Würzburg, Univ., Diss., 2009. / Zsfassung in engl. Sprache.

Techn. University, Diss., 2005--München.

In higher plants, [2Fe-2S] cluster containing fererdoxins (Fds) are the unique electron acceptors from photosystem I (PSI). Fds are small, soluble proteins and distribute these electrons to many enzymes, which act in different metabolic and signaling pathways. In addition to four well studied Fds, Arabidopsis possess genes for two significantly different, as yet uncharacterized Fds, with extended C-terminals, which are therefore called FdCs. For normal Fds, this C-terminus is critical for interaction with the C, D and E subunits of PSI during photosynthetic electron transport (PET). FdC1 and FdC2 are highly conserved from algae and cyanobacteria respectively to higher plants. This leads to the suggestion that they fulfill a conserved function, which is so far unknown. The results presented in this thesis show that FdC1 is a chloroplast located protein with a [2Fe-2S] cluster showing a blue shift in the electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum in comparison to the well-known Fds. The EPR g values of FdC1 point to high similarity with the organization of the succinate dehydrogenase [2Fe-2S] cluster than that of classical Fd clusters. Furthermore it was established that FdC1 is unlikely to be involved in PET, due to its inability to photoreduce NADP+, because of a more positive redox potential in comparison to the well-studied Fds. In several interaction studies no previously described Fd-dependent enzymes could be found. By contrast FdC1 was found to interact with two of five enzymes of sulfate assimilation, serine O-acetyltransferase 2;1 (SERAT2;1) and 3‘-phosphoadenosine 5‘-phosphosulfate synthase (APS3), and it is proposed that FdC1 might have a regulatory function in sulfur assimilation through its interaction with these two proteins. Furthermore, several redox enzymes were found to interact with FdC1. One of these enzymes is the 3-oxoacyl-[acyl-carrier-protein] reductase, which is part of the fatty acid synthase complex. This interaction opens up the question, whether FdC1 might be able to channel electrons into the synthesis of specific fatty acids. In case of FdC2 the results have also proven that it is a chloroplast located protein containing a [2Fe-2S] cluster. FdC2 was detected in defined foci in the chloroplast, and our data suggests that in is both soluble and localized at the chloroplast envelope membrane. FdC2 is also very unlikely to be involved in PET, because it was found to be unable to receive electrons from PSI or FNR. Furthermore it is proposed that FdC2 has an alternative function in copper (Cu) import into the chloroplast through interaction with a Cu transporting ATPase, PAA1. This interaction was confirmed by several methods, although its functional significance is not yet completely understood. One possibility is that FdC2 regulates PAA1 or supports the reduction of Cu2+ to Cu+, before import into the chloroplast is possible.

Thesis (doctoral)--Humboldt-University, Berlin, 2003.

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Glutaredoxine wie auch Thioredoxine gehören der großen Proteinfamilie der Redoxine an. Das in dieser Arbeit näher untersuchte Glutaredoxin S17 (GRXS17) besteht aus einer Thioredoxin (Trx)- und bis zu drei Glutaredoxin (Grx)-Homologie-Domänen (HD). Es ist in ähnlicher Zusammensetzung in allen eukaryotischen und in vielen prokaryotischen Organismen unter unterschiedlichen Namen zu finden. Der Aufbau aus einer Trx-HD und drei Grx-HD kommt nur in höheren Pflanzen vor. In dieser Arbeit wurde das GRXS17 aus A. thaliana (AtGRXS17) sowohl durch computerbasierte Promotoranalysen als auch durch in vitro-Protein-Interaktionsstudien mit Transkriptionsfaktoren und Kinasen in Verbindung gebracht, die an Differenzierungsprozessen wie z.B. der Blühinduktion und/ oder an der Blütenbildung beteiligt sind. Mittels Bimolekularer Fluoreszenzkomplementation (BiFC) wurden Interaktionen von AtGRXS17 mit der Kinase At1g50570 und dem CCAAT-Transkriptionsfaktor NF-YC11 (At3g12480) verifiziert, welche zuvor bereits mittels massenspektrometrischer Analysen von pulldown-Versuchen identifiziert worden waren. Die drei Grx-HD des AtGRXS17-Proteins können [2Fe-2S]-Cluster einlagern (Kooperation mit C. Berndt, Karolinska Institut, Schweden). Eine regulative Funktion auf Transkriptebene, wie sie für das zu AtGRXS17 homologe GRX4 aus Saccharomyces cerevisiae (ScGRX4) durch die Interaktion mit dem CCAAT-Transkriptionsfaktor PHP4 in Abhängigkeit vom [2Fe-2S]-Cluster-Status des ScGRX4 stattfindet, ist daher denkbar. T DNA-Insertions-Mutanten im AtGRXS17-Gen generieren unter Langtag-Bedingungen (LT) verschiedene Differenzierungs-Phänotypen, während die Pflanzen unter Kurztag-Bedingungen (KT) in ihrer Entwicklung keine Abweichungen vom WT aufweisen. Der auffälligste dieser LT-Phänotypen zeigt eine verspätete Blühinduktion, die mit einem blütenlosen ersten Spross (PIN-like-Phänotyp) einhergeht. Erhöhte Lichtintensitäten verzögern die Blühinduktion weiter und lösen unterschiedliche stark ausgeprägte Entwicklungsstörungen in allen Blüten aus. Verschiedene, ebenfalls an der Blühinduktion beteiligte Vertreter der NF-Y-Transkriptionsfaktoren bilden mit CONSTANS (CO) einen Transkriptionsfaktor-Komplex zur Initiation der Transkription von FLOWERING LOCUS T (FT), dessen Genprodukt aus dem Blatt über das Phloem in den Vegetationskegel transportiert wird. Dort löst der Transkriptionsfaktor FT mit weiteren Transkriptionsfaktoren die Blühinduktion aus. Die Interaktion von AtGRXS17 mit dem NF YC11 und die Funktionsweise dieser Transkriptionsfaktor-Familie legen nahe, dass AtGRXS17 an regulativen Prozessen der Transkription von FT und somit an der Blühinduktion beteiligt ist. In 35S::AtGRXS17-Komplementations-Linien sind alle beobachteten Phänotypen der AtGRXS17-KO-Pflanzen behoben. Gibberellinsäure-Behandlungen an den KO-Pflanzen schwächen die Phänotypen, die bei Blühinduktion und Blütenbildung auftreten, ab. Vernalisierung unter LT-Bedingungen revertiert den Phänotyp der KO-Mutante vollständig. Da diese Behandlungen, die die Phänotypen des AtGRXS17 revertieren können, Mechanismen betreffen, die der Induktion durch die Photoperiode (LT) nachgeschaltet sind, ist der Wirkort von AtGRXS17 im Blühinduktionsweg durch LT-Bedingungen belegt.

Neben dem förderlichen Effekt der Energiegewinnung stellt die Nutzung des Sonnenlichts auch Risiken für Pflanzen dar, insbesondere bei hohen Lichtintensitäten.Um die Balance aus Nutzen und Schaden der Lichtenergie gewährleisten zu können und sich schnell auf sich ändernde Lichtbedingungen einstellen zu können, verfügen Pflanzen über eine Vielzahl von Schutzmechanismen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe transgener Pflanzen die Rollen der chloroplastidären NADP-abhängigen Malatdehydrogenase (NADP-MDH) und der mitochondrialen Alternativen Oxidase (AOX) im Stoffwechsel von Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. näher zu charakterisieren. Die Analyse von nadp-mdh-knockout (ko)-Mutanten hat dabei auf erstaunliche Art und Weise verdeutlicht, wie flexibel der Metabolismus der Pflanze ist, um die Redoxhomöostase bei hohen Lichtintensitäten aufrecht zu erhalten und oxidative Schäden zu vermeiden. Überraschenderweise wurden bei diesen Mutanten selbst beim Wachstum unter hohen Lichtintensitäten keine Unterschiede zu entsprechenden Wildtyp (WT)-Pflanzen sichtbar. Jedoch konnten im Rahmen dieser Arbeit drei kompensatorische Stoffwechselwege aufgedeckt werden, welche die nadpmdh-ko-Pflanzen unter Starklichtbedingungen vor Photoinhibition schützen. So können die Mutanten durch eine erhöhte Aktivität des NTRC-Systems, höhere Photorespirationsraten und die Akkumulation von Prolin im Starklicht für den Erhalt der Redoxhomöostase sorgen und den Verlust der NADP-MDH ausgleichen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Regulation der NADP-MDH-Expression durchgeführt. Die dazu durchgeführten Analysen der Promotorregion des NADP-MDH-Gens (At5g58330) bestätigten die Hypothese, dass regulatorische Elemente, die das komplexe Expressionsmuster der NADP-MDH in A. thaliana kontrollieren, im Laufe der Evolution in die kodierende Region des Gens verlagert wurden. In einem weiteren Ansatz wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit aox1a-ko-Mutanten untersucht. Eine Inhibition des Cytochrom-Wegs unter Verwendung von Antimycin A (AA), welches in WT-Pflanzen die Expression von AOX1A induziert, führte zu erheblichen Differenzen zwischen aox1a-ko-Mutanten und WT-Pflanzen. Zusammenfassend geben die Befunde eindeutige Hinweise darauf, dass die AOX1A-Isoform in A. thaliana insbesondere unter Stressbedingungen eine entscheidende Aufgabe bei der „Entsorgung“ überschüssiger Reduktionsäquivalente aus den Chloroplasten übernimmt. Auf diese Weise kommt der AOX1A-Isoform eine besondere Bedeutung bei der Optimierung der Photosyntheserate bzw. dem Schutz der photosynthetischen Elektronentransportkette vor Überreduktion zu. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass das Fehlen des AOX1A-Isoenzyms nach AA-Behandlung in A. thaliana zu einer erhöhten Expression der AOX1D-Isoform führt.