Jan Heise

Regulation von Faktoren der Metallhomöostase und der Metalldetoxifikation unter Schwermetallstress und während der Blattseneszenz in Gerste (Hordeum vulgarve)

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 23.06.2004

Abstract
In dieser Arbeit konnten in die Metallhomöostase der Gerste (Hordeum vulgare) integrierte Faktoren (Metallothioneine, Phytochelatine, Kupferchaperone) identifiziert und bezüglich ihrer Expression charakterisiert werden. Des weiteren wurde mittels eines Differential Displays weitere Cadmium-induzierte Gene isoliert und charakterisiert. Dabei wurden zwei unterschiedliche Situationen, bei denen es zu Verschiebungen in der zellulären Metallhomöostase, untersucht. Zum einen wurden Untersuchungen an seneszierenden Primärblättern durchgeführt, bei denen durch Abbauprozesse vor allem in den Chloroplasten Metalle aus metallhaltigen Proteinen freigesetzt und teilweise in andere Organe der Pflanze transportiert und wiederverwertet werden. Zum anderen wurden Gerstenkeimlinge mit toxischen Konzentrationen von essentiellen und nicht-essentiellen Metallen exponiert und die Auswirkungen auf das Primärblatt analysiert.
In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass Gerste mindestens neun verschiedene Metallothionein-Gene besitzt, wobei die mRNAs von sechs dieser Gene erstmals in Form ihrer cDNAs identifiziert werden konnten. Analysen der Genexpression zeigten, dass die verschiedenen Metallothioneine bezüglich ihrer Organspezifität, ihrer Entwicklungsabhängigkeit und ihrer Reaktion auf Schwermetallstress unterschiedlich exprimiert werden. Dies spricht für unterschiedliche Funktionen der verschiedenen Metallothioneine bei der Detoxifikation von Metallen bzw. bei der Aufrechterhaltung der Metallhomöostase. Eine Akkumulation von Phytochelatinen ((PC2 und PC3) in Blättern hingegen konnte nur nach Langzeitexposition der Pflanzen mit Cadmium nachgewiesen werden. Alle neu isolierten Cadmium-induzierbaren Gene (HvBCB, Cdi1,Cdi2, Bsi1) zeigen sowohl eine gleichartige Expression durch Cadmium- und Kupferstress als auch während der Blattseneszenz, was die Frage nach einer gemeinsamen Regulation dieser Gene aufwirft.

Factors involved in the metal homeostasis (metallothioneins, phytochelatins, copper-chaperons) in barley (Hordeum vulgare) were identified and their expression characterized. By this, two different situations when changes in metal homeostasis occur were analyzed: firstly, analyses of senescening primary leaves, when due to cellular decomposition (especially of the chloroplast), formerly bound metals are released from their metal containing proteins and to some extent transported to other parts of the plant. Secondly, barley seedlings exposed to toxic amounts of either essential or non-essential metals and effects on the primary leaves were investigated. The comparison of the plant response to both situations reveals that both the physiological and the molecular level show great similarities.
This work revealed that barley possesses at least nine different metallothionein genes and the mRNA of six of these genes were identified as cDNAs for the first time. Gene expression analyses showed that the different metallothioneins are expressed differently with respect to their tissue specificity, their developmental regulation, and their response to heavy metal stress. This indicates different functions of the various metallothioneins in the detoxification of metals, respectively, in the maintenance of the metal homeostasis.
However, HPLC analyses show phytochelatin (PC2 and PC3) accumulation in leaves only following a long term exposure of plants to cadmium, but not to copper or during leaf senescence, suggesting that PC are neither involved in the senescence program nor in the copper detoxification in leaves.
The analyses of four novel cadmium induced genes (HvBCB, Cdi1,Cdi2, Bsi1) showed that their expression does not depend only on the non-essential, non-redoxactive metal cadmium but can be triggered by high concentrations of the essential, redox-active metal copper and during late stages of leaf senescence.

Keywords:
Gerste, Hordeum vulgare, Cadmium, Kupfer, Seneszenz, Metallothionein, Phytochelatin

Barley, Hordeum vulgare, cadmium, copper, senescence, metallothionein, phytochelatin

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen
1. Einleitung (1-17)
2. Zielsetzung (18-20)
3. Material und Methoden (21-51)
4. Ergebnisse (52-97)
5. Diskussion (98-136)
6. Zusammenfassung / Summary (137-142)
7. Literaturverzeichnis (143-164)