Characterization of barley albina and xanthia mutants and analysis of gene expression associated with chloroplast development and cold acclimation

I cloroplasti sono la fonte energetica delle cellule vegetali, in grado di catturare la luce e organicare il carbonio tramite il processo fotosintetico. Il cloroplasto ha un ruolo di primaria importanza per il ciclo vitale dei vegetali e quindi lo studio del suo funzionamento e del metabolismo cloroplasto-dipendente è fondamentale. I plastidi possiedono una propria informazione genetica e gli enzimi necessari per la replicazione del DNA, l’espressione genica e la sintesi proteica. Nonostante ciò solo una piccola parte delle proteine plastidiali è codificata dal plastoma (=genoma plastidiale), mentre la maggior parte viene codificata dal genoma nucleare e successivamente importata nel cloroplasto. Il cloroplasto dipende quindi, per il suo corretto funzionamento, anche da geni nucleari. E’ noto, inoltre che le piante, durante il loro ciclo vitale, devono crescere e svilupparsi andando incontro a stress sia biotici che abiotici. E’ quindi ovvio che, nel corso del normale ciclo vitale e al verificarsi di un fattore ambientale, sia necessaria una espressione coordinata dei genomi nucleare e plastidiali al fine di permettere il corretto funzionamento degli organelli e, di conseguenza, dell’intera cellula. Diversi studi hanno enfatizzato l’importanza del cloroplasto durante l’acclimatamento a freddo, sia come fonte di energia, per tutti i cambiamenti richiesti a livello cellulare per l’induzione della resistenza alle basse temperature, sia come possibile fonte di segnali di allarme al resto della cellula, percepiti da fluttuazioni nello stato di ossido/riduzione dell’apparato fotosintetico. Il freddo è uno dei fattori ambientali che limitano maggiormente la distribuzione geografica e la produttività delle specie vegetali. E’ quindi chiaro che il processo fotosintetico debba interagire con gli altri processi cellulari durante l’esposizione a basse temperature sia fungendo da segnale di allarme, sia integrandosi con le altre vie di trasduzione del segnale che portano all’acclimatamento. Stimoli ambientali e interni confluiscono quindi da diverse vie di trasduzione del segnale modulando l’espressione genica e inducendo le risposte a valle allo scopo di permettere alla pianta di adattarsi al meglio ai cambiamenti ambientali. L’obiettivo di questa tesi è stato quello di valutare l’influenza del cloroplasto sull’espressione dei geni nucleari e il suo ruolo nel modificare il metabolismo cellulare sia durante le normali condizioni di crescita, sia durante la risposta alle basse temperature. A questo scopo, sono stati analizzati quattro mutanti albina/xantha di orzo che presentano un plastidio bloccato a stadi successivi di sviluppo del cloroplasto. Inoltre è stato effettuato uno studio su alcuni meccanismi di risposta alle basse temperature indipendenti dal cloroplasto. Un approccio di trascrittomica basato sulla tecnologia microarray, accoppiato con l’utilizzo di mutanti e con uno studio approfondito di alcuni processi metabolici ha portato ad una nuova comprensione dell’effetto del cloroplasto sul genoma nucleare.

Chloroplasts are the light-harvesting, carbon-fixing, oxygen-producing energy source of the photosynthetic eukaryotic cells. The chloroplast has a central role for plant life therefore the study of chloroplast functioning and chloroplast dependent metabolism is fundamental. Plastids, having their own genomes, code only for a little part of the chloroplast localized proteins, thus depend, for their functioning, from nuclear codified genes. Moreover higher plants, during their life cycle, have to grow, develop and cope with both abiotic and biotic stress. This means that, during normal growth and as an environmental factor occur, a coordinated expression of nuclear and chloroplast genome is necessary for the assembling, functioning and reprogramming of the organelles and, consequently of the whole cell. Photosynthesis is primarily affected by environmental changes such as light intensity and quality or temperature mediated changes in membrane fluidity. Cold stress is a major environmental factor limiting plants geographical distribution and productivity; exposure to cold in presence of light leads to an excess of adsorbed energy. Photosynthesis itself functions as a sensor of the imbalance between available light and metabolic activity, and regulates the photophysical, photochemical and metabolic process of the chloroplast. It is thus clear that photosynthesis interacts with other processes during cold acclimation involving cross-talk between photosynthetic redox, cold acclimation and sugar signaling pathways to regulate plant acclimation to low temperature. External and internal signals, thus, flow in from various pathways and contribute to modulate gene expression, shaping the downstream response and modifying the plant performance to best exploit environmental conditions. The objective of this thesis was to evaluate the influence of the chloroplast on nuclear gene expression and its role in modifying the cell metabolism either during normal growth condition or during cold acclimation. To this purpose four barley albina/xantha mutants, having plastids blocked at subsequent stages of chloroplast development, were analyzed. Furthermore a study on some cold responsive mechanisms whose expression is independent from the chloroplast was also carried on. The oncoming of whole transcriptome approach, based on array technology, coupled to the use of mutants and accompanied with a deeper investigation of keys metabolic pathways resulted in a new insight of chloroplast effects on nuclear genome.