Control and function of two ferrochelatase isoforms in Arabidopsis thaliana

Abstract

Die Tetrapyrrol-Biosynthese der Pflanzen ist ein hoch konservierter Prozess, indem sich die Häm- und Chlorophyllsynthese gemeinsame Syntheseschritte von der 5-Aminolävulinsäure (ALA)- bis hin zur Protoporphyrin IX (Proto)-Bildung teilen. Zur Hämsynthese sind in Arabidopsis thaliana zwei Isoformen der Ferrochelatase (FC) vorhanden, welche die Insertion von Eisenionen in Proto katalysieren. In dieser Arbeit wurden fc1 und fc2 Mutanten analysiert und für Komplementationsversuche mit nativen und modifizierten FC1/FC2-Sequenzen genutzt. Die in der fc1-2 Mutante gestörte Embryonalentwicklung infolge des FC1 Mangels konnte durch Expression eines pFC1::FC1 Genkonstruktes komplementiert werden. Die Expression von FC2 unter dem FC1 Promoter (pFC1::FC2) konnte die fc1-2 Mutante unter Standard-Wachstumsbedingungen vollständig komplementieren, jedoch nicht unter Salzstress. Zusätzlich zu den Komplementationsversuchen der fc1 Mutanten wurde auch eine fc2 Null-Mutante zur Expression der beiden genomischen FC Sequenzen herangezogen, um die spezifischen Funktionen der FC2-Varianten zu untersuchen. Während die pFC1FC2 (fc2/fc2) Pflanzen unter Dauerlicht eine vollständige Komplementation zeigten, konnte unter Kurztagbedingungen nur eine partielle Komplementation beobachtet werden. Versuche geben erste wichtige Hinweise, dass auch FC2 an der Regulation der ALA-Synthese infolge ihrer Interaktion mit PORB beteiligt ist. Dies deutet darauf hin, dass der Häm- und der Chlorophyllzweig eine gemeinsame Regulation der ALA-Synthese teilen, um das Gleichgewicht der TBS zu wahren. Neben der Funktion der FC2 in der Regulation der TBS konnte die vorliegende Arbeit ebenfalls die Rolle der FC2 in der Assemblierung der PSII-LHCII Superkomplexe offenlegen. Basierend auf den Ergebnissen, dieser Studie können Modelle für die funktionale Verteilung der beiden FC-Isoformen in unterschiedlichen Geweben und Entwicklungsstadien, sowie die Funktionen in verschiedenen biologischen Prozessen postuliert werden.

In plants, heme and chlorophyll synthesis share the common synthetic steps from 5- aminolevulinic acid (ALA) formation to Protoporphyrin IX (Proto) production in the conserved Tetrapyrrole biosynthesis (TBS) pathway. Arabidopsis thaliana utilizes two ferrochelatses (FC) to catalyse the insertion of ferrous iron into Proto to yield heme. In this study, the fc1 and fc2 defective mutants have been re-analysed and used for complementation tests with expression of a native or modified FC1/FC2 sequence. The pFC1FC1 (fc1/fc1) complementation plants confirmed that the defective embryo maturation in homozygous fc1-2 seeds is attributed to a lack of FC1. Expression of FC2 under the FC1 promoter contributed to a full complementation of fc1-2 under standard growth conditions, but not under salt stress. A fc2 null mutant has been used to express the two FC genomic sequences to substantiate the specific functions of FC2. Expression of FC2 under its own promoter was able to rescue fc2-2 mutants under both SD and CL conditions. However, pFC2FC1 (fc2/fc2) plants showed a partial complementation under SD condition. Via multiple interaction assays and mutant analyses, this thesis uncovered a mechanism of FC2 action on ALA synthesis regulation via interaction of FC2 and PORB. The results indicate that both branches of heme and chlorophyll synthesis share a common regulation to balance the TBS pathway. Apart from a role of FC2 involved in the regulation of TBS pathway, the presented study also revealed FC2 function in the assembly of the PSII-LHCII supercomplexes. Based on all the results obtained in this study, the functional distribution models of the two FC in different tissues and development stages, as well as diverse biological processes, have been proposed. In addition, to which extent that FC1/FC2 could compensate the function of the other isoform has been discussed.