title: The role of AGD12 in phototrope and gravitrope signal tranduction in Arabidopsis thaliana
title: Die Rolle von AGD12 bei phototroper und gravitroper Signaltransduktion in Arabidopsis thaliana
Creators: name: Michalski, Christian
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Phototrapismus , Gravitropismus

description: Durch Licht oder Schwerkraft
      induziertes gerichtetes Wachstum von Pflanzen wird als
      Phototro-pismus bzw. Gravitropismus bezeichnet. Diese werden
      unterteilt in Reizwahrnehmung, Signalweiter-leitung und einer
      abschließenden photo- bzw. gravitropen Reaktion. In höheren
      Pflanzen wie Arabidopsis thaliana erfolgt die Wahrnehmung von
      Licht über den Blaulicht-Photorezeptor Phototro-pin. Die
      Wahrnehmung von Schwerkraft wird hingegen durch die
      Sedimentation stärkehaltiger Statolithen unterstützt, wobei
      der tatsächliche Schwerkraftrezeptor gegenwärtig unbekannt
      ist. Wei-tere Details zur daran anschließenden frühen
      Signalweiterleitung von Photo- und Gravitropismus sind ebenso
      unbekannt. Erst die durch ARFs gesteuerte Umverteilung von
      PIN-Proteinen über das Trans-Golgi-Netzwerk bildet den
      nächsten bekannten Zwischenschritt in der gemeinsamen
      Signaltransduk-tion von Photo- und Gravitropismus. Das
      Resultat ist eine Verlagerung des Auxintransports, Aufbau
      eines Auxingradienten und schließlich asymmetrisches
      Wachstum. Die Resultate dieser Arbeit verdeutlichen, dass
      AGD12 und EHB1 als positiver bzw. negativer Effektor der
      photo- und gravitropen Signaltransduktion fungieren. So
      konnte gezeigt werden, dass eine agd12 loss-of-function
      Mutante im Vergleich zum Wildtyp einen verringerten Photo-
      und Gravitropismus aufweist. Ein Phänotyp der diametral zur
      hypergravitropen ehb1-2-Mutante ist. Zudem konnte ge-zeigt
      werden, dass beide Proteine in vivo mit dem für
      Phototropismus essentiellen NPH3-Protein interagieren.
      Ebenfalls wurden mittels Hefe-Zwei-Hybrid-System
      Interaktionen von AGD12 und EHB1 mit diversen ARF Proteinen
      in vivo nachgewiesen, welche essentiell für die gemeinsame
      Signalweiter-leitung von Photo- und Gravitropismus sind. Im
      Rahmen dieser Arbeit wurden diese Befunde durch
      konfokalmikroskopische Untersuchungen an Keimlingen
      untermauert, die AGD12:GFP und EHB1:GFP konstitutiv
      exprimieren. So lokalisierten beide Fusionsproteine als Folge
      einer Behandlung mit Bre-feldin A in sogenannten
      BFA-Kompartimenten, was auf eine Assoziation von AGD12 und
      EHB1 mit dem Trans-Golgi-Netzwerk schließen lässt. Damit wird
      die nachgewiesene Interaktion mit NPH3 und diversen ARFs
      durch eine gemeinsame Lokalisation mit AGD12 und EHB1
      gestützt. In silico modellier-te Ca2+-Bindestellen bei AGD12
      und EHB1 legen nahe, dass ihre Funktion durch Ca2+ moduliert
      werden kann. Parallel dazu konnte durch Zugabe von Ca2+ in
      das Wachstumsmedium gezeigt werden, dass der Gravitropismus
      von Pflanzen ohne AGD12 und EHB1 weit geringer durch
      Schwankungen der externen Ca2+-Konzentration beeinflusst
      wird. Daher ist zu vermuten, dass beide Proteine über
      Ca2+-Signale an der frühen gravitropen Signaltransduktion
      beteiligt sind. Dabei könnte die unmittelbare Erhöhung der
      cytosolischen Ca+2-Konzentration nach Schwerkraftstimulus zu
      einer Ca2+-Bindung an AGD12 und EHB1 führen, deren
      Funktionalität modulieren und so die Signaltransduktion
      fortgeführt werden. Es ist anzunehmen, dass beide Proteine um
      die jeweilige Bindung an NPH3 und diversen ARFs in
      Kon-kurrenz stehen und sich daraus ihre gegensätzliche
      Wirkung auf die Tropismen ergibt. So stellt AGD12 die
      eigentliche Verbindung zwischen NPH3 und diversen ARFs dar,
      indem es den zyklischen GTP/GDP-Austausch an ARFs und somit
      die Bildung von Transportvesikeln ermöglicht. Eine Bindung
      mit EHB1 hingegen unterbindet diesen GTP/GDP-Austausch
      aufgrund der fehlenden Arf-GAP-Domäne, was die Rolle von EHB1
      als negativen Effektor erklärt. Der Umstand, dass homologe
      Protei-ne wie AGD11 und AGD13 ebenso positiven Einfluss auf
      Photo- und Gravitropismus ausüben, lässt vermuten, dass weit
      mehr Proteine an diesen und anderen physiologischen
      Reaktionen beteiligt sind. Demnach bestimmt das Verhältnis
      zwischen AGD-Proteinen und den EHB1-verwandten CAR-Proteinen
      die Intensität einer Reaktion auf diverse Umweltreize wie
      Licht und Schwerkraft.
description: The growth of plants directed by
      light or gravity is referred as phototropism or gravitropism.
      They are generally subdivided into stimulus perception,
      signal transduction and a final phototropic or gravitropic
      reaction. In higher plants such as Arabidopsis thaliana,
      light is detected by the blue-light receptor phototropin. The
      perception of gravity, on the other hand, is supported by the
      sedimenta-tion of starch-containing statoliths. But the
      genuine gravity receptor is presently unknown. Further
      details on the subsequent early signal transduction of photo-
      and gravitropism are also unknown. Only the ARF-controlled
      redistribution of PIN proteins via the trans-Golgi network is
      the next known intermediate step in the common signal
      transduction of photo- and gravitropism. The results are
      changes of the auxin transport, the development of an auxin
      gradient, and asymmetric growth, final-ly. The outcome of
      this work shows that AGD12 and EHB1 act as a positive and
      negative effector of pho-to- and gravitrope signal
      transduction. Thus, it was shown that the loss-of-function
      mutant agd12-9 compared with wildtype has a reduced photo-
      and gravitropism. A phenotype that is contrary to the
      hypergravitropic mutant ehb1-2. In addition, it was shown
      that both proteins interact in vivo with the NPH3 protein
      essential for phototropism. Similarly, yeast two-hybrid
      system interactions of AGD12 and EHB1 with various ARF
      proteins were demonstrated in vivo, which are essential for
      the common signal propagation of photo- and gravitropism.
      Within the scope of this work, these findings were confirmed
      by confocal microscopy studies on seedlings expressing
      AGD12:GFP and EHB1:GFP consti-tutively. Both fusion proteins
      localized as a result of treatment with Brefeldin A in
      so-called BFA compartments, suggesting an association of
      AGD12 and EHB1 within the trans-Golgi network. Thus the
      demonstrated interaction with NPH3 and various ARFs is
      supported by a common localization with AGD12 and EHB1. In
      silico modeled Ca2+ binding sites within AGD12 and EHB1
      suggest that their function can be modulated by Ca2+. In
      parallel, the addition of Ca2+ into the growth medium showed
      that the gravitropism of plants without AGD12 and EHB1 were
      far less sensitive to fluctuations in the external Ca2+
      concentration. Therefore, both proteins are likely involved
      in the early gravitropic signal transduction via Ca2+
      signals. The instantaneous increase of the cytosolic Ca2+
      concentration after gravity stimulation could lead to Ca2+
      binding to AGD12 and EHB1, which gets functionally modulated
      and initiate further signal transduction. It is to be assumed
      that both proteins are in competition with the respective
      binding to NPH3 and various ARFs, resulting in their opposing
      effect on photo- and gravitropisms. On the one hand, AGD12
      represents the actual link between NPH3 and various ARFs by
      enabling the cyclic GTP/GDP exchange to ARFs and thereby the
      formation of transport vesicles. Binding with EHB1 on the
      other hand, prevents this GTP/GDP exchange due to the lack of
      an Arf-GAP domain, which explains the role of EHB1 as a
      negative effector. The fact that also homologous proteins
      such as AGD11 and AGD13 show a positive influence on photo-
      and gravitropism suggests that far more proteins are involved
      in these and other physiological reactions. Therefore,
      probably the ratio between AGD proteins and EHB1-related CAR
      proteins determines the intensity of a reaction to various
      environmental stimuli such as light and gravity.