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Vorlesung

Zellbiologie und Physiologie der Pflanzen

Prof. Antje von Schaewen

Prof. Iris Finkemeier

Prof. Jörg Kudla

Dr. Stefan Weinl

Dr. Maik Böhmer

Dr. Oliver Batistic

Begleitendes Material:

www.uni-muenster.de/Biologie.IBBP/agkudla

Nutzer: kurs

Password: mars

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Literatur:

1. Buchanan, Gruissem, Jones:

Biochemistry and Molecular

Biology of Plants

(1367 S., ca. 125 €)

2. Taiz, Zeiger:

Physiologie der Pflanzen

(773 S., ca. 55 €)

Aufbau der Vorlesung I:

Kompartimente und Organellen der Pflanzenzelle

- Struktur und Kompartimente der Zelle

- Zellkern und Regulation

- Plastiden, Mitochondrien

- Zellmembranen und Membranproteine

- Membransysteme und zelluläre Transportprozesse

- Cytoskelett

- Zellwand und Zellwachstum

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Aufbau der Vorlesung II:

Physiologie der Pflanze

- Stoffwechsel und Photosynthese,

- Stoffwechsel und Biogenese von Plastiden

- Ferntransport von Stoffen, Source-Sink Beziehungen

- Wasser- und Mineralhaushalt

- Gasaustausch

- Physiologie von Wurzeln und Blättern

Aufbau der Vorlesung III:

Entwicklungsbiologie der Pflanze

- Signalaufnahme und -weiterleitung

- Wachstum und Differenzierung

- Steuerung der pflanzlichen Entwicklung durch Licht

- Funktion pflanzlicher Phytohormone

- Pflanzliche Bewegung

- Blütenmorphogenese

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Physiologische Pflanzenbewegung

Zielstellungen der heutigen Vorlesung :

- Besonderheiten der pflanzlichen Zelle

- Zellorganellen und ihre Funktion

- Zellkern und Regulation

- Genome der Organellen

- Proteintransportprozesse in und aus Organellen

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Die Pflanzenzelle: Struktur und Kompartimente

Besonderheiten der Pflanzenzelle:

• Zellwand

• Plasmodesmen

• Plastiden

• Zentralvakuole

Vergleich: meristematische und differenzierte Zelle

Bildung und Vergrößerung der Zentralvakuole während der

Zelldiffrenzierung

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Subzelluläre Kompartimente in einer

Mesophyllzelle und deren Funktionen

Funktionen (nicht vollständig)

Vakuole Aufrechterhaltung des Zellturgors

Funktionen als Speicher und als “Abfalldeponie”

Chloroplasten Photosynthese, Synthese von Stärke und Lipiden, Hormonen

Cytosol Allgemeines Stoffwechsel-Kompartiment, Synthese von

Saccharose

Mitochondrien Zellatmung

Zellkern enthält das Genom der Zelle

Peroxisomen Reaktionsort für den Ablauf von Prozessen, bei denen toxische

Zwischenprodukte entstehen

endoplasmatisches

Reticulum

Speicherung von Ca2+-Ionen, Beteiligung am Export von Proteinen

aus der Zelle und am Transport von Proteinen in die Vakuole

Golgi-Apparat Verarbeitung und Sortierung von für den Export aus den Zellen

oder für den Transport in die Vakuole bestimmten Proteinen

Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle

Transfer von Erbinformation

Transfer von Proteinen, Stoffwechselprodukten und Signalen

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Der Zellkern

Bestandteile des

Zellkerns:

• NU: Nukleolus

• N: Nukleoplasma

• NE: Kernmembran

Der Zellkern

• enthält den überwiegenden Teil der genetischen Information der Zelle

• Kerndurchmesser ca. 5 bis 20 µm

• Information für die Regulation von Stoffwechsel, Wachstum und Differenzierung

• DNA ist in Chromosomen organisiert, bildet gemeinsam mit Proteinen das

Chromatin

• Replikation der DNA und Transkription der DNA

• Auflösung (und Neubildung) der Kernstruktur während der Zellteilung

• RNAs werden aus dem Kern exportiert (mRNAs, rRNAs, tRNAs)

• (regulative und Struktur-) Proteine (z.B. Transkriptionsfaktoren) werden aktiv

importiert und exportiert

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Das Kerngenom – Genomgrößen

Organismus Genomgröße

(Mbp/haploidem Satz)

- Escherichia coli (Darm-Bakterium) 4,6

- Saccharomyces cerevisiae (Hefe) 13

- Caenorhabditis elegans (Fadenwurm) 97

- Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) 130

- Homo sapiens (Mensch) 3.000

- Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) 157

- Oryza sativa (Reis) 450

- Lycopersicum esculentum (Tomate) 950

- Solanum tuberosum (Kartoffel) 1.600

- Nicotiana tabacum (Tabak) 4.800

- Triticum aestivum (Weizen) 16.000

- Fritillaria spec. (Kaiserkrone) 130.000

- Paris japonica (Japanische Einbeere) 150.000

Genomgrößen verschiedener Organismen

Arabidopsis:

157 Mbp

Fritillaria:

130.000 Mbp

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Struktur des Kerngenoms

- verschiedene Arten unterscheiden sich im Ploidiegrad des Genoms

diploid: - Arabidopsis thaliana 2n = 10

- Oryza sativa 2n = 24

tetraploid: - Nicotiana tabacum 4n = 48

- Solanum tuberosum 4n = 48

hexaploid: - Triticum aestivum 6n = 126

oktoploid: - Paris japonica 8n = 40

- Kern-DNA ist in Chromosomen organisiert und enthalten unterschiedlichAnteile von:

unikale Sequenzen: Strukturgene

mittelrepetitive Sequenzen: Gene für ribosomale RNAs, Transposons

hochrepetitive Sequenzen: Satelliten-DNA

Struktur eines Chromosoms

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Chromosomenstruktur ist Zellzyklus-abhängig

Der Nukleolus

nicht membranumhüllt aber trotzdem ein distinktes Organell

enthält die aktiv transkribierten ribosomalen Gene und ca. 100 Proteine

besteht aus:

fibrillären Zentrum (Transkription der rDNA)

dichte fibrilläre Umhüllung (rRNA Prozessierung)

granuläre Komponenten (pre-ribosomale Partikel und Ribosomenuntereinheiten)

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Der Nukleolus

fibrillären Zentrum

dichte fibrilläre Umhüllung

granuläre Komponenten

Der Nukleolus

Synthese der rRNAs

rRNA

Ribosomen

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Die Kernhülle

Eigenschaften:

• ist eine dynamische Struktur

• die äußere Kernmembran steht in Verbindung mit den Membranen des ER

• der periplasmatische Raum stellt deshalb mit dem ER Lumen ein Kontinuum dar

• innere Membran: enthält 10 nm Filamente („nuclear lamina“) die das Interphasen-

Chromatin verankern und Kernporen verbinden

besteht aus zwei getrennten Lipiddoppelschicht-

Membranen (dazwischen peri-nukleärer Raum)

enthält Kernporen an denen beide Membranen

miteinander in Verbindung stehen

Die Kernhülle

Der periplasmatische Raum stellt mit dem Lumen des ER ein Kontinuum dar

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Die Kernhülle

NE: Kernmembran

NP: Kernporen

Die Kernpore: Tor ins Kerninnere

Die Kernpore weist eine oktagonale Symmetrie auf

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Kernporen

werden von einem Kernporenkomplex

gebildet

nehmen 8 % bis 20 % der

Kernoberfläche ein

Außendurchmesser ca. 120 nm,

50 nm Porenweite

besteht aus ca. 120 Proteinen

Anzahl variiert mit dem

Transportaufkommen

Der Kernporen-Komplex

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Transport durch die Kernporen

8 periphere Kanäle erlauben die

Diffusion kleiner Moleküle

Zentralkanal (35 nm) vermittelt

aktiven Transport von Proteinen

und RNA

Transport durch die Kernporen

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Transport in den Zellkern benötigt:

1.) Kernpore

2.) Kernlokalisationssequenz (NLS, nuclear localisation sequence)

3.) Carrier-Proteine für Kargotransport:

β-Karyopherine (Importin und Exportin)

4.) Triebkraft für Proteintransport: kleine GTPase Ran

(GDP-Ran: im Cytoplasma und GTP-Ran: im Karyoplasma)

Proteintransport in den Zellkern

Proteintransport in den Zellkern

Import aus dem Cytoplasma:

• Importin-α bindet NLS des Proteins

• Importin-β bindet Importin-α

• Importin-β bindet an Kernpore

• Komplex wird importiert

• Importine dissozieren und werden

exportiert

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Proteintransport in den Zellkern

Regulation des Proteintransports

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Proteintransport aus dem Zellkern

NES: Nuclear Export Signal; XPO1: Exportin 1; RanBP1: Ran-binding Protein 1

RanGAP: Ran GTPase-activating protein

ranGTP/GDP als Motor des Transports

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ranGTP/GDP als Motor des Transports

ranGTP Gradient liefert die

Energie für Kern-Import und

Export

RNA Export aus dem Kern

• einfache RNAs binden direkt an Exportine

• komplexe RNAs bilden Ribonucleoproteine die exportiert werden

• mRNAs werden co-transkriptionell oder co-splicing exportiert

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Import bakterieller DNA

VirD2 und VirE2 tragen pflanzlichen NLS-Sequenzen

Importin-α und Importin-β binden Vir-Proteine und vermitteln den Import in den Kern

Agrobacterium infection

Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle

Transfer von Erbinformation

Transfer von Proteinen, Stoffwechselprodukten und Signalen

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Organellen der Pflanzenzelle:

Plastiden und Mitochondrien

Entstehung der Organellen: Endosymbiose

Primäre Endosymbiose: "Endocytose" eines Cyanobakteriums

(Mitochondrien: aus alpha-Proteobakterium)

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Entstehung der Organellen: Endosymbiose

Plastiden

• semiautonome Organellen spezifisch in Pflanzen

• eigenes Genom, ca.150 Gene codiert aber ca. 2500 Proteine in Chloroplasten

• durch Endosymbiose entstanden (zahlreiche prokaryotische Eigenschaften)

• Orte der Photosynthese, Speicherung zahlreicher Makromoleküle,

• Kompartiment für die Synthese zahlreicher wichtiger Moleküle

• sind von einer doppelten Hüllmembran umgeben

• verschiedene Formen von Plastiden haben unterschiedliche Funktion

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Plastidendifferenzierung und -umwandlung

Plastiden vermehren sich durch Teilung

Chloroplasten teilen sich wie ProcaryotenFtsZ Lokalisation

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Struktur der Chloroplasten

Stroma: Innenraum der Chloroplasten

Thylakoide: Membransystem innerhalb der Chloroplasten

Stroma-Thylakoide: einfache Membranbereiche

Grana-Thylakoide: mehrfach gestapelte Membranbereiche

Chloroplasten: Ort der Photosynthese

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Organellen Genome kodieren nicht genug Proteine

Chloroplasten und Mitochondrien enthalten jeweils ca 2000-3000 Proteine

Im Mitochondrien Genom sind jedoch nur 20-60 Proteine und im Chloroplasten

Genom 50 – 200 Proteine kodiert

Die meisten Gene wurden von den Organellen ins Kerngenom transferiert.

18% der Gene im Zellkern von Arabidopsis thaliana haben ihren Ursprung in

Cyanobakterien.

Genauso findet man in eukaryotischen Kerngenomen viele Gene die von α-

Proteobakterien abstammen.

Lateraler Gentransfer

1. Lysis of organelle

2. Uptake of DNA

into nucleus

3. Acquisition of eukaryotic

regulatory sequences

Nach dem Transfer der

Organellen Gene in den

Zellkern müssen diese

eine Promotorsequenz

erlangen, sowie eine

Sequenz für das

Organellentargeting.

Das passiert

wahrscheinlich durch

zufällige Rekombinantion

der DNA mit einer sehr

geringen Rate.

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Nucleär kodierte Proteine enthalten SIGNALSEQUENZEN

für den Transport über Organellenmembranen

N-terminale Signalsequenzen

C-terminale Signalsequenzen

Interne Signalsequenzen

3 Möglichkeiten für den Transfer über Organellenmembranen:

1. Kernpore: Ausgewählte Proteine können im gefallteten Zustand durch die

Pore gelangen.

2. Vesikeltransport: Protein trafficking durch den Golgi Apparat

3. Transmembrantransport: Mithilfe von Membran-spannenden Protein

Translokatoren. Proteine müssen im ungefalteten Zustand transportiert werden.

Synthese und Import von Proteinen in die Chloroplasten

Proteine werden sowohl direkt in den

Chloroplasten synthetisiert, als auch über

Importprozesse aus dem Cytoplasma in die

Chloroplasten importiert.

In die Chloroplasten zu importierende

Proteine besitzen am N-Terminus ein

Signalpeptid, dass den Transport und deren

Import vermittelt.

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Importkomplexe: das TOC-TIC System

TOC- (“translocon on the outer chloroplast membrane”)

und

TIC-Komplexe (“translocon on the inner chloroplast membrane”)

vermitteln den Import der cytoplasmatisch synthetisierten Proteine

N-terminale Signalpeptide werden vom Import-Komplex erkannt und

initiieren den Import in den Chloroplasten

Signalpeptide werden nach dem Import proteolytisch abgespalten

Mutationen in den Importkomplexen führen zu

dramatischen Phänotypen.

(ppi2 = Toc159)

Targeting von Proteinen in den Chloroplasten

Eigenschaften von chloroplastidären Signalpeptiden:

• besitzen keine definierten Strukturmerkmale

• Variable Länge (20 – 150 aa)

• Besitzen tendentiell eine positive Ladung

• Häufige Aminosäuren: Serin, Threonin und Prolin

Das Protein-Targating ist spezifisch für die

Subkompartimente der Chloroplasten:

Alle importierten Proteine besitzen eine Stromale

Targeting Sequenz (rot) die im Stroma abgespalten

wird.

Stromaproteine werden anschließend gefaltet und sind

im Stroma aktiv

Proteine des Thylakoidlumens enthalten einen weitere

Target Sequenz (gelb) die den Import in

dasThylakoidlumen ermöglicht und nach dem Import

ebenfalls abgespalten wird

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Plastidäre Proteinkomplexe bestehen aus kerncodierten

und plastidencodierten Proteinen

Kern vs.Plastiden-DNA

Im rot sind Kern-kodierte Proteine dargestellt

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Gengehalt der Plastiden-DNA

- ca. 120 – 130 Gene

- Plastiden sind semiautonome Organellen

Funktionsbereich Anzahl der Gene

Transkription: RNA-Polymerase 4

Translation: rRNAs 4

tRNAs 30

ribosmomale Proteine 20

Photosynthese: CO2-Fixierung 1

Photosystem I und II 16

Cytochrom-b/f-Komplex 4

ATP-Synthase 6

Sonstige: "NADH-Dehydrogenase"-Komplex 11

Protease 1

Maturase 1

ORF ca. 30

Das Plastom

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Schematische Darstellung verschiedener

Plastome

Das Plastom liegt in zahlreichen Kopien vor

Zelle: ~ 50 Plastiden Chloroplast: ~ 20 Nucleoide Nucleoid: 10 DNA-Moleküle

∑ = 10.000 Plastiden-DNAs pro Zelle

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Genregulation: Transkription

Chloroplastidäre Gene sind oft in polycistronischen Transkriptionseinheiten

organisiert und enthalten zwei oder mehr Gene

Einheiten bestehen oft aus funktionell unterschiedlichen Genen

Deren Regulation erfolgt durch post-transkriptionelle Mechanismen (Splicing,

Editing)

Genregulation: mRNA Prozessierung

Reife Transkripte chloroplastidärer

Gene entstehen durch komplexe

Prozessierung der mRNA:

• Gleichzeitiges Splicen von einem

oder mehreren Introns

• Spalten der mRNA in reife

Produkte

• Editing der mRNAs

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Proteinbiosynthese: Kern vs. Chloroplast

rRNAs: Kern vs. Chloroplast

60S50S

40S30S

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RNA editing in Plastiden

RNA editing in Plastiden

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RNA editing in Plastiden

Plastidenvererbung

Kreuzungsexperimente mit der Wunderblume (Mirabilis jalapa):Kreuzungen mit weiblicher Blüten weißer Blättern bringen immer Weißblättrige Nachkommen hervor, egal welche

Farbe die Blätter der männliche Pollen haben

Umgekehrt bringen Kreuzungen mit weiblichen Blüten grüner Blätter immer Grünblättrige Nachkommen hervor, egal

welche Farbe die Blätter der männliche Pollen haben

Carl Correns:

Widerlegung der Mendel‘schen Regeln:

Maternale Vererbung der Plastiden

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Plastiden werden in der Regel mütterlich vererbt

Plastidenvererbung

Plastidenvererbung - Ausnahmen

Biparentale Plastiden-Vererbung wurde bei diesen Gattungen sicher

nachgewiesen:

Pelargonium („Geranien“)

Oenothera (Nachtkerze)

Hypericum (Johanniskraut)

Medicago (Klee)

Rhododendron

Plumbago (Bleiwurz)

Paternale Vererbung wurde in Gymnospermen nachgewiesen:

Pseudotsuga (Douglasie)

Pinus (Kiefer)

Larix (Lärche)

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Organellen der Pflanzenzelle:

Plastiden und Mitochondrien

Mitochondrien

• 1-3µm lang, 1µm Durchmesser

• Zahl pro Zelle variiert je nach Energiebedarf der Zelle (200-3000)

• Ort der Energiegewinnung in der Zelle

• Ort vieler Stoffwechselprozesse

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Aufbau der Mitochondrien

Aufteilung in äußere und innere Membran

innere Membran ist stark gefaltet und bildet Cristae

innere Membran umschließt die Matrix

zwischen äußerer und innerer Membran befindet sich der Intermembranraum

Funktion der inneren Membran

innere Membran ist stark gefaltet und bildet Cristae

enthält 90% der mitochondrialen Membranproteine und Membranlipide

Ort der Atmungskette

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Funktion der inneren Membran

Viele Multiproteinkomplexe sind an der inneren Membran lokalisiert

Proteinimport in Mitochondrien

translocase of the outer membrane

(TOM)

translocase of the inner membrane

(TIM)

sorting and assembly machinery (SAM)

Mitochondrial intermembrane space

import and assembly (MIA)

presequence associated motor complex

(PAM)

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Größe und Gengehalt des Chondrioms

Art Genomgröße (in kb)- Homo sapiens 17

- Aspergillus nidulans 33

- Saccharomyces cerevisiae 70

- Marchantia polymorpha 187

- Arabidopsis thaliana 367

- Brassica campestris 218

- Zea mais 570

- Cucurbita sp. 2500

Arabidopsis Chondriom:- 57 Gene 10 % des Genoms

- Introns 8 %

- ORF's 10 %

- Duplikationen 7 %

- Kern-DNA 4 %

- Plastiden-DNA 1 %

- ? 60 %

Das Chondriom von Mais

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Mitochondrienvererbung

RNA Editing in Mitochondrien

Plastiden: 40 Editing sites

Mitochondrien: 300 – 400 Editing sites

Verantwortliche Gene:

Multiple organellar RNA editing factors (MORF):

• kerncodiert

• bilden Di- oder Trimere

• Mutanten sind lethal oder zeigen starke

Phänotypen:

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Die genetischen Systeme der Pflanzenzelle

Nächstes Mal: Membranaufbau und Transportmechanismen