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Sahr, T.

Untersuchungen zur Transkriptionsänderung in Arabidopsis thaliana nach Cäsium- und Radiocäsium-Applikation.

Caesium-133 and Radiocaesium Induced Gene Expression in Arabidopsis thaliana.

München, Technische Universität, Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan, Diss., 2003, 180 S.
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Anhand des Transkriptionsmusters von zahlreichen Stressgenen wurde die Wirkungsweise von Cäsium und ionisierender Strahlung auf den Stoffwechsel von Arabidopsis thaliana charakterisiert Die Kombination der Subtraktiven-Suppressions-Hybridisierung und der Makroarray-Technologie erwies sich als eine sehr sensitive Methode, um eine Vielzahl von differentiell exprimierten Genen mit hoher Reproduzierbarkeit und hohem Durchsatz zu analysieren; mit der quantitativen und semiquantitativen PCR konnten schwach induzierte oder reprimierte Gene effektiv verifiziert werden. Cäsium- und Kalium-Ionen besitzen große chemische Gemeinsamkeiten. Während Kalium jedoch für die Pflanze essentiell ist, besitzt Cäsium keine bekannten physiologischen Funktionen. Folgende Reaktionen der Pflanze auf erhöhte Cäsium-133 Konzentrationen (150µM) in der Umgebung konnten auf Transkriptebene nachgewiesen werden: Eine verstärkte Transkription von Redoxenzymen (Superoxid-Dismutase, Thioredoxin, Peroxidase) und die Induktion der Schwefelaufnahme bzw. die Synthese schwefelhaltiger Verbindungen. Eine Induktion und Repression von Enzymen auf Genebene, die sowohl bei der Stabilisierung (Chaperone, Heat-shock Proteine) als auch beim Abbau von Proteinen (Peptidasen, Protease-Inhibitoren) eine Rolle spielen. Eine erhöhte Transkriptionsrate von Genen, deren Produkte als Schutzstoffe für Makromoleküle oder als osmotisch wirksame Substanzen fungieren können (Prolin, Osmotin, LEA-Proteine, etc.); parallel wurde die Expressionsrate verschiedener Aquaporin-Gene verringert. Radiocäsium (Cäsium-134) wurde nur in sehr geringen Konzentrationen und Aktivitäten (30Bq/cm3) in den Versuchen eingesetzt, da vor allem die Langzeitwirkung schwacher ionisierender Strahlung auf Genebene untersucht werden sollte. Dementsprechend waren deutliche Unterschiede in der Stressantwort der Pflanze im Vergleich zu den Cäsium-133 Experimenten zu erkennen: Verstärkte Transkription von Genen des Excisions-Reparatur-Systems und der Rekombination-Reparatur. Beeinflussung der Zellteilung durch Induktion des Gen des CylinB1 und anderer Zellzyklus-kontrollierender Gene. Zudem wurden einige Enzyme des Cytoskelett-Stoffwechsels auf Transkriptionsebene beeinträchtigt (Profilin2, putativer Actin-depolymerisierender Faktor, beta-5 Tubulin). Analog zu den Cäsium-133 Versuchen wurde eine Induktion von Enzymen des oxidativen Stresses gefunden (Superoxid-Dismutase, Thioredoxin, Katalase). Aufnahmeexperimente mit Cäsium und Radiocäsium zeigten, dass das Alkalimetall in der Pflanze in Abhängigkeit zur externen Konzentration akkumuliert wurde; gleichzeitig nahm die Kaliumkonzentration in Arabidopsis ab. Bei hohen Cäsiumkonzentrationen traten an den Blättern Welkeerscheinungen und nekrotische Veränderungen auf. Zudem wurde bei Arabidopsis thaliana das Wachstum von Wurzeln und später von Blättern reduziert. Diese Symptome waren dabei stark von der Kaliumkonzentration im Medium abhängig, weshalb der toxische Schwellenwert als Cäsium/Kalium-Verhältnis angegeben werden sollte. Schwache Strahlung hatte keine Auswirkungen auf den Phänotypen. Erst bei Aktivitäten von 60Bq/cm3 im Medium wurde ein reduziertes Wachstum festgestellt. Ein Vergleich verschiedener Kalium-Transportermutanten mit dem Wildtyp ergab keine Erkenntnisse über das Aufnahmeverhalten von Cäsium. Ausnahme hiervon war die csi52-Mutante, bei der eine leichte Reduction der Cäsium-Aufnahme beobachtet werden konnte; parallel dazu wurde auf Genebene eine verstärkte Transkription verschiedener Kaliumkanäle (KCO, ATKC) im Vergleich zum Wildtyp festgestellt. Zur Klärung des Phänomens wurden erste Versuche unternommen, Gene verschiedener Kanäle in Arabidopsis thaliana überzuexprimieren bzw. auszuschalten (RNAi).
The aim of the project was to investigate mechanisms for the adaptation of plants to a potential caesium- and radio caesium-stress, and to study the molecular genetic processes, which are responsible for caesium uptake from soil. In order to identify responsive genes for caesium and radiation tolerance, root-specific transcripts of Arabidopsis thaliana, treated with caesium-133 or caesium-134 respectively, were compared by subtractive suppression hybridisation and macroarrays.; the genes were verified with semi quantitative and quantitative RT-PCR. Caesium and potassium ions enter the root cells of plants via common uptake systems. While potassium is essential for the plant, caesium does not have physiological functions. The following genes could be found as differentially expressed due to increased Caesium-133 concentrations (150µM) in the environment: The induction of redox-enzymes (e.g. superoxide Dismutase, thioredoxin, peroxidase) and other enzymes linked to oxidative stress in plants. Different transcript-levels between control and treated plants of genes were identified, which play a part in stabilisation (Chaperone, Heat shock proteins) or metabolism of proteins (peptidases, protease inhibitors). Increased expression rates could be found for protective agents of macromolecules or effective osmotic substances (prolin, osmotin, LEA-proteines, etc.); parallel, the transcription of different aquaporin genes was reduced. Activities of 30Bq/cm3 of caesium-134 were used to study the long-term effects of low activity radiation to Arabidopsis thaliana. Concerning the identified genes, great differences were recognized compared with the Caesium-133 experiments: Increased expression of genes of the excision repair system and the recombination repair (mre11); Influence of the cell division (cylinB1 and other cellcycle-controlling genes). Beside, some enzymes related to the cytoskeleton metabolism were impaired at transcription level (profilin2, putative actin depolymerising factor, beta-5 tubulin). Analogue to the caesium-133 experiments an induction of enzymes of the oxidative stress was found (superoxid dismutase, thioredoxin, catalase). Uptake experiments with caesium and radio caesium showed that the alkali metal was accumulated in the plant; simultaneously the potassium concentration in Arabidopsis was decreased. With increased caesium concentrations the adult plants were reduced in size and root growth. The leaves were partially defective in pigmentation (chlorosis) and showed necrotic spots. Weak radiation did not have effects on the phenotypes. Only with activities of above 60Bq/cm3 in the medium a reduced growth were recognized. Additionally, different potassium transport-mutants were compared with the wild type. Only the csi52-mutant showed a reduced caesium uptake; simultaneous to the lower caesium concentration in the leaves, an increased transcript-level of different potassium channels (KCO, ATKC) compared to the wild type was observed. For clarifying this phenomenon, first experiments were carried out to over express or inhibit (RNAi) the genes of the potassium channels in Arabidopsis thaliana.
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Publikationstyp Sonstiges: Hochschulschrift
Typ der Hochschulschrift Dissertationsschrift
Schlagwörter Caesium; Radiocaesium; Stress; Array; Subtraktive Suppressions Hybridisierung; Caesium-Aufnahme; Subtraktive Suppression Hybridisation; Caesium uptake
Quellenangaben Band: , Heft: , Seiten: 180 S. Artikelnummer: , Supplement: ,
Hochschule Technische Universität
Hochschulort München
Fakultät Fakultät Wissenschaftszentrum Weihenstephan
Institut(e) Institute of Biochemical Plant Pathology (BIOP)