Irene Stenzel

Isolierung und Charakterisierung genomischer Sequenzen
Phosphatmangel induzierbarer Gene aus Tomate (Lycopersicon esculentum Mill. cv. Lukullus)

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 07.10.1998

Abstract
Phosphor ist einer der wichtigsten Makronährstoffe für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Phosphat ist Bestandteil einer Vielzahl von Metaboliten des Grund- und Sekundärstoffwechsels, ist durch die Bildung energiereicher Ester an der metabolischen Energieübertragung beteiligt und wirkt als Regulator der Aktivität von Schlüsselenzymen des Primär- und Sekundärstoffwechsels. Im Gegensatz zu umfangreichen physiologischen Untersuchungen über die Auswirkungen von Phosphatmangel sind die Kenntnisse zur veränderten Genexpression und insbesondere zu den Signaltransduktionsprozessen bei Pflanzen eher rar.
RNasen sind ubiquitäre Komponenten lebender Zellen. In Abhängigkeit von ihrer Lokalisierung und Spezifität können RNasen sowohl in den generellen Massenabbau von RNA zum Recycling von Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff als auch in einen hochselektiven, differentiellen Abbau individueller RNA-Spezies involviert sein.
In der vorliegenden Arbeit werden die Isolation und Charakterisierung von genomischen Sequenzen für eine Phosphatmangel-induzierbare RNase (RNase LE) sowie für ein ebenfalls Phosphatmangel-induzierbares, bisher unbekanntes Protein (Klon PSI14) aus Tomate (Lycopersicon esculentum Mill. cv. Lukullus) beschrieben.
Das Gen der RNase LE enthält zwei Introns. Eine dieser Intronpositionen ist auch in anderen S-RNasen und S-ähnlichen RNasen konserviert.
Der Klon PSI14 kodiert für ein Gen aus einer kleinen Genfamilie mit drei Mitgliedern. Die kodierende Sequenz aller drei Gene wird durch 3 Introns an identischen Positionen unterbrochen.
Zur Analyse der Induzierbarkeit des RNase LE-Promotors durch Phosphatmangel wurden verschiedene Promotor-GUS-Konstrukte hergestellt, die sowohl im transienten Testsystem (Transformation von Tomatensuspensionskulturzellen mittels Partikelkanone) als auch in stabil transformierten Pflanzen getestet wurden. Die Untersuchungen zeigten, daß für die Induzierbarkeit des Promotors durch Phosphatmangel ein Bereich von 316 bp stromaufwärts vom Translationsstartkodon ausreichend ist. In stabil transformierten Tomatenpflanzen ist unter + Phosphat-Bedingungen nur eine geringe Reportergen-Aktivität nachweisbar, die sich in Wurzeln und Blättern nicht unterscheidet. Im Gegensatz dazu erfolgt in Phosphat-verarmten Pflanzen die Induktion des RNase-Promotors um das Sechsfache stärker in den Wurzeln als in den Blättern.

Phosphor belongs to the most important macro nutrients for growth and development of plants. Phosphate is one of a high number of metabolites involved into primary and secondary metabolism. It works as a metabolic energy transmitter via the formation of energy rich esters and represents a regulator of the activity of key enzymes of the primary- and secondary metabolism. In contrast to the extensive physiological examinations about effects of phosphate starvation there is only little knowledge about the role of phosphate for differential gene expression as well as for signal transduction processes in plants.
Ribonucleases (RNases) are ubiquitous components of living cells. Dependent on their localisation and specificity RNases are involved in the general breakdown of RNA to recycle carbon, phosphor and nitrogen or could be responsible for a highly selective and differential turnover of individual RNA species, respectively.
In the present study, the isolation and characterisation of genomic sequences of phosphate starvation inducible proteins were described. Beside the gene for the RNase LE the gene for a unknown protein (clone PSI14), which is highly inducible by phosphate starvation, was analysed.
The gene of the RNase LE contains two introns. The position of one of those introns is similar to that of other S-RNases and S-like RNases described so far.
The clone PSI14 is a member of a small gene family containing three members. The coding sequence of all three genes are interrupted by three introns at identical positions.
To study the inducibility of the RNase LE promoter upon phosphate starvation, several promoter-GUS-fusionís were constructed. They were tested in a transient assay system (transformation of a tomato cell culture with particle gun) and in studies using stable tomato transformants. The investigations have shown that a promoter fragment of 316 pb upstream of the translation initiation site is sufficient for the induction upon phosphate starvation. In tomato plants transformed with the promoter-GUS construct there is only a little reporter gene activity under optimal phosphate supply. Moreover, there were no differences in reporter gene activity between roots and leaves. However, upon phosphate starvation a six fold higher induction of the RNase LE promoter could be observed in the roots than in the leaves of tomato plants.

Keywords:
Genexpression, genomische Struktur, Phosphatmangel, Promotoranalyse, RNasen, Tomate

Gene expression, Genomic structure, Phosphate starvation, Promoter study, RNases, Tomato

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis, Abkürzungen
1. Einleitung (1-9)
2. Material (10-16)
3. Methoden (17-33)
4. Ergebnisse (34-76)
5. Diskussion (77-104)
6. Zusammenfassung (105-107)
Literaturverzeichnis (108-118)
Anhang (119-129)