Identification and Characterization of Regulators of 2-Cys-Peroxiredoxin A in Arabidopsis thaliana

Abstract

Summary In this project, retrograde redox signaling from chloroplasts to the nucleus was studied by identifying and characterizing regulators of 2-Cys- Peroxiredoxin A transcription in Arabidopsis thaliana. The redox imbalanced mutants (rimb) were used to identify 2CPA regulators. The mutant loci rimb3 and rimb6 were mapped in the Arabidopsis genome by next generation sequencing and characterized. In addition, a 2CPA expression’s QTL (eQTL) was identified with SSLP markers based on the genetic variation of Arabidopsis accessions Col-0 and Ler. RIMB3 (At4g01290) is a PAT1 domain containing protein which coexpresses with RIMB1 and CDC48. It may function in a pathway upstream of RIMB1. RIMB3 may activate 2CPA expression directly or via Rap2.4a or CDC48 in a development-dependent manner. RIMB6 is identified as an F-Box containing protein (At4g12560), which negatively regu-lates the plant defense system by constitutive repression of PR and SCN1 genes. RIMB6 may activate 2CPA expression by repression of an unknown negative regulator of 2CPA. Furthermore RIMB6 is also involved in regulatory system of metal homeostasis, in which metal channels and/or transporters are regulated. The eQTL (At3g21660) was determined as an UBX containing protein, which may physi-cally interact with CDC48. The eQTL positively regulates expression of 2CPA and 2CPB. It is proposed that it acts via CDC48 and an unknown positive regulator of 2CPA down-stream of CDC48. The eQTL coexpresses with ASK9 and ASK16, which physically in-teract with RIMB6. The three different 2CPA regulators play important roles in the network of redox retro-grade signaling pathway from chloroplast to nucleus. Their regulatory mechanism could further contribute to the understanding of cross-talk between retrograde signaling, ubiq-uitination, plant defense responses and metal homeostasis in plant cells.

Zusammenfassung Im Rahmen dieses Projektes wurde die retrograde Signaltransduktion vom Chloroplasten zum Zellkern untersucht, und zwar anhand der Identifizierung und Charakterisierung der Regulatoren von 2-Cys- Peroxiredoxin A (2CPA) in Arabidopsis thaliana. Es wurden Mu-tanten mit gestörten Redoxsystem Kontrollen (redox imbalanced, rimb) genutzt, um die Regulatoren von 2CPA zu bestimmen. Die mutierten Gen loci rimb3 und rimb6 wurden mittels Hochdurchsatzsequenzierung (Next Generation Sequencing) im Genom von Arabidopsis kartiert. Anschließend wurden diese beiden Genloci charakterisiert. Darüber hinaus wurde ein sogenannter expressional quantitative trait locus (eQTL) identifiziert, womit ein Genlocus gemeint ist, welcher Veränderungen der Expression von Genen bedingt, in diesem Fall die Expression von 2CPA. Die Identifizierung dieses eQTLs ge-lang mit Hilfe von SSLP Markern basierend auf der genetischen Variation der Arabidop-sis- Akzessionen Col-0 und Ler. Bei RIMB3 (At4g01290) handelt es sich um ein Gen, das für ein Protein mit einer PAT1 Domäne kodiert. Es co-expremiert mit RIMB1 und CDC48. RIMB3 aktiviert die Expressi-on von 2CPA, entweder direkt, über Rap2.4a oder über CDC48. Das Gen RIMB6 (At4g12560) kodiert für ein Protein mit einer F-Box. Es reguliert auf negative Weise das Abwehrsystem der Pflanze durch konstitutive Repression von PR Genen und SCN1. Es wird postuliert, dass RIMB6 die Expression von 2CPA aktiviert indem es einen bisher unbekannten negativen Regulator von 2CPA repremiert. Außer-dem ist RIMB6 auch in das Regulationssystem der Metall-homöostase involviert. Der eQTL At3g21660 kodiert hingegen für ein Protein, das eine UBX Domäne enthält. Es könnte mit CDC48 interagieren. Der eQTL reguliert positiv die Expression von 2CPA und 2CPB, wahrscheinlich über CDC48 und einem bisher unbekanntem positiven Regulator von 2CPA, der unterhalb von CDC48 agiert. Außerdem co-expremiert der eQTL mit ASK9 und ASK16, die wiederum mit RIMB6 interagieren. Die drei unterschiedlichen 2CPA Regulatoren spielen eine wichtige Rolle im Netzwerk des redoxbedingten retrograden Signalwegs vom Chloroplasten zum Zellkern. Die Un-tersuchung ihres regulatorischen Mechanismus könnte das Verständnis über das Zu-sammenspiel von retrograder Signalweiterleitung, Ubiquitinierung, Pflanzen-Abwehr-Antworten und Metall-Homöostase in Pflanzenzellen erweitern.