Die Kompaktierung der Nukleoide in Chloroplasten der Gerste (Hordeum vulgare L.) durch WHIRLY1

Oetke, Svenja

In den Plastiden liegt die DNA (ptDNA) in Form von DNA-Protein-Strukturen vor, die in Anlehnung an die Organisation bakterieller DNA als Nukleoide bezeichnet werden. Ein abundantes Protein plastidärer Nukleoide Höherer Pflanzen ist WHIRLY1. In der vorliegenden Arbeit wurde das WHIRLY1-Protein der Gerste (HvWHIRLY1) als Kompaktierungsprotein für die Nukleoide in jungen und ausdifferenzierten Chloroplasten identifiziert. Untersuchungen zur Nukleoidmorphologie in transgenen Gerstenlinien, in denen die Menge an HvWHIRLY1 durch RNAi reduziert ist, zeigten, dass eine Teilpopulation der Nukleoide im Vergleich zu den Nukleoiden des Wildtyps deutlich vergrößert ist und damit einhergehend einen verringerten Kompaktierungsgrad aufweist. Die kompaktierende Wirkung des HvWHIRLY1-Proteins auf die Nukleoide wurde außerdem mit heterologen Expressionsstudien in E. coli bestätigt. Auch das WHIRLY1-Protein des Maises bewirkt eine stärkere Verpackung der bakteriellen Nukleoide, während die plastidären WHIRLY-Proteine von Arabidopsis diese Funktion nicht besitzen. Die Wirkung als Kompaktierungsprotein ist auf ein kurzes Motiv am N-Terminus der monokotylen WHIRLY1-Proteine, das PRAPP-Motiv, zurückzuführen, das ausschließlich in den WHIRLY1-Proteinen aus der Familie der Poaceae zu finden ist. Die transgenen WHIRLY1-RNAi-Linien weisen zudem einen erhöhten Gehalt an ptDNA in ausdifferenzierten Chloroplasten auf, was auf eine erhöhte Replikationsaktivität hinweist. HvWHIRLY1 scheint die Replikation über die Nukleoidverpackung, welche die Zugänglichkeit der ptDNA für die Replikationsmaschinerie beeinflusst, zu steuern. Im Wildtyp sowie in den transgenen WHIRLY1-RNAi-Linien unterliegt die HvWHIRLY1-Proteinmenge entwicklungs- und umweltabhängigen Schwankungen. Die lichtinduzierte Reduktion des HvWHIRLY1-Proteins führt in den transgenen WHIRLY1-RNAi-Linien zu photooxidativem Stress. Das HvWHIRLY1-Protein scheint daher auch eine Rolle bei der Anpassung der Pflanze an Stressbedingungen zu spielen.

The DNA of plastids (ptDNA) is organized as DNA-protein-structures, which were designated as nucleoids with regard to bacterial nucleoids. An abundant protein of plastid nucleoids in higher plants is WHIRLY1. In the present work the WHIRLY1 protein of barley (HvWHIRLY1) was identified as a nucleoid compacting protein in young and mature chloroplasts. The investigation of the nucleoid morphology in transgenic barley lines, that have an RNAi-mediated reduction of the HvWHIRLY1 protein level, revealed that a subpopulation of nucleoids is enlarged and less condensed in comparison to wild type nucleoids. Heterologous expression of HvWHIRLY1 in E. coli confirmed that the HvWHIRLY1 protein has a function in compacting nucleoids. As well the WHIRLY1 protein of maize leads to an enhanced packaging of bacterial nucleoids, whereas plastid WHIRLY proteins of Arabidopsis have no impact on nucleoid compaction. The nucleoid compacting WHIRLY1 proteins in the family of Poaceae have a short N-terminal motif, the PRAPP-motif. These findings indicate functional differences between plastid WHIRLY proteins of monocots and dicots. Moreover, the transgenic WHIRLY1-RNAi lines contain an enhanced ptDNA content in mature chloroplasts indicating an enhanced plastid replication activity. By its impact on the structure of nucleoids HvWHIRLY1 seems to regulate the accessibility of ptDNA to the replication machinery of plastids. Accumulation of the HvWHIRLY1 protein depends on development-dependent and environment-dependent cues both in the wild type and the transgenic WHIRLY1-RNAi lines. The light-induced reduction of the HvWHIRLY1 protein leads to photooxidative stress in the transgenic WHIRLY1-RNAi lines. Therefore, the HvWHIRLY1 protein seems to play a role in plant acclimation to stress conditions.

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Oetke, Svenja: Die Kompaktierung der Nukleoide in Chloroplasten der Gerste (Hordeum vulgare L.) durch WHIRLY1. 2016.

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