Role of chloroplastic glutamine synthetase GS2 in Arabidopsis thaliana

Abstract

Glutamine synthetase (GS) is a key enzyme of plant nitrogen metabolism, catalyzing the assimilation of ammonium into glutamine. Ammonium originates both from soil uptake and from internal metabolic processes, including nitrate reduction, phenylpropanoid metabolism, remobilization of nitrogen resources, amino acid catabolism, and photorespiration. Although ammonium is an essential nitrogen source, its overaccumulation is toxic to plants and leads to chlorosis and growth inhibition. In plants, GS isoforms are classified by subcellular localization into plastidic GS2 (encoded by GLN2 in Arabidopsis thaliana) and cytosolic GS1 (encoded by GLN1;1-GLN1;5). While GS2 is essential for photorespiration in several species (Wallsgrove et al., 1987; Migge and Becker, 2000; Orea et al., 2002; Ding et al., 2023), its function in A. thaliana remained unclear at the beginning of this project. In this PhD study, I prepared knock-out mutants in GLN2 using CRISPR/Cas9 mutagenesis and showed that mutation of GLN2 in A. thaliana causes a slight but clear photorespiratory phenotype. Unfortunately, the team of Dr. Paula Melo overtook us in publishing these results. However, their findings (Ferreira et al., 2019) were later completely discredited in the work of Lee et al. (2022), who questioned the T-DNA insertion lines...

Glutaminsyntetáza (GS) je klíčový enzym dusíkového metabolismu v rostlinách, který zpracovává amonné ionty do podoby glutaminu. Amonné ionty mohou být přijímány z půdy nebo se uvolňují v řadě interních metabolických procesů včetně redukce nitrátu, metabolismu fenylpropanoidů, remobilizace dusíkových zásob, katabolismu aminokyselin a fotorespirace. I když jsou amonné ionty esenciálním zdrojem dusíku, jejich nadměrná akumulace je pro rostliny toxická a vede ke chloróze listů a k inhibici růstu. V rostlinách se isoformy GS rozdělují dle subcelulární lokalizace na plastidovou GS2 (kódovanou genem GLN2 u Arabidopsis thaliana) a cytosolické GS1 (u Arabidopsis thaliana kódované geny GLN1;1-GLN1;5). Zatímco GS2 je nezbytná během fotorespirace u několika rostlinných druhů (Wallsgrove et al., 1987; Migge and Becker, 2000; Orea et al., 2002; Ding et al., 2023), její funkce u modelového druhu A. thaliana byla překvapivě na počátku tohoto projektu nejasná. V rámci této doktorské práce jsem připravila knock-out mutanty v GLN2 pomocí CRISPR/Cas9 mutageneze a ukázala, že mutace v GLN2 u A. thaliana způsobuje mírný, ale zřejmý fotorespirační fenotyp. S publikací těchto poznatků nás bohužel předběhl tým Dr. Pauly Melo. Jejich zjištění (Ferreira et al., 2019) byla ale později zcela zdiskreditována v práci Lee et al....