The contribution of extrachloroplastic factors and plastid gene expression to chloroplast development and abiotic stress tolerance

Xu, Duorong (2020): The contribution of extrachloroplastic factors and plastid gene expression to chloroplast development and abiotic stress tolerance. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Photosynthesis is a fundamental and vital physiological process in plants that occurs in the chloroplast. Chloroplast biogenesis is complex and is determined by nuclear, cytosolic, and chloroplastic activities. PP7L is a PP7-like protein that primarily resides in the nucleus. In the absence of PP7L, chloroplast development in cotyledons and young leaves is delayed. Sigma factor and light signaling mutants have been used to explore a potential relationship with pp7l. But molecular biology and phenotypic analyses of pp7l mutants indicate that PP7L operates via a novel pathway. Without PP7L, plants are defective in photosynthesis due to the inability of pp7l to promote chloroplast ribosomal RNA (rRNA) maturation and chloroplast protein translation. Furthermore, we identified a nuclear protein VENOSA4 (VEN4) in Arabidopsis, which plays a crucial role in chloroplast biogenesis. In plants, imbalances of the deoxynucleoside triphosphate (dNTP) pool can be caused by mutated ribonucleotide reductase, which is responsible for the de novo synthesis of dNTPs. However, the molecular mechanism of dNTP degradation, which contributes to the control of the intracellular dNTP pool in plants, is not understood well. This study provides evidence that VEN4 is homologous to a human sterile alpha motif and HD-domain containing protein 1 (SAMHD1), which is involved in dNTP catabolism. With respect to ven4, the synthesis processes of chloroplast proteins are affected, thereby decreasing the optimal quantum efficiency of photosystem II. We further found that treatment of germinated seeds with exogenous dCTP or a pool of dNTPs resulted in the rescue of photosynthesis-deficient phenotypes of ven4 seedlings. This suggests that VEN4 maintains the homeostatic balance of dNTPs and is functional in the chloroplast development process of plants. Coordinated subcellular exchange of signals is a basic feature of eukaryotic organisms. Plastid gene expression may elicit a retrograde signal during plant development and for acclimation to various environmental stress conditions. The mitochondrial transcription termination factor (mTERF) family binds to nucleic acids. In Arabidopsis, mTERF10, mTERF11, and mTERF12 belong to the “chloroplast-associated” group that has previously been described. Here we show that mTERF10, mTERF11, and mTERF12 are localized in chloroplast nucleoids. Abiotic stress conditions set the approach to obtain more information about the physiological effects of PGE, as the investigation of mterf10 and mterf11 mutants and overexpression lines showed that mTERF-PGE is related to salt stress responses. Another strategy was based on the identification of currently unknown factors that are involved in PGE-retrograde signaling via forward-genetic screens. This strategy led to the identification of new mutants with genomes uncoupled (gun) like phenotypes that express nuclear-encoded Lhcb and RbcS transcripts in the presence of lincomycin, an inhibitor of plastid translation. The holi6 mutant was among the identified mutants that displayed chlorophyll autofluorescence and a gun like phenotype when grown on MS plates supplemented with lincomycin. Surprisingly, in the holi6 mutant, the mutation resided in the gene that encodes cellulose synthase, which is required for the synthesis of secondary cell walls. Thus, this study proposes and expands on new perspectives regarding how cell walls can affect chloroplast biogenesis.

Abstract

Die Photosynthese ist ein grundlegender und lebenswichtiger physiologischer Prozess in Pflanzen, der im Chloroplasten stattfindet. Die Chloroplasten-Biogenese wiederum ist sehr komplex und wird durch nukleäre, cytosolische und chloroplastische Aktivitäten bestimmt. PP7L ist ein PP7-ähnliches Protein, das sich hauptsächlich im Kern befindet. In Abwesenheit von PP7L ist die Chloroplasten-Entwicklung in Keimblättern und jungen Blättern verzögert. Sigmafaktor- und Lichtsignal-Mutanten wurden verwendet, um eine mögliche Beziehung zu pp7l zu untersuchen. Molekularbiologie und phänotypische Analysen von pp7l-Mutanten zeigen jedoch, dass PP7L über einen neuen Weg arbeitet. Ohne PP7L sind Pflanzen in der Photosynthese defekt, da PP7L ein positiver Faktor in der Reifung der ribosomalen Chloroplasten-RNA (rRNA) und der Translation der Chloroplastenproteine ist. Darüber hinaus haben wir in Arabidopsis ein Kernprotein VENOSA4 (VEN4) identifiziert, das eine entscheidende Rolle bei der Biogenese von Chloroplasten spielt. In Pflanzen können Ungleichgewichte des Desoxynukleosidtriphosphat (dNTP) -Pools durch mutierte Ribonukleotidreduktase verursacht werden, die für die De-novo-Synthese von dNTPs verantwortlich ist. Der molekulare Mechanismus des dNTP-Abbaus, der zur Kontrolle des intrazellulären dNTP-Pools in Pflanzen beiträgt, ist jedoch nicht gut verstanden. Diese Studie liefert Hinweise darauf, dass VEN4 homolog zu einem humanen sterilen Alpha-Motiv und HD-Domänen-Protein (SAMHD1) ist, das am dNTP-Katabolismus beteiligt ist. In der ven4 Mutante werden die Synthesevorgänge von Chloroplastenproteinen beeinflusst, wodurch die optimale Quanteneffizienz des Photosystems II verringert wird. Wir fanden ferner heraus, dass die Behandlung von gekeimten Samen mit exogenem dCTP oder einem Pool von dNTPs zur Rettung von Photosynthesemangel-Phänotypen von ven4-Keimlingen führte. Dies legt nahe, dass VEN4 das homöostatische Gleichgewicht von dNTPs aufrechterhält und im Chloroplastenentwicklungsprozess von Pflanzen funktionsfähig ist. Ein koordinierter subzellulärer Signalaustausch ist ein grundlegendes Merkmal eukaryotischer Organismen. Die Plastiden-Genexpression kann während der Pflanzenentwicklung und zur Anpassung an verschiedene Umweltstressbedingungen ein retrogrades Signal auslösen. Die Familie der mitochondrialen Transkriptionsterminationsfaktoren (mTERF) bindet an Nukleinsäuren. In Arabidopsis gehören mTERF10, mTERF11 und mTERF12 zu der zuvor beschriebenen "Chloroplasten-assoziierten" Gruppe. Hier zeigen wir, dass mTERF10, mTERF11 und mTERF12 in Chloroplasten-Nukleoiden lokalisiert sind. Abiotische Stressbedingungen können dazu beitragen, die physiologischen Wirkung von PGE noch besser zu verstehen. Die Untersuchung von mterf10- und mterf11-Mutanten und Überexpressionslinien zeigte einen Zusammenhang zwischen mTERF-PGE und der Salzstressreaktion. Eine andere Strategie, Faktoren der PGE-retrograden Signaltransduktion zu identifizieren, basierte auf der Identifizierung derzeit unbekannter Faktoren durch vorwärtsgenetische Screenings. Diese Strategie führte zur Identifizierung neuer Mutanten mit genomes uncoupled (gun) Phänotypen, die kernkodierte Lhcb- und RbcS-Transkripte in Gegenwart von Lincomycin, einem Inhibitor der Plastidentranslation, exprimieren. Die holi6-Mutante gehörte zu den identifizierten Mutanten, die eine Chlorophyll-Autofluoreszenz und einen gun wie Phänotyp zeigten, wenn sie auf mit Lincomycin supplementierten MS-Platten angezogen wurden. Überraschenderweise befand sich die Mutation in der holi6-Mutante in dem Gen, das für eine Cellulosesynthase kodiert, die für die Synthese der sekundären Zellwände erforderlich ist. In dieser Studie werden daher neue Perspektiven vorgeschlagen und erweitert, wie Zellwände die Biogenese von Chloroplasten beeinflussen können.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. Juli 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Kleine, Tatjana