Universität zu Köln

Kunz, Hans-Henning (2009). Biochemische Charakterisierung der Fettsäure-Beta-Oxidation als Teil des Dunkelstoffwechsels von Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Blattstärke ist das primäre Endprodukt der Photosynthese und dient als zentraler Kohlenstoff- und Energiespeicher für die Pflanze. Am Ende einer normalen 8 h Nacht sind die Levels auf 5-10% abgesunken, bereits wenige Stunden später sind sie vollständig erschöpft. Da Pflanzen des Modellorganismus Arabidopsis thaliana mehrere Tage in völliger Dunkelheit überlebensfähig sind, müssen ihr alternative Energiequellen zur Verfügung stehen. Die Fettsäure-Beta-Oxidation wurde bis dato vor allem bezüglich ihrer physiologischen Relevanz während der Keimung untersucht. Daten und Kenntnisse zur Bedeutung dieses biochemischen Pathways im adulten Blattgewebe waren äußerst limitiert und beschäftigten sich vor allem mit der Produktion von Jasmonsäure als Reaktion auf Verwundungen. In der vorliegenden Arbeit wurde anhand von Beta-Oxidations-defizienten Mutanten Untersuchungen zu deren Überlebensfähigkeit in verlängerten Nachtperioden angestellt. Hierfür dienten vor allem pxa1 Mutanten als Studienobjekte. Der Genlokus PXA1 kodiert für einen peroxisomalen ABC-Transporter, dessen Verlust zu einer Inhibition der Fettsäure-Beta-Oxidation führt. Interessanteweise zeigten diese Mutanten nach bereits 36 h in Dunkelheit letale Schädigungen des Blattgewebes. Weitere Studien an Beta-Oxidations-defizienten Mutanten mit Defekten in anderen Loki bestätigten, dass die Blockade der Fettverbrennung ursächlich für das Auftreten des Dunkelphänotyps war. In detaillierten Metabolitanalysen konnte ein früher Anstau an Speicherlipiden aus Bestandteilen der Thylakoidmembranen, gefolgt von freien Fettsäuren gefunden werden. Die hierbei dominierende alpha-Linolensäure zeigte toxische Eigenschaften und bewirkte eine Organell- und Gewebeauflösung in den Mutanten. Begleitet wurde dies von einer massiven Freisetzung der Chlorophyllpigmente aus dem Photosystem II, sodass phototoxische Chlorophyll-Abbauprodukte anstauten und einen additiven, phototoxischen Phänotyp erzeugten. Durch Generierung von Doppelmutanten mit verschiedenen stärkefreien Linien konnte erstmals ein zeitlicher und physiologischer Zusammenhang zwischen Stärke- und Fettsäuremetabolismus gezeigt werden. Besagte stärkefreie, Beta-Oxidations-defiziente Doppelmutanten starben bereits nach 16 h Dunkelheit und waren bei Langtaganzucht zwergwüchsig. Aus den erhaltenen Daten wurde ein Modell entwickelt, demzufolge Pflanzen nach Ausschöpfung des Stärkepools, die notwendige Energie aus der Verbrennung von Fettsäure beziehen.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Biochemical characterization of the fatty acid beta oxidation as a part of the dark metabolism in Arabidopsis thaliana English
Translated abstract:	Abstract Language Transitory starch is the primary end product of photosynthesis in leaves and therefore serves as carbon and energy storage throughout the night. At the end of an 8 h dark period starch levels are decreased by 90-95% and are totally depleted a few hours later. Since the model plant Arabidopsis thaliana is capable of enduring several days of entire darkness, an alternative energy pool must exist. Until now, knowledge about the physiological role of fatty acid beta-oxidation is limited to the developmental stage of germination. Studies using adult tissue were mainly focused on jasmonic acid production, which is known to be involved in the plants` wounding response. In this thesis beta-oxidation deficient mutants were analyzed regarding their capability to cope with prolonged periods of darkness. Herein a focus was set on pxa1 mutants. The PXA1 locus encodes for a peroxisomal ABC transporter known to be crucial for beta-oxidation activity. Interestingly, mutant plants developed lethal tissue damage after 36 h of darkness which was proven to be caused exclusively by the loss of fatty acid beta-oxidation since additional mutants, impaired in beta-oxidation showed the same phenotype. Metabolic analysis revealed an early increase in triacylglycerols, accompanied by an accumulation of free fatty acids dominated by alpha-linolenic acid (18:3). Exogenous feeding of 18:3 fatty acids proved its toxicity, making it responsible for the observed organelle- and tissue damage. As a consequence of tissue damage degradation of Photosystem II and a massive release of chlorophyll molecules were detected along with an increase of Phaeophorbid a, a chlorophyll degradation intermediate, which produced a secondary phototoxic effect in pxa1 mutants. By generating double mutants between pxa1 and starch free lines a link between starch and fatty acid metabolism could be established for the first time in adult plants. Having no energy buffer in the form of starch these plants died after dark periods as short as 16 h and showed dwarfish growth under long day conditions. The obtained data were merged into a model in which plants use beta-oxidation of lipids to generate energy in the form of ATP when starch is depleted. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kunz, Hans-Henning hkunz@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-30872
Date:	2009
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Beta-Oxidation, Stoffwechsel, Pflanzen, ABC-Transporter, Phototoxizität German beta oxidation, metabolism, plants, abc transporter, photo toxicity English
Date of oral exam:	31 January 2010
Referee:	Name Academic Title Flügge, Ulf-Ingo Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3087