University of Oulu

Endogenous haemoglobins and heterologous Vitreoscilla haemoglobin in hybrid aspen

Saved in:
Author: Jokipii-Lukkari, Soile
Organizations: University of Oulu, Faculty of Science, Department of Biology
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 0.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514294075
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-04-19
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Science of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (Auditorium YB210), Linnanmaa, on 29 April 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Hely Häggman
Doctor Pauli Kallio
Docent Karoliina Niemi
Reviewer: Docent Annikki Welling
Professor Leif Bülow
Description:

Abstract

In plants, there are at least three types of haemoglobins (Hbs): symbiotic, non-symbiotic and truncated. Symbiotic Hbs are known to participate in nitrogen fixation, but the roles of the latter two groups are more obscure. Previous reports have connected both plant non-symbiotic and truncated Hbs to the scavenging of an important signal molecule, nitric oxide (NO). The aim of the present thesis was to study the effects of a bacterial Hb of Vitreoscilla sp. (VHb) on a woody model organism, hybrid aspen (Populus tremula x tremuloides), and the role of endogenous hybrid aspen Hbs. To store the produced hybrid aspen lines, the suitability of different cryopreservation methods was also tested.

VHb-expressing hybrid aspens were generated by Agrobacterium-mediated gene transfer. The effects of VHb expression were examined in standard greenhouse conditions, under elevated UV-B light as well as during culture with ectomycorrhizal fungi. Both slow cooling and vitrification methods were applied in cryostoring samples of the different genetic backgrounds. Hybrid aspen non-symbiotic and truncated Hb genes PttHb1 and PttTrHb, respectively, were also isolated. The function of the genes and corresponding proteins PttHb1 and PttTrHb were studied using non-transgenic and VHb hybrid aspen lines as well as a mutant yeast (Saccharomyces cerevisiae) defective in NO resistance.

VHb expression did not improve the general growth of hybrid aspen but resulted in enhanced starch accumulation in chloroplasts, pointing to changes in energy metabolism. Of the studied cryopreservation protocols, the slow cooling of dormant in vivo buds proved to be the most feasible way of cryostoring hybrid aspen lines. The culture with the ectomycorrhizal fungus was shown to increase the expression of both PttHb1 and PttTrHb in the roots of non-transgenic lines. However, the fungi did not up-regulate the hybrid aspen Hb genes in the VHb lines. Therefore, it is hypothesized that endogenous Hbs may contribute to the growth of roots and that VHb may compensate this function. When expressed alone in the mutant yeast, the recombinant PttHb1 and PttTrHb did not protect cells against the toxicity of NO. Subsequently, a novel mRNA transcript of the heterotrophic ferredoxin NADP+ oxidoreductase gene PtthFNR was found. The absence of a plastid presequence in the transcript suggests targeting of the encoded protein into cytosol. The coexpression of PttHb1 and cytosolic PtthFNR partially rescued the mutant yeast during NO treatment, demonstrating for the first time that plant Hb1 with an applicable reductase scavenges NO in vivo at a physiologically relevant rate.

This thesis extends current knowledge about plant Hbs and the effects of VHb on a phenotype of a tree. It also provides new information about plant ferredoxin reductase genes.


Tiivistelmä

Kasvihemoglobiinit jaetaan symbioottisiin, ei-symbioottisiin sekä ns. katkaistuihin eli truncated-hemoglobiineihin. Symbioottisten hemoglobiinien tiedetään osallistuvan typen sitomiseen, kun taas kahden muun ryhmän toiminta tunnetaan heikosti. Aiemmissa tutkimuksissa ei-symbioottiset ja truncated-hemoglobiinit on yhdistetty tärkeän signaalimolekyylin, typpimonoksidin (NO), haitallisuuden vähentämiseen. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia Vitreoscilla sp. -bakteerin VHb-hemoglobiinin vaikutuksia puuvartiseen mallikasviin, hybridihaapaan (Populus tremula x tremuloides), sekä hybridihaavan omien hemoglobiinien merkitystä. Lisäksi työssä kokeiltiin eri nestetyppisäilytysmenetelmiä hybridihaapalinjojen varastoimiseksi.

VHb:tä ilmentävät hybridihaavat tuotettiin Agrobacterium-välitteisellä geeninsiirrolla. VHb:n vaikutuksia tutkittiin kasvihuoneolosuhteissa, kohotetussa UV-B-säteilyssä sekä sienijuurikasvatuksen aikana. Eri linjojen nestetyppisäilytykseen sovellettiin sekä hidasta että nopeaa jäähdytystä. Tutkimuksissa myös eristettiin hybridihaavan PttHb1- ja PttTrHb-hemoglobiinigeenit. Näiden geenien sekä niiden koodaamien PttHb1- ja PttTrHb-proteiinien toimintaa tutkittiin siirtogeenittömien ja VHb-hybridihaapalinjojen sekä NO-herkän hiivamutantin (Saccharomyces cerevisiae) avulla.

VHb-ilmennys ei parantanut hybridihaavan kasvua, mutta lisäsi tärkkelyksen kertymistä viherhiukkasiin, mikä viittaa muutoksiin energia-aineenvaihdunnassa. Tutkituista menetelmistä parhaiten hybridihaapalinjojen nestetyppisäilytykseen soveltui lepovaiheessa olevien in vivo -silmujen hidas jäähdytys. Toisin kuin VHb-kasveissa, sienijuurikasvatus voimisti sekä PttHb1:n että PttTrHb:n ilmenemistä siirtogeenittömien hybridihaapojen juurissa. Tästä johtuen esitettiin, että hybridihaavan hemoglobiinit voivat vaikuttaa juurien kasvuun ja VHb pystyy korvaamaan tämän toiminnon. Kun PttHb1 ja PttTrHb ilmennettiin yksin mutanttihiivassa, proteiinit eivät suojanneet soluja NO:n myrkyllisyydeltä. Tämän jälkeen työssä kuvattiin heterotrofisen ferredoksiini-NADP+-oksidoreduktaasi-geenin PtthFNR:n uusi mRNA-muoto. Plastidiin ohjaavan sekvenssin puuttuminen geenituotteesta viittaa siihen, että mRNA:n koodaama proteiini sijoittuu solulimaan. PttHb1:n ja PtthFNR:n yhtäaikainen ilmentäminen mutanttihiivassa paransi solujen elossa säilymistä NO-käsittelyn aikana, mikä osoittaa ensimmäistä kertaa, että kasvin Hb1 pystyy sopivan reduktaasin kanssa vähentämään NO-pitoisuutta elävässä eliössä.

Tämä työ laajentaa tietämystä kasvihemoglobiineista sekä VHb:n vaikutuksesta puiden ilmiasuun. Työ myös lisää tietoa kasvien ferredoksiinireduktaasi-geeneistä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-951-42-9407-5
ISBN Print: 978-951-42-9406-8
Issue: 572
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.