Universität zu Köln

Malat Metabolismus und die Rolle der NADP-Malat Enzym Isoformen in der C3-Modellpflanze A. thaliana

Zell, Martina B. (2012) Malat Metabolismus und die Rolle der NADP-Malat Enzym Isoformen in der C3-Modellpflanze A. thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Obwohl Malat und Fumarat in eine Vielzahl von Stoffwechselweg der Pflanze involviert sind, bleibt ihre Funktion als Kohlenstoffquelle in C3-Pflanzen weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurden Arabidopsis thaliana Pflanzen und Stärkefreimutanten adg1 (ADG-Glukose-Phyrophosphorylase1 null Mutante) und pgm1 und sft1 (Phosphoglucomutase1 null Mutante), die ein plastidäres Mais-NADP-ME (MEm) überexprimierten, wurden genutzt um die Auswirkung eines extrem niedrigen Malat- und Fumarat-Gehalt au die Physiologie von C3-Pflanzen zu untersuchen. Die MEm-Überexpressions-Pflanzen entwickelten einen Kohlenstoffmangel-Phänotypen besonders unter Kurz-Tag-Bedingungen. Die Beobachteten Ergebnisse dieses Phänotyp untermauern die physiologische Rolle von Malat und Fumarat als essenzielle transiente Kohlenstoffquellen in C3-Pflanzen wie A. thaliana. Wir postulieren, dass das niedrige Level von organischen Säuren, das einem Karbohydrat-Mangel am Ende der Nacht folgt, als initiales Signal dient und eine Kaskade von Abläufen verursacht, die letztlich zur veränderten Substratnutzung in der Respiration hin zu hoch reduzierten Substraten, wie Fettsäuren und Proteinen während der langen Nachtphase bewirken. Dem folgend unterstützen unsere Ergebnisse die Annahme, das die organischen Säuren, Malat und Fumarat, äußerst wichtige C-Quellen im Metabolismus von A. thaliana darstellen. NADP-Malat-Enzym (NADP-ME, E.C. 1.1.1.40) katalysiert die oxidative Dekarboxylierung von L-Malat unter Gewinnung von Pyruvat, CO2 und NADPH. Obwohl die Rolle von NADP-ME in der C4-Photosynthese bekannt ist, bleiben die physiologischen Funktionen der C3-Isoformen bisher ungeklärt. Die Analyse des transkriptionalen Coexpressionsmuster zeigt, dass NADP-ME2 in Verbindung mit Genen steht, die in die Pathogenabwehr involviert sind. Unsere Arbeit zeigt, dass die gesamte NADP-ME Aktivität nach Infiltration mit pilzlichen und bakteriellen Elizitoren und nach Infektion mit dem hemibiotrophen pilzlichen Pathogen Colletotrichum higginsianum induziert wurde. Des weiteren konnte mit Funktionsverlust-Mutanten und mehreren biochemischen und physiologischen Methoden gezeigt werden, dass die beobachtete Aktivitätsänderung durch NADP-ME2 verursacht wurde und der Verlust des zytosolischen NADP-ME2 eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Infektionen zur Folge hat. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass NADP-ME2 in Mechanismen involviert ist, die NADPH für die ROS-Produktion bereitstellen könnten. NADP-ME3 könnte eine mögliche Rolle im Abbau der primären oder sekundären PCM-Wand während Pollen Entwicklung.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    While malate and fumarate participate in a multiplicity of pathways in plant metabolism, the function of these organic acids as carbon stores in C3 plants has not been deeply addressed. Here, Arabidopsis thaliana plants and starch-free mutants, adg1 (ADP-glucose pyrophosphorylase1 null mutants) and pgm1 and stf1 (phosphoglucomutase1 null mutants) overexpressing a maize (Zea mays) plastidic NADP-malic enzyme (MEm ) were used to analyze the consequences of sustained low malate and fumarate levels on the physiology of this C3 plant. The MEm-overexpressing plants developed a carbon-starvation phenotype especially when grown in short days. The observed results of this phenotype strengthens the physiological roles of malate and fumarate as essential transient carbon storage molecules in a C3-plant like A. thaliana. We propose that low levels of the organic acids may be the initial signal generated after carbohydrate starvation in the dark phase that triggers a cascade of events which alters use of reserves for respiration towards highly reduced substrates, like fatty acids and proteins, during the starvation phase (long night). Thus, the results are supporting our hypothesis on the importance of the organic acids, malate and/or fumarate as form of fixed carbon at least in A. thaliana. NADP-malic enzyme (NADP-ME, E.C. 1.1.1.40) catalysis the oxidative decarboxylation of L-malate yielding pyruvate, CO2 and NADPH. Although, NADP-ME is well known for its role in C4 photosynthesis, the physiological Function of its Isoforms in C3-Metabolism remains unclear. Analysis of transcriptional co-response patterns of NADP-ME2 reveal an association with genes related to plant defense responses. Our work showed induction of total NADP-ME activity after infiltration with fungal and bacterial elicitors and also after infection with the hemibiotroph fungal pathogen Colletotrichum higginsianum. Moreover, using loss of function mutants and several biochemical and physiological tools it could be shown that the observed response is referable to NADP-ME2. Hence, the loss of cytosolic NADP-ME2 is associated with enhanced susceptibility to infections, NADP-ME2 could be involved in mechanisms producing NADPH for the production of ROS. The first attempt to characterize NADP-ME3 suggest a possible role of AtNADP-ME3 in microspore separation by inducing modifications of the primary cell wall composition or changes of the turnover of pollen-mother-cell cell wall layers during development.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Zell, Martina B.mbzell@googlemail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-49260
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Malat; Fumarat;C4 photosynthesis; Colletotrichum higginsianum; defence; elicitor; NADP-malic enzyme (NADP-ME); pathogen-associated molecular pattern (PAMP); reactive oxygen species (ROS); chloroplast; NADP-ME isoforms; TCA cycleEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Botanisches Institut
    Language: German
    Date: 01 April 2012
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 20 June 2012
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 28 Nov 2012 16:19:48
    Referee
    NameAcademic Title
    Maurino, VeronicaPD Dr.
    Flügge, Ulf-IngoProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4926

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