Heckwolf, Marlies (2010)
Funktionelle Charakterisierung der Arabidopsis thaliana Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die pflanzlichen Aquaporine der Plasmamembran intrinsischen Proteine (PIP) lassen sich in zwei Untergruppen einteilen, die PIP1 und PIP2 Aquaporine. Obwohl diese beiden Gruppen ähnliche Porenregionen aufweisen unterscheiden sie sich in ihrer Leitfähigkeit für Wasser und kleinere Moleküle. Im Vergleich zur hohen Wasser-Leitfähigkeit von PIP2- Aquaporinen, sind PIP1-Aquaporine nahezu wasserundurchlässig. Im Gegensatz dazu können PIP1-Aquaporine die Diffusion von kleinen, ungeladenen Molekülen (Glycerin, Harnstoff, CO2) erleichtern, PIP2-Aquaporine jedoch nicht. Im Rahmen dieser Arbeit sollten die Leitfähigkeitscharakteristika der Aquaporine AtPIP1;2 und AtPIP2;3 aus Arabidopsis thaliana in einem Hefeexpressionssystem mit Hinblick auf ihre Wasser-und Kohlendioxid-Leitfähigkeit untersucht und im Anschluss ihre physiologische Bedeutung für die Pflanze analysiert werden. Es zeigte sich, dass AtPIP2;3 die Membranpermeabilität für Wasser signifikant erhöhen konnte, wohingegen AtPIP1;2 dies nicht vermochte. Im Gegensatz dazu war AtPIP1;2 in der Lage, die Diffusion von CO2 über die Hefe-Plasmamembran zu erleichtern, AtPIP2;3 jedoch nicht. Die physiologische Relevanz dieser verschiedenen Aquaporin-Leitfähigkeiten wurde mit Hilfe von T-DNA-Insertionslinien untersucht. Die verwendeten A. thaliana-Linien atpip1;2-1 und atpip2;3-1, konnten als homozygot charakterisiert werden. Linie atpip1;2-1 enthält lediglich die Insertion im AtPIP1;2-Gen. In Linie atpip2;3-1 findet sich neben der Insertion im AtPIP2;3-Gen eine weitere in einer nicht codierenden Region des 3. Chromosoms. Bei beiden Linien führt die T-DNA-Insertion zum Verlust der entsprechenden Aquaporin-mRNA. Die Untersuchung der hydraulischen Leitfähigkeit von Arabidopsis-Wurzeln der beiden Insertionslinien ergab, dass im Vergleich zur Kontroll-Linie die Abwesenheit von AtPIP2;3 keinen Einfluss auf die hydraulische Leitfähigkeit hat. Dagegen scheint AtPIP1;2 eine Komponente des symplastischen Transportweges von Wasser in der Wurzel zu sein, da atpip1;2-1-Wurzeln eine deutliche Reduktion der hydraulischen Leitfähigkeit aufwiesen. Auch im Blatt konnte eine physiologische Bedeutung von AtPIP1;2 nachgewiesen werden, da Messungen des pflanzlichen Gaswechsels der Linie atpip1;2-1 eine signifikant verringerte photosynthetische Assimilationsrate und stomatäre Leitfähigkeit ergaben. Als Ursache hierfür konnte die starke Reduktion der Mesophyll-Leitfähigkeit für CO2 (gm) identifiziert werden. Hier kommt vermutlich die im heterologen Expressionssystem nachgewiesene molekulare CO2-Leitfähigkeit von AtPIP1;2 zum Tragen. Für Linie atpip2;3-1 konnten bezüglich der Gaswechsel-Analysen keinerlei Unterschiede zu den Kontroll-Pflanzen festgestellt werden. Die Ergebnisse weisen auf eine Funktion von AtPIP1;2 sowohl in der Wasser-Aufnahme durch die Wurzeln als auch in der Erleichterung der CO2-Diffusion im Blatt hin. Hingegen konnte basierend auf den durchgeführten Untersuchungen nicht festgestellt werden, inwieweit AtPIP2;3 von physiologischer Bedeutung ist.

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