Plant Aquaporins: A study of expression, localization, specificity, and regulation

Abstract

Aquaporins, or Major Intrinsic Proteins (MIPs), are integral proteins that facilitate transport of water and other small neutral solutes across biological membranes. They belong to a well conserved and ancient family of proteins, present in all organisms ranging from bacteria to plants and humans. The aquaporin family in plants is large, indicating complex and regulated water transport within the plant in order to adapt to different environmental conditions. All aquaporin isoforms probably work together in an orchestrated manner, where each individual aquaporin isoform displays a specific localization pattern, substrate specificity, and regulatory mechanism.



When analyzing the whole genome of the model plant Arabidopsis thaliana, 35 aquaporin-encoded genes were identified. Based on sequence similarities and by phylogenetic analyses they were divided into four subfamilies; Plasma membrane Intrinsic Proteins (PIPs), Tonoplast Intrinsic Proteins (TIPs), NOD26-like Intrinsic Proteins (NIPs), and Small basic Intrinsic Proteins (SIPs). These subfamilies are conserved in many plant species. Based on the four subfamilies a new uniform nomenclature for all plant aquaporins was proposed, which is now widely accepted and used. A gene expression study, using a DNA microarray and quantitative real-time reverse transcriptase PCR, of all the 35 aquaporin genes in Arabidopsis was performed. The relative amounts of each isoform in leaves, roots, and flowers were analyzed, as well as their individual responses to drought stress. Focusing on four of the nine isoforms in the Arabidopsis NIP subfamily, i.e. AtNIP1;2, AtNIP2;1, AtNIP4;2, and AtNIP6;1, the gene expression on tissue and cell level was studied with promoter::GUS constructs, the protein localization was studied on the subcellular level in different organs with immunoblots, and the permeability to water and glycerol was examined by heterologous expression in Xenopus oocytes.



The spinach leaf plasma membrane aquaporin SoPIP2;1 was heterologously overexpressed in the yeast Pichia pastoris, purified, and functionally characterized by reconstitution into proteoliposomes. The water channel activity of SoPIP2;1 has previously been shown to be regulated by phosphorylation of Ser115 and Ser274. Two protein kinases, acting on these two phosphorylation sites in SoPIP2;1, were partly purified and characterized.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

2003 års Nobelpris i kemi gick till professor Peter Agre för upptäckten av aquaporinerna. Aquaporiner är proteiner som sitter i membran och bildar kanaler som tillåter vatten och andra små neutrala molekyler att passera genom membranet. Aquaporinerna utgör en mycket gammal och välkonserverad proteinfamilj som finns i alla levande organismer som hittills undersökts.



Växter har ett stort behov av en ständigt fungerande transportmekanism av vatten för sin överlevnad. Eftersom en växt är placerad på ett ställe i naturen och inte har möjlighet att skydda sig från påfrestningar i form av blåst, skugga, sol, regn, torka och beröring, är det viktigt för dem att hela tiden kunna anpassa sig till olika omständigheter, vilket ofta involverar ändringar av vattentransporten i hela växten. För att ständigt kunna uppnå dessa snabba ändringar i vattentransporten kräver växterna många aquaporiner.



För att förstå hur aquaporinerna fungerar är det viktigt att studera de individuella aquaporinerna var för sig samt att studera hur alla aquaporinerna i en organism arbetar tillsammans. Detta har vi studerat i två växter; backtrav (Arabidopsis thaliana) och spenat.



År 2000 publicerades hela den sekvenserade arvsmassan (DNA:t) hos modellväxten backtrav. Vi har identifierat 35 st aquaporingener i backtrav, som kan delas in i fyra grupper; plasmamembran-lokaliserade aquaporiner (PIPar), tonoplast-lokaliserade aquaporiner (TIPar), NOD26-lika aquaporiner (NIPar) och små basiska aquaporiner (SIPar). Dessa fyra grupper återfinnes i många andra växtarter, vilket innebär att de kan namnges på samma sätt och därmed lättare jämföras med varandra mellan arterna. Vi har analyserat mängden av de 35 individuella aquaporinerna i backtrav, både i olika växtdelar (blad, rot och blomma) samt hur de förändras vid torkstress. Dessutom så har vi har studerat fyra av de nio NIParna i backtrav med avseende på lokalisering, dels i växten och dels inuti cellen, samt deras transportspecificitet.



När man vill studera ett enda protein i detalj behöver man stora mängder av proteinet. Vi har producerat SoPIP2;1, vilket är en aquaporin som finns i plasmamembranet hos spenatblad, i en jäststam och rena upp det från jästmembranen. Vi visade också att det upprenade proteinet hade kvar sin förmåga att transportera vatten. Transportaktiviteten hos SoPIP2;1 regleras genom fosforylering, vilket innebär att en fosfatgrupp sätts på en specifik aminosyra i proteinet och därmed ger proteinet en lite annorlunda struktur och därmed ändrad transportaktivitet. Kinaser är en grupp av proteiner som på detta sätt modifierar andra proteiner. Vi har delvis renat upp och karakteriserat två kinaser som fosforylerar SoPIP2;1. Detta kan ses som första steget i att utforska mekanismen för vad som reglerar denna aquaporinen.

• author: Sjövall Larsen, Sara
• supervisor: Per Kjellbom
• opponent: Dr Bill, Roslyn, Aston University, Birmingham, UK
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: Växtbiokemi, Plant biochemistry, phosphorylation, protein kinase, overexpression, NIP, MIP, plant, aquaporin
• defense location: Lecture Hall B, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund
• defense date: 2005-06-10 10:15:00
• ISBN: 91-973969-9-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 72ed9fde-dd01-4bf9-91e9-545328863c78 (old id 545101)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:55:46
• date last changed: 2018-11-21 21:08:02