Plant Major Intrinsic Proteins - natural variation and evolution

Abstract

Major Intrinsic Proteins (MIPs, also called Aquaporins, AQPs) are channel forming membrane proteins. Although initially functionally characterized and named after their water channeling property in human red blood cells, it has become increasingly evident that MIPs are present in all types of organisms and transport a variety of small, uncharged molecules besides water. MIPs have a highly conserved structure with a constriction region and electrostatic repulsion filter allowing the combination of high transport rate and selectivity, characteristic of MIPs.



In plants, MIPs form a large and varied protein family, with roughly three times as many isoforms as found in animals. Even though the abundance implies that MIPs have important functions in plants, the roles of individual MIPs have so far only been described for a handful of isoforms. Variations in the filter regions as well as experimental data, suggest differences in substrate specificities and localization for different MIP subfamilies. However actual functions of different isoforms remain largely unknown as traditional knock out/knock down experiments to a large extent have failed to reveal any clear phenotypes.



Using another approach, we used naturally occurring genetic variants (accessions) of the model plant Arabidopsis thaliana to see if differences in traits, such as drought tolerance, could be linked to differences in MIP regulation. We also looked at the evolution of the MIP family in plants, to see if this could for example be linked to events such as the emergence of a vascular system or the development of a terrestrial lifestyle. Therefore we identified the whole MIP family in the moss Physcomitrella patens and in nine different green algae and investigated how these relate to those of higher plants. An amazing diversity of MIPs was found and surprisingly some of the higher plant subfamilies were present also in these simple plants.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Livets minsta beståndsdel, cellen, omges av ett membran som avgränsar den från omvärlden. För att hålla den inre miljön kontrollerad måste cellen kunna styra transporten av olika ämnen över membranet, vilket görs med hjälp av olika proteiner. Dessa proteiner kan antingen vara energikrävande pumpar och transportörer som aktivt förflyttar substanser över membranet, eller de kan vara passiva transportörer och kanaler som påverkar diffusionen av ämnen över membranet.



Ett exempel på det senare är de kanalbildande proteinerna MIPar (Major Intrinsic Proteins). Dessa proteiner identifierades tidigt på grund av att de var så rikligt förekommande i vissa membran (därav namnet) men först senare lyckades man visa deras funktion. En av de första MIParna vars funktion påvisades var en vattentransporterande kanal, varför detta protein och ibland hela gruppen av proteiner även kallas akvaporiner (AQPs). Detta var en mycket stor upptäckt, då det länge varit omdiskuterat huruvida vatten bara var beroende av passiv diffusion genom cellmembranet, eller om det behövdes proteiner för transporten. Upptäckten skulle leda till ett ökat intresse kring MIPar och resulterade även i att Peter Agre, som ledde den grupp av forskare som gjorde de första upptäckterna kring vattentransport i MIPar, tilldelades nobelpriset i kemi 2003.



Sedan proteinfamiljen upptäcktes i slutet av 1980-talet har intensiva studier bedrivits i syfte att kartlägga och karaktärisera olika varianter (isoformer) av MIPar och det har visat sig att MIPar finns i de allra flesta levande organismer och att de inte enbart transporterar vatten, utan även en stor mängd andra ämnen, såsom ammoniak, glycerol, arsenik och urea. Dock kvarstår många frågetecken kring de olika isoformernas lokalisering, specifika funktion, struktur och reglering.



I växter bildar MIPar en stor och omfångsrik familj, med nästan tre gånger så många isoformer som det finns i däggdjur (35 respektive 13). Anledningen till denna omfångsrikedom är i mångt och mycket fortfarande oklar, men det har spekulerats i att den har en grund i växters speciella behov av reglering av transport i allmänhet och vattentransport i synnerhet. Detta behov har sin grund i att växter, till skillnad från djur, inte kan förflytta sig utan måste anpassa sig till förändringar i den miljö de lever i. Det ligger därför nära till hands att tänka sig att en ökad möjlighet att reglera t.ex. vattenflöden under perioder av torka, skulle vara viktigt för växter. Tyvärr har traditionella metoder där man slår ut enskilda MIP-gener (och därmed proteinerna) till stor del misslyckats med att identifiera funktioner hos enskilda isoformer, troligtvis på grund av överlappande funktion hos isoformerna.



Ett annat sätt att få ökad förståelse och kunskap kring MIPar i växter är genom att studera MIP-familjen i olika växter och jämföra dessa. Till exempel har vi i Paper II använt oss av den biologiska variationen inom samma art (s.k. ekotypvariation) för att studera huruvida variationen i effektiviteten av vattenanvändande kan förklaras av skillnader i reglering av MIP-gener. I Paper I och IV har vi istället valt att titta på MIP-familjen i mossa respektive alger för att se hur familjen har utvecklats i växter. Vi har visat att redan mossa, som är en av de mest primitiva landväxterna, har en MIP-familj som är mycket varierad och relativt stor (om än något mindre än den i högre växter). Vidare har de nio arter av alger vi undersökt förvisso endast ett fåtal MIPar per art, men variationen är även här oväntat stor. Intressant nog hittade vi även grupper av MIPar i alger som också återfinns i mossa. Dessa återfanns endast i ett fåtal algarter och detta, tillsammans med det faktum att alla de undersökta algerna är lika avlägset släkt med mossa, tyder på att dessa ”delade” MIP-varianter kan ha överförts med så kallad horisontell genöverföring och alltså inte är nedärvda från en gemensam ursprunglig organism. Att även andra grupper av växt MIPar skulle ha ett ursprung från horisontell genöverföring stöds även av att MIP-gener som visar släktskap med vissa växt-MIPar har identifierats från såväl bakterier (Paper III) och svampar.



Det finns redan nu resultat som tyder på att ett modifierat uttryck av MIPar kan påverka såväl växters tålighet och produktion under torkstress, som växters resistens mot arsenik och bor. En ökad kunskap om växt-MIPar kommer på sikt att leda till förståelse kring hur dessa proteiner påverkar transportprocesser i växter. Kunskap som till exempel kan vara avgörande för att på ett effektivt och hållbart sätt kunna möta det behov av en ökad matproduktion som världen ställs inför till följd av en stigande befolkningsmängd.

• author: Danielson, Jonas
• supervisor: Urban Johanson
• opponent: Professor Schäffner, Anthon, Institute of Biochemical Plant Pathology, Helmholtz Zentrum München, Germany
• organization: Biochemistry and Structural Biology
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Biological Sciences
• keywords: MIP, aquaporin, plant, natural variation, evolution, Arabidopsis, Physcomitrella patens, NIP, XIP
• defense location: Lecture Hall C, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Getingevägen 60, Lund, Sweden
• defense date: 2010-12-03 10:15:00
• ISBN: 978-91-7422-259-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6980a543-6157-404a-ab50-b0096a69774a (old id 1714727)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:29:16
• date last changed: 2023-04-18 18:00:45