Characterization of the multicopper oxidase LPR1 and the P5-type ATPase PDR2 and their roles in the phosphate starvation response of Arabidopsis thaliana

Abstract

In dieser Arbeit wurde das Zusammenspiel der Multicopperoxidase LPR1 und der P5-typ ATPase PDR2 während der Phosphatmangelreaktion (PSR) von Arabidopsis thaliana untersucht. LPR1 konnte als Ferroxidase, die im Apoplasten des Wurzelmeristems lokalisiert ist, identifiziert werden. Struktur-Funktions-Studien wurden genutzt um spezifische Substratbindestellen und katalytisch aktive Aminosäure-Reste zu identifizieren. Lokalisierungsstudien unter Verwendung von GFP-Fusionsproteinen von PDR2 konnten die ER-Membranlokalisierung des Fusionskonstrukts bestätigen. Die Aktivität der Konstrukte konnte zumindest teilweise durch Komplementationsstudien von pdr2 bestätigt werden, was sie für zukünftige Experimente zu einer wichtigen Ressource macht. Das Verständnis der Funktionsweise des relativ einfachen Netzwerks, das die Anpassung des Wurzelsystems an geringe Phosphatkonzentrationen im Medium steuert und von LPR1 und PDR2 reguliert wird, hilft dabei, die vielfältigen Netzwerke zu verstehen, die zur Integration vieler verschiedener Umweltfaktoren verwendet werden, die das Pflanzenwachstum in einer komplexen Umgebung beeinflussen.

In this work, the interplay between multicopper oxidase LPR1 and P5-type ATPase PDR2 in the phosphate starvation response (PSR) of Arabidopsis thaliana was investigated. LPR1 was identified as a ferroxidase that is localized to the apoplast of the root meristem. Structure-function studies revealed substrate binding sites and important catalytic sites of the protein showing that its functionality is highly similar to other ferroxidases. Localization studies using GFP-fusion proteins of PDR2 could confirm ER membrane localization of the fusion construct. The fusion constructs were not able to complement the hypersensitive phenotype of pdr2 towards phosphate deficiency. However, a complementation of pdr2’s reproductive phenotype confirmed at least partial activity of the localization constructs. Understanding the relatively simple network that that controls root system adaptation to low phosphate availability and is regulated by LPR1 and PDR2 will help to understand the multifaceted networks that are used to integrate many different environmental cues that affect plant growth in a complex environment.