Overexpression of the Arabidopsis glutathione peroxidase-like 5 gene (AtGPXL5) resulted in altered redox status, plant development and salt tolerance

Riyazuddin Riyazuddin
Overexpression of the Arabidopsis glutathione peroxidase-like 5 gene (AtGPXL5) resulted in altered redox status, plant development and salt tolerance.
[Thesis] (Unpublished)

[img]
Preview
PDF (disszertáció)
Download (3MB) | Preview
[img]
Preview
PDF (tézis)
Download (204kB) | Preview

Abstract in Hungarian

A tiol peroxidázok közé tartozó növényi glutation peroxidáz-szerű enzimek (GPXL-ek) redukált glutation (GSH) vagy tioredoxin elektron donort használva katalizálják a H2O2 vagy egyéb hidroperoxidok vízzé vagy alkohollá történő redukcióját (Navrot és mtsai., 2006). Az Arabidopsis thaliana 8 GPXL izoenzimet tartalmaz, amelyek különböző sejtorganellumokban lokalizáltak és eltérő redox-függő folyamatokban játszanak szerepet. Az AtGPXL5 egy kevéssé ismert plazmamembrán-kapcsolt izoenzim, bár szerepét feltételezték a sóstressz tolerancia kialakításában (Gao és mtsai. 2014). Kísérleteinkben konstitutívan túltermeltettük az AtGPXL5 cDNS-t és a növények fejlődésében és NaCl kezelésre adott válaszában vizsgáltuk az AtGPXL5 szerepét. Vizsgálatainkat AtGPXL5-túltermelő (OX-AtGPXL5) és Atgpxl5 mutáns növények felhasználásával végeztük. Eredményeink alapján az alábbi megállapításokat tettük: 1) A 12 napos Arabidopsis thaliana Atgpxl5 inszerciós mutánsok gyökerében magasabb szuperoxid gyök anion és össz ROS szint található kontroll körülmények között is, mint a vad típusú (Col-0) gyökerekben. A magasabb ROS szint az Atgpxl5 hajtások csökkent életképességét eredményezte. 7 napig tartó 100 mM-os NaCl kezelés tovább emelte a gyökerekben a O2•− mennyiségét, szintje meghaladta a vad típusban kialakultat. Ezek alapján az AtGPXL5 fontos szerepet tölthet be a reaktív oxigénformák homeosztázisában és a sejt életképességének fenntartásában. 2) A hat hetes Atgpxl5 mutáns és OX-AtGPXL5 növények antioxidáns mechanizmusait összehasonlítva jelentős különbségek mutatkoztak. Míg az Atgpxl5 mutánsban több antioxidatív enzim emelkedett aktivitást mutatott, az AtGPXL5-túltermelő növényekben a vad típushoz hasonló aktivitásokat mértünk. Míg az Atgpxl5 növények magasabb glutation peroxidáz (GPOX) aktivitással rendelkeztek, az OX-AtGPXL növényekben a GPOX és TPOX (tioredoxin peroxidáz) aktivitás is a vad típuséval azonos szinten működött. 3) Kontroll körülmények között a GSH tartalom szignifikánsan alacsonyabb volt az Atgpxl5 mutáns gyökerekben, míg az OX-AtGPXL5 hajtásban magasabb. Az alkalmazott sóstressz után az AtGPXL5-túltermelő növények rendelkeztek legmagasabb GSH és legalacsonyabb GSSG szinttel, a GSSG mennyisége az Atgpxl5 mutáns gyökerekben nőtt legnagyobb mértékben. Az OX-AtGPXL5 vonalak számított redukciós potenciál értéke negatívabb volt, mint a Col-0 vad típusé. Az eredmények megerősítették, hogy az AtGPXL5 fehérje szerepet játszik a redox állapot szabályozásában, amelyen keresztül a növekedést és fejlődést is befolyásolhatják. 4) Az AtGPXL5 protein szükséges az Arabidopsis thaliana csíranövények normál növekedéséhez és fejlődéséhez. Hiányában csökkent az elsődleges gyökerek hossza, biomasszája, a rozetta mérete, a hajtások klorofill- és antocián tartalma kontroll körülmények között is. 100 mM NaCl jelenlétében az Atgpxl5 mutáns és a vad típusú növények magjainak csírázása gátlódott, azonban az AtGPXL5 túltermelőké nem. Az OX-AtGPXL5 növények normal fiziológiás körülmények között a vad típushoz hasonló fenotípust mutattak, azonban 100 mM NaCl jelenlétében jobban növekedtek: nagyobb rozetta átmérővel rendelkeztek, a levelek nagyobb konvex területet foglaltak el, magasabb klorofill és antocián tartalommal rendelkeztek, mint a Col-0 és Atgpxl5 mutáns növények. Az Atgpxl5-nél megfigyelt csökkent hajtás- és gyökérnövekedés arra enged következtetni, hogy az AtGPXL5 fehérje szerepet játszik a növények normal növekedésében.

Abstract in foreign language

Plant’s glutathione peroxidase-like (GPXL) enzymes are thiol-based peroxidases catalysing the reduction of H2O2 or hydroperoxides to water or alcohols using reduced glutathione (GSH) or thioredoxin as an electron donor (Navrot et al., 2006). Arabidopsis thaliana possesses eight isoenzymes located in different plant’s organelles and having different roles in redox-dependent processes. Among them, AtGPXL5 is a poorly known plasma membrane-associated enzyme, although its role in salt stress tolerance was suggested (Gao et al. 2014). We have constitutively overexpressed the AtGPXL5 cDNA and investigated the role of AtGPXL5 in response to NaCl treatment and in development. Experiments were performed by using AtGPXL5-overexpressing lines (OX-AtGPXL5) and Atgpxl5 mutant plants. Based on our results, we have made the following observations: 1) 12-day-old Arabidopsis thaliana Atgpxl5 insertional mutants had higher level of superoxide radical anion and total ROS in untreated roots and shoots, respectively compared with Col-0. The higher level of ROS decreased the cells’ vitality in the shoot of Atgpxl5 seedlings even under control condition. After applying 7-day treatment with the concentration of 100 mM NaCl, the O2•− level in the root was elevated further and reached higher level than in the wild type. These indicate that AtGPXL5 might play an important role in the ROS homeostasis and maintaining the cell’s vitality. 2) The antioxidant mechanisms of the 6-week-old plants have altered, especially in the Atgpxl5 mutants compared to OX-AtGPXL5 plants. Several ROS processing enzymes worked in elevated level in Atgpxl5 mutant, but OX-AtGPXL5 plant exhibited similar activity to the Col-0 wild type. The GPOX activity was elevated in the lowest extent in Atgpxl5 plants while GPOX and TPOX enzymes in the AtGPXL5-overexpressing plants worked about on the level of wild type. 3) Under control conditions, significantly lower GSH was found in the Atgpxl5 mutant roots while its amount was elevated in the OX-AtGPXL5 shoot. The applied salt stress caused accumulation of the highest amount of reduced glutathione and the less oxidized form (GSSG) in the AtGPXL5-overexpressing plants among the investigated lines, while the GSSG increased most in the Atgpxl5 roots. The amount of reduced glutathione was higher and the calculated redox potential was more negative in the overexpressed line than in Col-0. The result confirms that AtGPXL5 has function in regulating the redox state, through which they can also influence the growth and development. 4) AtGPXL5 enzymes are required for healthy growth and development of the Arabidopsis thaliana seedlings. Deficiency of AtGPXL5 led to reduce the length of primary roots, biomass, rosette size, convex area, chlorophyll and anthocyanin contents compared to other investigated lines under normal conditions. In the presence of 100 mM NaCl, Atgpxl5 mutant and the Col-0 wild type seeds showed delayed germination, while germination of the OX-AtGPXL5 lines was not inhibited in the presence of 100 mM NaCl. Untreated OX-AtGPXL5 lines exhibited similar phenotype as Col-0, however the overexpressing plants grew better in the presence of 100mM NaCl: they had larger rosettes, larger convex area and lower convex percentage values with higher content of chlorophyll and anthocyanin than that of the wild type and Atgpxl5 plants. The reduced development of the shoots and decreased root length of the Atgpxl5 mutant indicate that this protein has a function even in the normal development.

Item Type: Thesis (PhD)
Creators: Riyazuddin Riyazuddin
Divisions: Doctoral School of Biology
Discipline label: Natural Sciences > Biology
Defence date label: 2020. June 29.
Item ID: 10457
Date Deposited: 2020. Mar. 24. 21:20
Last Modified: 2020. Jul. 03. 08:51
Depository no.: B 6634
URI: http://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/10457
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year