Phylogenie und Genexpression der Glutamat-Synthase (GOGAT) in verschiedenen Algengruppen

Abstract

Die Glutamat-Synthase (GOGAT) ist essentiell für die Stickstoffassimilation in Pflanzen. Zwei Isoformen des Enzyms sind in höherenPflanzen bekannt, ein Ferredoxin-abhängiges, die Fd-GOGAT, und ein NADH-abhängiges, die N-GOGAT. Beide Isoformen werden vonunterschiedlichen Genen kodiert. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe, Organisation und Regulation und sollen einenunterschiedlichen phylogenetischen Ursprung besitzen. In der vorliegenden Arbeit sollte das Vorkommen, die Regulation und die Evolution von GOGAT-Enzymen in verschiedenen Gruppen vonAlgen untersucht werden. Mit Hilfe spezifischer Enzymaktivitätstest wurden in Rohenzymextrakten von Algen aus den Gruppen der Rhodophyta, der Heterokontophytasowie der Chlorophyta sowohl Fd- als auch N-GOGAT Aktivitäten nachgewiesen. 1,2 kb große Fragmente für die entsprechenden (glsF- bzw. gltB-homologen) Gene konnten aus einer Reihe von Algen isoliert werden.Phylogenetische Bäume ermöglichten die Einordnung der ermittelten Sequenzen. Vor dem Hintergrund der Evolution ihrer Organellenwurde ein umfassendes Modell zur Evolution von GOGAT-Isoenzymen in den verschiedenen Gruppen von Algen erstellt. Die N-GOGATscheint ein ursprünglich eukaryotisches Enzym zu sein, während die Fd-GOGAT aus dem Plastiden stammt. Zusätzlich dazu gelang es, in einer Reihe von Algen der Rhodophyta und Gruppen mit von Rotalgen abgeleiteten sekundären Plastiden(Heterokontophyta, Cryptophyta und Haptophyta) Gene nachzuweisen (gltA), die für eine phylogenetisch weitere GOGAT (alpha-GOGAT)kodieren. Für sie kann ein mitochondrialer Ursprung angenommen werden. Für die untersuchten Algen mit sekundären Plastiden konnte gezeigt werden, dass einige ihrer GOGAT Enzyme offensichtlich aus ihremRotalgen-Endosymbionten stammen. Mit Hilfe von Enzymaktivitätstests und semiquantitativer RT-PCR wurde eine Induktion der Fd-GOGAT Genexpression in Rhodophyten,Herterokontophyten und Chlorophyten durch Licht nachgewiesen. In der Heterokontophyte H. carterae unterliegt diese Regulation derFd-GOGAT einer circadianen Rhythmik. Die NAD(P)H-abhängigen Aktivitäten verhielten sich in allen untersuchten Fällen einer Regulationdurch Licht gegenüber konstitutiv. In P.aerugineum und H. carterae wurde der Einfluss von Stickstoffmangelbedingungen auf die spezifischen Enzymaktivitäten untersucht.Lediglich die Aktivität der Fd-GOGAT wurde unter diesen Bedingungen induziert. In H. carterae wurde die Kompartimentierung verschiedener GOGAT Enzyme untersucht. Während die Fd-GOGAT Enzymaktivität imPlastiden lokalisiert ist, scheint die Hauptaktivität der NADH-abhängigen GOGAT Enzyme im Cytoplasma zu liegen.