Identifizierung von Komponenten der single-cell C4 Photosynthese in Bienertia sinuspersici durch vergleichende Transkriptomik photosynthetischer Gewebe und proteomische Untersuchung der Hüllmembranen dimorpher Chloroplasten

Abstract

Bei den meisten C4-Spezies beruht die räumliche Trennung von primärer und sekundärer Kohlenstofffixierung auf der Interaktion von Mesophyll- und Bündelscheidenzellen. Im Gegensatz dazu betreibt Bienertia sinuspersici single-cell C4-Photosynthese (SCC4) innerhalb von einzelnen Chlorenchymzellen. Die räumliche Trennung der Fixierungsreaktionen wird dabei durch die Bildung von zwei intrazellulären Kompartimenten, dem zentralen und dem peripheren Kompartiment, gewährleistet. Diese beiden Kompartimente enthalten zwei physiologisch spezialisierte Chloroplastentypen, die unterschiedliche Sets kerncodierter Proteine akkumulieren. Des Weiteren wurde in früheren Studien gezeigt, dass sich das zentrale Kompartiment lichtabhängig innerhalb der Zelle bewegt, während die Chloroplasten des peripheren Kompartimentes ihre Position beibehalten. Bislang ist weitestgehend unklar, wie kerncodierte Proteine selektiv in die beiden Chloroplastentypen gelangen, und welche Mechanismen zur selektiven lichtabhängigen Bewegung des zentralen Kompartimentes führen. Um Faktoren zu identifizieren, die an der SCC4-Photosynthese beteiligt sind, wurden in dieser Arbeit vergleichende Transkriptomanalysen an Chlorenchym, Hydrenchym und Wurzeln mittels RNA-Sequenzierung durchgeführt. Hydrenchymzellen enthalten Chloroplasten, weisen aber nicht die Aufteilung in die beiden intrazellulären Kompartimente auf. Die Ergebnisse zeigen, dass SCC4-Gene im Chlorenchym höher exprimiert sind, während photorespiratorische Gene höhere Expression im Hydrenchym zeigen. Dieser Befund deutet darauf hin, dass die Hydrenchymzellen keine SCC4- sondern C3-Photosynthese betreiben. Es wurden 77 potenzielle SCC4-spezifische Faktoren identifiziert, darunter die Co-Chaperone ROF1 und ROF2, welche an der Regulation des subzellulären Transportes von Proteinen beteiligt sind. Des Weiteren sind die Transkriptionsfaktoren GLK1 und GNC potenzielle Regulatoren der SCC4-spezifischen Genexpression. Zur Identifizierung von Proteinen, die an der Akkumulation kerncodierter Proteine in den beiden Chloroplastentypen sowie an der lichtabhängigen Bewegung des zentralen Kompartimentes beteiligt sind, wurde ein Verfahren zur Analyse von Chloro-plastenhüllmembranproteinen durch Massenspektrometrie entwickelt. Es wurden 13 Hüllmembranproteine identifiziert, die in den beiden Chloroplastentypen unterschiedlich häufig vorkommen. Darunter befanden sich die Untereinheiten des TOC/TIC-Komplexes TOC159, TIC214 und TIC22, welche am Import kerncodierter Proteine in Chloroplasten beteiligt sind. Außerdem wurde die Assoziation der zytoplasmatischen Proteine WEB1, PMI2 und Myosin mit dem zentralen Kompartiment nachgewiesen. Diese Faktoren wurden bereits in anderen Spezies mit der lichtabhängigen Bewegung von Chloroplasten in Verbindung gebracht.