C 3- und C 4-Photosynthese in Mais (Zea mays): das Hüllblatt der weiblichen Infloreszenz als Modellsystem zur Analyse photosynthetischer Genexpression

Hahnen, Silke; Kreuzaler, Fritz

doi:920

C 3- und C 4-Photosynthese in Mais (Zea mays): das Hüllblatt der weiblichen Infloreszenz als Modellsystem zur Analyse photosynthetischer Genexpression

Hahnen, Silke (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Silke Hahnen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

Umfang104 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kreuzaler, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-08-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-9202
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59624/files/Hahnen_Silke.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Mais (Genormte SW) ; Hüllblatt (Genormte SW) ; Photosynthese (Genormte SW) ; Genexpression (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Photosynthese (frei) ; Mais (frei) ; C3 (frei) ; C4 (frei) ; Subtraktion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
C4-Pflanzen wie Mais benötigen physiologische und anatomische Anpassungen zur Etablierung und Aufrechterhaltung ihres Photosynthesetyps. Die Regulation dieser Prozesse ist noch weitgehend unbekannt. Innerhalb dieser Arbeit wurde das Hüllblatt der weiblichen Infloreszenz als System zur Analyse C4-spezifischer Genexpression etabliert. Das blattähnliche Organ weist eine deutlich erhöhte Anzahl an Mesophyllzellen zwischen den Leitbündeln auf. Nur Mesophyllzellen mit direktem Kontakt zu Bündelscheidenzellen fixieren CO2 nach dem C4-Mechanismus, während weiter entfernte Mesophyllzellen anscheinend den C3-Stoffwechsel nutzen. Dieses C3-Mesophyll konnte im Rahmen dieser Arbeit isoliert und charakterisiert werden. In Verbindung mit den isolierten Laubblattgeweben Bündelscheide und C4-Mesophyll konnten somit vergleichende Analysen zur Expression der beiden Photosynthesetypen innerhalb einer Pflanze gemacht werden. Der photosynthetische Mechanismus der isolierten Gewebe konnte durch den Nachweis von typischen Transkripten über quantitative Real-Time-RT-PCR verifiziert werden. Durch Nutzung spezifischer Primer konnte ebenso gezeigt werden, dass die zwei bekannten Isogene für die kleine Untereinheit der Rubisco in C3- und C4-Geweben differentiell exprimiert werden, wobei die Isoform RbcS1 eine stark präferentielle Expression im C3-Mesophyll zeigt. Für die Transkriptionsfaktoren DOF1 und DOF2 war bereits zuvor eine wichtige Rolle in der Regulation lichtinduzierter Genexpression postuliert worden. Die hier aufgenommenen Expressionsmuster in C3- und C4-Geweben schließen dagegen eine Funktion bei der Steuerung des Photosynthesetyps aus. Beide Prozesse scheinen daher unabhängig voneinander reguliert zu werden. Die Isolierung des C3-Mesophylls aus Hüllblättern bot zudem die Möglichkeit einer subtraktiven Hybridisierung von C4- und C3-Geweben. Mit Hilfe dieser Technik gelang es, sechs neue bündelscheidenspezifische Transkripte zu identifizieren. Die Funktion der abgeleiteten Proteine ist noch unklar, doch mindestens eines der Transkripte scheint ausschließlich in C4-Pflanzen vorzukommen. In der Diskussion werden die Ergebnisse in einen Zusammenhang mit den bisher bekannten Regulationsmechanismen der C4-Photosynthese gebracht und die in dieser Arbeit verwendete Technik zur Untersuchung differentieller Genexpression kritisch betrachtet. Dabei wird das Hüllblatt als System zur Untersuchung des C4-Syndroms vergleichend zu anderen Analysesystemen diskutiert.

C4 plants like maize adopt physiological and anatomical modifications for the establishment and maintenance of their type of photosynthesis. The regulation of these processes is mostly unknown. Within this study the ear of the female inflorescence of maize was established as a system for analysing C4-specific gene expression. This leaf like organ shows a clearly increased number of mesophyll cells in between the vascular bundles compared to foliar leaves. Only mesophyll cells in direct contact with bundle sheath cells fix CO2 by the C4 mechanism, whereas mesophyll cells more distant from the vein seemingly use the C3 metabolism. Within this study, the C3 mesophyll was isolated and characterised. The isolation of C3 and C4 tissues enabled us to work out gene expression analyses comparing both types of photosynthetic regulation in a single plant. The photosynthetic mechanism of the isolated tissues was verified by the detection of typical transcripts via quantitative Real-Time-RT-PCR. Furthermore the two known isogenes encoding the small subunit of Rubisco were shown to be expressed differentially in C3 and C4 tissues with the subunit RbcS1 showing a stronger expression in C3 mesophyll. For the transcription factors DOF1 und DOF2 an important participation in light induced gene expression has been shown before. However, the gene expression patterns of C3 and C4 tissues generated in this study, exclude a controlling function of these factors in the establishment of a particular photosynthetic subtype. Thus, light induction and tissue specifity seem to be regulated independently. The isolation of the C3 mesophyll also facilitated the subtractive hybridisation of C3 and C4 tissues. Six new bundle sheath specific transcripts were identified applying this technique. The function of the deduced proteins is still unknown but at least one transcript is seemingly expressed exclusively in C4 plants. In the discussion the results are implicated with the already described regulating mechanisms of C4-photosynthesis and the methods for investigating differential gene expression used within this study are considered critically. By this, the husk leaf is compared with other model systems for the analysis of the C4 syndrome.

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