Molekulare Komponenten und evolutionäre Bedeutung der Regulation der Gldp Promotoren in Arabidopsis thaliana

• Antragstellerin: Professorin Dr. Jutta Papenbrock, seit 4/2017
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271649190

Ein wichtiger Schritt in der Evolution der C4 war die Beschränkung der Glycindecarboxylase (GDC)- Aktivität auf Bündelscheiden (BS)-Zellen. Einige Pflanzen, die als C2 Pflanzen oder C3-C4 Intermediate bezeichnet werden, nutzen noch heute diesen Mechanismus, um die Refixierung von in der Photorespiration freigesetzem Kohlendoxid zu verbessern. Die verfügbaren Daten legen nahe, dass GDC durch Beschränkung der Expression des Gens für die P-Untereinheit (Gldp) auf BS Zellen in diesen konzentriert wurde. In Arabidopsis, einer klassischen C3 Pflanze, kodieren die Gene Gldp1 und Gldp2 für GLDP Proteine. Die Gene sind funktionell redundant und werden beide in Mesophyll (M)- und BS-Zellen exprimiert. Durch Promotor-Reporter Fusionen konnten wir zeigen, dass Deletion eines vom Kernpromotor entfernten Sequenzelements zum Verlust der Expression beider Gene in M Zellen führte. Das resultierende Expressionsmuster ist mit dem BS-spezifischen Muster in C2 und C4 Pflanzen vergleichbar. Wir konnten die M box auf 60 bp eingrenzen und in diesem Bereich ein in den Brassicaceae hochkonserviertes 13 bp langes Sequenzelement identifizieren. Im Bereich der M box konnten wir eine deutlich verringerte Nucleosomendichte beobachten. In diesem Projekt wollen wir die minimale M box eingrenzen und trans-agierende M box Bindefaktoren (MBBF) identifizieren. Durch Überexpression und Mutation werden wir deren Funktion charakterieren. Weiterhin wollen wir durch Expression einer BS-spezifischen Version des Gldp1-Gens in einer gldp Mutante das GLDP-Protein auf BS-Zellen beschränken und die Physiologie der resultierenden Arabidopsis-Pflanzen studieren. Der Volllängen-Gldp1 Promotor und die BS-spezifische Variante werden wir mit Reportergenen fusionieren und in Gynandropsis gynandra, der zu Arabidopsis am nächsten verandten C4-Pflanze, exprimieren. Weiterhin werden wir die Studie auf die Gldp Promotoren in Reis erweitern, um ein M box-Homolog in Gräsern zu identifizieren und damit die schnell zunehmende Zahl an C3, C2 und C4-Genomen für komparative genomische Analysen nutzen zu können. Unsere Analysen werden mechanistische Einsichten in die Evolution des C2- und C4-Metabolismus erlauben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Christoph Peterhänsel, bis 4/2017