAs correspond to the 5’ ends of mature psbB and psbH mRNAs. Both sRNAs are dependent on Mbb1, a nuclear-encoded TPR (Tetratrico-peptide repeat) protein. The two sRNAs have high similarity in primary sequence, and both are absent in the mbb1 mutant. This suggests that sRNAs at the 5’ ends of chloroplast mRNAs identified here generally represent the binding sites of proteins, which function in RNA processing and RNA stabilization in Chlamydomonas chloroplast.

Die Identifizierung des albostrians Gens erfolgte mittels Karten-basiertem Klonieren. Begonnen wurde mit der Kartierung in zwei kleinen F2-Kartierungspopulationen, MM4205 und BM4205, die zur Lokalisierung des Genes auf dem langen Arm von Gerstenchromosom 7H führte. Durch Kartierung mit hoher Auflösung in Verbindung mit extensiver Markersättigung konnte der betreffende DNA-Bereich schrittweise von anfangs 14,29 cM auf schließlich 0,06 cM eingeschränkt werden, wobei insgesamt 1344 F2-Pflanzen analysiert wurden. Zwischen den nächsten flankierenden genetischen Markern konnte in einem Bereich von 46 Kbp ein einzelnes Gen identifiziert werden. Durch Sequenzvergleich des abgeleiteten Genprodukts mit Einträgen in Datenbanken konnte das Protein der CMF-Genfamilie putativer Transkritionsregulatoren mit DNA-bindenden oder Protein-Protein-Wechselwirkungs-Eigenschaften zugeordnet werden. Eine erste Bestätigung der Identität des Kandidatengens mit dem albostrians-Gen konnte durch Analyse einer EMS-induzierten TILLING-Population (abgeleitet von der Gerstensorte ‚Barke’) erreicht werden. Unter den 42 gefundenen induzierten Mutationen gab es eine Mutation, die zu einem vorzeitigen Stopcodon und damit nach der Translation potenziell zu einem verkürztem Protein führt. Die Nachkommenschaft dieser heterozygoten Mutante spaltete in grüne und albino Pflanzen auf. Der albino-Phänotyp war perfekt mit dem homozygoten Status der nonsense-Mutation in den untersuchten 245 M4-Nachkommen von fünf heterozygoten M3-Pflanzen der Mutantenfamilie verbunden. Nach transienter Transformation von Gerstenblatt-Epidermiszellen mittels biolistischem Cobombardement von ALBOSTRIANS::GFP-Fusionsprotein mit dem mCherry-markierten Organellenmarker pt-rk-CD3-999 konnte die Lokalisation des ALBOSTRIANS-Proteins in den Plastiden und im Kern beobachtet werden. / Map-based cloning was employed for identification of the albostrians gene. Starting with mapping in two small F2 mapping populations, MM4205 and BM4205, the locus could be assigned to the long arm of barley chromosome 7H. High-resolution genetic mapping in conjunction with extensive marker saturation allowed to reduce the genetic target interval iteratively from initially 14.29 cM to finally 0.06 cM by analyzing a total of 1344 F2 plants. A single gene could be identified in a physical distance of 46 Kbp between the closest flanking genetic markers. Functional annotation of the deduced protein revealed it to represent a member of the CMF gene family of putative transcriptional regulators comprising DNA binding or protein-protein interaction properties. The identified candidate gene was first confirmed by screening an EMS-induced TILLING population derived from barley cv. ‘Barke’. Among the 42 identified induced mutations a single mutation introduced a premature stop codon potentially resulting in a shorter protein upon translation. Progeny of this heterozygous mutant segregated for green and albino plants. The albino phenotype was perfectly linked with the homozygous state of the stop codon mutation in 245 M4 offspring of five heterozygous M3 plants of the mutant family. Transient transformation by biolistic co-bombardment of barley epidermal cells with an ALBOSTRIANS::GFP fusion protein and an mCherry labelled organelle marker pt-rk-CD3-999 revealed the ALBOSTRIANS protein is targeting to plastids and nucleus.

No description available.