Plastidic Phosphoenolpyruvate: Investigations on its role in plant growth and development

Prabhakar, Veena (2010). Plastidic Phosphoenolpyruvate: Investigations on its role in plant growth and development. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Phosphoenolpyruvate (PEP) plays an essential role in plant metabolism. In catabolic direction, it delivers ATP and pyruvate by the action of pyruvate kinase, which can be fed into mitochondrial respiration. PEP and pyruvate also represent essential precursors for anabolism i.e. PEP is the precursor for the synthesis of aromatic amino acids, secondary plant products and pyruvate is important for the production of fatty acids, branched-chain amino acids or isoprenoids via the mevalonate-independent way. These pathways are exclusively localized to the plastid stroma. PEP may be imported into the plastids via a PEP/phosphate translocator (PPT) of the inner envelope membrane or it may also be generated inside the stroma by complete plastid glycolysis starting from hexose phosphates. Glycolysis as the main route for PEP production involves the enzymatic sequence of 3-phosphoglycerate to PEP conversion catalyzed by phosphoglyceromutase (PGyM) and enolase (ENO). However, biochemical studies indicate that chloroplasts and a number of non-green plastids lack ENO and/or PGyM. The present study shows for the first time, the identification and functional characterization of the putative plastid localized ENO (ENO1) of Arabidopsis thaliana. The effect of a deficiency in PEP provision to plastids was investigated with the aid of double mutants defective in ENO1 and PPT1. Crosses between different alleles of eno1 and the chlorophyll a/b binding protein underexpressed (cue1) mutant defective in PPT1 could not be obtained as double homozygous lines due to partial lethality of the gametophytes and constraints in sporophyte development, including a largely reduced oil production in the seeds, thus highlighting the essential role of PEP in plastids. The heterozygous eno1 mutants in the homozygous cue1 background (cue1/eno1[+/-]) revealed an aberrant segregation pattern, retarded vegetative growth and disturbed flower development attributed to a reduced ENO1 gene dosage. Constitutive overexpression of ENO1 could rescue the reticulate leaf and the stunted root phenotype of cue1 and alleviate the diminished seed and oil production in the mutant. In contrast, wild-type plants overexpressing ENO1 alone, could not improve seed quality and oil content.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Die Bedeutung plastidären Phosphoenolpyruvats für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen	German

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Abstract

Language

Phosphoenolpyruvate (PEP) spielt eine zentrale Rolle im pflanzlichen Stoffwechsel. In kataboler Richtung liefert PEP über die Pyruvatkinase ATP und Pyruvat, welches als Substrat für die mitochondriale Atmung dient. PEP und Pyruvat stellen aber auch wichtige Vorstufen für anabole Prozesse dar, z.B. fließt PEP in die Synthese von aromatischen Aminosäuren und davon abgeleiteten sekundären Pflanzenstoffen ein, und Pyruvat wird für die Synthese von Fettsäuren, verzweigtkettigen Aminosäuren oder Isoprenoiden über den Mevalonat-unabhängigen Weg benötigt. Diese Stoffwechselwege sind ausschließlich im Stroma der Plastiden lokalisiert. PEP kann über einen PEP/Phosphat Translokator der inneren Hüllmembran aus dem Cytosol in die Plastiden transportiert werden oder innerhalb der Plastiden über Glykolyse, ausgehend von Hexosephosphaten bereitgestellt werden. Die Glykolyse als Hauptweg zur Produktion von PEP beinhaltet die Umwandlung von 3-Phosphoglycerat zu PEP, die von der Phosphoglyceromutase (PgyM) und Enolase (ENO) katalysiert wird. Biochemische Studien zeigten, dass in Chloroplasten und in einer Reihe nicht-grüner Plastiden ENO und/oder PgyM. In der vorliegenden Arbeit wird erstmalig die Identifizierung und funktionelle Charakterisierung der putativen plastidären ENO (ENO1) aus Arabidopsis thaliana vorgestellt. Der Effekt einer PEP Defizienz in Plastiden wurde mithilfe von Doppelmutanten untersucht, denen ENO1 und PPT1 fehlte. Kreuzungen unterschiedlicher Allele der eno1 und der chlorophyll a/b binding protein underexpressed (cue1=ppt1) Mutanten konnten nicht als doppelt-homozygote Linien erhalten werden, da sie eine partielle Letalität der Gametophyten sowie eine beeinträchtigte Entwicklung des Sporophyten aufwiesen, die mit einer deutlich verminderten Ölproduktion in den Samen einherging. Dieser Befund unterstützt die essentielle Rolle von PEP in Plastiden. Die heterozygoten eno1 Mutanten im homozygoten cue1 Hintergrund (cue1/eno1[+/-]) zeigten ein abnormes Segregationsmuster, eine Hemmung des Sprosswachstums und eine beeinträchtigte Blütenentwicklung bedingt durch eine Verminderung der ENO1 Gendosis. Durch eine konstitutive Überexpression von ENO1 konnte der retikulierte Blatt-Phänotyp sowie die Wachstumshemmung der Wurzel der cue1 Mutante gerettet werden. Die verminderte Produktion von Samen und des darin enthaltenen Öls wurde aber nur partiell aufgehoben. Eine Überexpression von ENO1 in Wildtyp-Pflanzen bewirkte hingegen weder eine Erhöhung der Samenproduktion noch der Ölgehalte.

German

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