Exploring the roles of chloroplast envelope proteins in plant acclimation processes

Lo, Wing Tung (2021): Exploring the roles of chloroplast envelope proteins in plant acclimation processes. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

In vascular plants, the chloroplast not only serves as the cellular site of photosynthesis but also houses the enzymatic machinery essential for numerous interwoven biochemical pathways central to plant metabolism. As the interface between plastid and cytosol, the chloroplast envelopes perform a range of critical functions including the facilitation of ionic and metabolic exchange and acting as a major site for lipid metabolism in plants. Changes in chloroplast metabolism is instrumental in plant acclimation to adverse environmental conditions. Correspondingly, proteins of the chloroplast envelope have been increasingly recognised for their roles in such processes, particularly cold acclimation. While extensive efforts have illuminated the multifaceted nature of the chloroplast envelope and its potential role in cold acclimation, many of its constituent proteins remain to be characterised on the molecular level. In this work, artificial microRNA-based screens were conducted to probe the chloroplast outer envelope landscape, which led us to investigate the Chloroplast Lipid Remodelling Protein 23 (CLRP23) in more detail. Formerly known in published literature as Outer Envelope Protein 23 (OEP23), CLRP23 was originally identified in the chloroplast envelopes of Pea and assumed to localise to the outer envelope due to the absence of a predicted transit peptide. While subfractionation analysis and protease protection assays suggest an alternative localisation of CLRP23 to the chloroplast inner envelope, characterisation of mutants deficient in CLRP23 reveal significant impairments in photosynthesis and altered galactolipid responses under cold treatment. This work predominantly explores the alternative function of CLRP23 as component of the chloroplast inner envelope and investigates its role in lipid remodelling processes during cold acclimation. Finally, eight envelope transporter candidates with as yet unknown molecular functions were identified from proteomic analysis of chloroplast envelopes and subjected to preliminary characterisation to provide a basis for future research.

Abstract

In Gefäßpflanzen fungiert der Chloroplast nicht nur als zellulärer Ort der Photosynthese, sondern beherbergt auch die enzymatische Maschinerie, die zahlreiche für den Pflanzenstoffwechsel zentrale biochemische Prozesse ermöglicht. Als Schnittstelle zwischen Plastid und Cytosol übernehmen die Chloroplastenhüllmembranen vielfältige Aufgaben, darunter den Austausch von Ionen und Metaboliten sowie eine zentrale Rolle im Lipidstoffwechsel. Veränderungen im Chloroplastenstoffwechsel sind entscheidend für die Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an ungünstige Umweltbedingungen. Entsprechend rückt die Bedeutung der Proteine der Chloroplastenhüllmembran, insbesondere im Kontext der Kälteakklimatisierung, zunehmend in den Fokus der Forschung. Obwohl die komplexe Beteiligung der Hüllmembranen an der Kälteanpassung bereits Gegenstand früherer Untersuchungen war, sind viele der beteiligten Proteine auf molekularer Ebene noch unzureichend charakterisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mikroRNA-basierte Screens eingesetzt, um die Proteinzusammensetzung der äußeren Chloroplastenhülle zu analysieren. Dabei rückte das Chloroplast Lipid Remodelling Protein 23 (CLRP23), früher als OEP23 (Outer Envelope Protein 23) bezeichnet, in den Mittelpunkt. CLRP23 wurde ursprünglich in den Chloroplastenhüllen von Erbsen entdeckt und aufgrund des Fehlens eines Transitpeptids der äußeren Hüllmembran zugeordnet. Subfraktionierungsanalysen und Protease-Assays deuten jedoch auf eine alternative Lokalisation in der inneren Hüllmembran hin. Die Charakterisierung von Mutanten, denen CLRP23 fehlt, zeigt deutliche Beeinträchtigungen der Photosynthese sowie veränderte Galaktolipidreaktionen unter Kälteeinfluss. Diese Arbeit widmet sich daher vorrangig der Erforschung der alternativen Funktion von CLRP23 als Bestandteil der inneren Chloroplastenhülle und beleuchtet dessen Rolle bei Lipidumwandlungsprozessen während der Kälteakklimatisierung. Darüber hinaus wurden acht weitere Transporter-Kandidaten aus der Hüllmembran, deren molekulare Funktionen bislang unbekannt sind, mittels proteomischer Analysen identifiziert und einer ersten Charakterisierung unterzogen, um eine Grundlage für weiterführende Untersuchungen zu schaffen.

• 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: 6. August 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Schwenkert, Serena