TY - THES A1 - Riewe, David T1 - The relevance of adenylate levels and adenylate converting enzymes on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum L.) tubers T1 - Einfluss der Adenylate und Adenylat-umsetzender Enzyme auf Entwicklung und Stoffwechsel der Kartoffelknolle (Solanum Tuberosum L.) N2 - Adenylates are metabolites with essential function in metabolism and signaling in all living organisms. As Cofactors, they enable thermodynamically unfavorable reactions to be catalyzed enzymatically within cells. Outside the cell, adenylates are involved in signalling processes in animals and emerging evidence suggests similar signaling mechanisms in the plants’ apoplast. Presumably, apoplastic apyrases are involved in this signaling by hydrolyzing the signal mediating molecules ATP and ADP to AMP. This PhD thesis focused on the role of adenylates on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum) by using reverse genetics and biochemical approaches. To study the short and long term effect of cellular ATP and the adenylate energy charge on potato tuber metabolism, an apyrase from Escherichia coli targeted into the amyloplast was expressed inducibly and constitutively. Both approaches led to the identification of adaptations to reduced ATP/energy charge levels on the molecular and developmental level. These comprised a reduction of metabolites and pathway fluxes that require significant amounts of ATP, like amino acid or starch synthesis, and an activation of processes that produce ATP, like respiration and an immense increase in the surface-to-volume ratio. To identify extracellular enzymes involved in adenylate conversion, green fluorescent protein and activity localization studies in potato tissue were carried out. It was found that extracellular ATP is imported into the cell by an apoplastic enzyme complement consisting of apyrase, unspecific phosphatase, adenosine nucleosidase and an adenine transport system. By changing the expression of a potato specific apyrase via transgenic approaches, it was found that this enzyme has strong impact on plant and particular tuber development in potato. Whereas metabolite levels were hardly altered, transcript profiling of tubers with reduced apyrase activity revealed a significant upregulation of genes coding for extensins, which are associated with polar growth. The results are discussed in context of adaptive responses of plants to changes in the adenylate levels and the proposed role of apyrase in apoplastic purinergic signaling and ATP salvaging. In summary, this thesis provides insight into adenylate regulated processes within and outside non-photosynthetic plant cells. N2 - Adenylate haben essentielle Funktionen in Stoffwechselprozessen und fungieren als Signalmoleküle in allen Organismen. Als Cofaktoren ermöglichen sie die Katalyse thermodynamisch ungünstiger Reaktionen innerhalb der Zelle, und außerhalb der Zelle wirken sie als Signalmoleküle in Tieren und nach neueren Forschungsergebnissen wohl auch in Pflanzen. Vermutlich wird die Signalwirkung von ATP und ADP durch Hydrolyse zu AMP unter Beteiligung apoplastische Apyrasen terminiert. Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Adenylate auf Stoffwechsel- und Entwicklungsprozesse in der Kartoffelpflanze (Solanum tuberosum) mittels biochemischer und revers-genetischer Ansätze. Um kurzfristige und langfristige Einflüsse zellulären ATPs und der Energieladung auf den Stoffwechsel von Kartoffelknollen zu untersuchen, wurde eine mit einem plastidären Transitpeptid fusionierte Apyrase aus Escherichia coli induzierbar und dauerhaft exprimiert. Beide Ansätze führten zur Identifizierung von Anpassungen an eine reduzierte ATP Verfügbarkeit bzw. verringerte Energieladung. Die Anpassungen beinhalteten eine Reduzierung von ATP-verbrauchenden Stoffwechselaktivitäten und Stoffwechselprodukten, wie die Aminosäure- oder Stärkesynthese, und eine Aktivierung von Prozessen, welche die ATP-Bildung oder eine effizientere ATP-Bildung ermöglichen, wie Zellatmung und die Vergrößerung des Oberfächen/Volumen-Verhältnisses der Kartoffelknolle. Extrazelluläre Adenylat-umsetzende Enzyme wurden mit Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins und Aktivitätsmessungen identifiziert und charakterisiert. Es wurde ein potentieller ATP Bergungsstoffwechselweg gefunden, der ATP über die Enzyme Apyrase, unspezifische Phosphatase und Adenosin-Nukleosidase zu Adenin umsetzt, welches über eine Purin-Permease in die Zelle transportiert wird. Transgene Manipulation der Aktivität der kartoffelspezifischen Apyrase zeigte, dass dieses Enzym einen großen Einfluss auf die Pflanzen-, insbesondere die Knollenentwicklung hat. Obwohl sich Stoffwechselaktivitäten kaum verändert hatten, führte die Verringerung der Apyrase Aktivität in den Knollen zur übermäßigen Expression von Extensin-Genen, die eine Funktion im polaren Wachstum von Pflanzenzellen besitzen. Die Ergebnisse wurden mit Hinblick auf Anpassungen der Pflanze an veränderte Adenylat-Spiegel und der potentiellen Beteiligung der endogenen Apyrase an einem apoplastischen ATP-Signalweg bzw. ATP-Bergungsstoffwechselweg diskutiert. Zusammengefasst, präsentiert diese Arbeit neue Einsichten in Adenylat-regulierte Prozesse in- und außerhalb nicht-photosynthetischer Pflanzenzellen. KW - Apyrase KW - ATP KW - Kartoffel KW - Stoffwechsel KW - Nukleosidase KW - apyrase KW - ATP KW - potato KW - metabolism KW - nucleosidase Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-27323 ER - TY - GEN A1 - Neigenfind, Jost A1 - Gyetvai, Gabor A1 - Basekow, Rico A1 - Diehl, Svenja A1 - Achenbach, Ute A1 - Gebhardt, Christiane A1 - Selbig, Joachim A1 - Kersten, Birgit T1 - Haplotype inference from unphased SNP data in heterozygous polyploids based on SAT T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background: Haplotype inference based on unphased SNP markers is an important task in population genetics. Although there are different approaches to the inference of haplotypes in diploid species, the existing software is not suitable for inferring haplotypes from unphased SNP data in polyploid species, such as the cultivated potato (Solanum tuberosum). Potato species are tetraploid and highly heterozygous. Results: Here we present the software SATlotyper which is able to handle polyploid and polyallelic data. SATlo-typer uses the Boolean satisfiability problem to formulate Haplotype Inference by Pure Parsimony. The software excludes existing haplotype inferences, thus allowing for calculation of alternative inferences. As it is not known which of the multiple haplotype inferences are best supported by the given unphased data set, we use a bootstrapping procedure that allows for scoring of alternative inferences. Finally, by means of the bootstrapping scores, it is possible to optimise the phased genotypes belonging to a given haplotype inference. The program is evaluated with simulated and experimental SNP data generated for heterozygous tetraploid populations of potato. We show that, instead of taking the first haplotype inference reported by the program, we can significantly improve the quality of the final result by applying additional methods that include scoring of the alternative haplotype inferences and genotype optimisation. For a sub-population of nineteen individuals, the predicted results computed by SATlotyper were directly compared with results obtained by experimental haplotype inference via sequencing of cloned amplicons. Prediction and experiment gave similar results regarding the inferred haplotypes and phased genotypes. Conclusion: Our results suggest that Haplotype Inference by Pure Parsimony can be solved efficiently by the SAT approach, even for data sets of unphased SNP from heterozygous polyploids. SATlotyper is freeware and is distributed as a Java JAR file. The software can be downloaded from the webpage of the GABI Primary Database at http://www.gabipd.org/projects/satlotyper/. The application of SATlotyper will provide haplotype information, which can be used in haplotype association mapping studies of polyploid plants. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 883 KW - linkage disequilibrium KW - pure parsimony KW - potato KW - resistance KW - efficient KW - solanum KW - Conjunctive Normal Form KW - Full Adder KW - Disjunctive Normal Form KW - Haplotype Inference KW - Genotype Inference Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-435011 SN - 1866-8372 IS - 883 ER - TY - THES A1 - Gramma, Vladislav T1 - Potato FLC-like and SVP-like proteins jointly control growth and distinct developmental processes N2 - Based on worldwide consumption, Solanum tuberosum L. (potato) is the most important non-grain food crop. Potato has two ways of stable propagation: sexually via flowering and vegetatively via tuberization. Remarkably, these two developmental processes are controlled by similar molecular regulators and mechanisms. Given that FLC and SVP genes act as key flowering regulators in the model species Arabidopsis and in various other crop species, this study aimed at identifying FLC and SVP homologs in potato and investigating their roles in the regulation of plant development, with a particular focus on flowering and tuberization. Our analysis demonstrated that there are five FLC-like and three SVP like proteins encoded in the potato genome. The expression profiles of StFLCs and StSVPs throughout potato development and the detected interactions between their proteins indicate tissue specificity of the individual genes and distinct roles of a variety of putative protein complexes. In particular, we discovered that StFLC-D, as well as StFLC-B, StSVP-A, and StSVP-B play a complex role in the regulation of flowering time, as not only increased but also decreased levels of their transcripts promote earlier flowering. Most importantly, StFLC-D has a marked impact on tuberization under non-inductive conditions and susceptibility to temperature-induced tuber malformation, also known as second growth. Plants with decreased levels of StFLC-D demonstrated a strong ability to produce tubers under long days and appeared to be insensitive to temperature-induced second growth. Lastly, our data also suggests that StFLCs and StSVPs may be involved in the nitrogen-dependent regulation of potato development. Taken together, this study highlights the functional importance of StFLC and StSVP genes in the regulation of distinct developmental processes in potato. KW - potato KW - Solanum tuberosum KW - tuberization KW - flowering KW - FLOWERING LOCUS C KW - FLC KW - short vegetative phase KW - SVP KW - tuber second growth Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Flores Castellanos, Junio T1 - Potato tuber (Solanum tuberosum L. cv Desiree) — characterization of starch interacting proteins and maltodextrin metabolism T1 - Kartoffelknolle (Solanum tuberosum L. cv Desiree) - Charakterisierung von Stärke-interagierenden Proteinen und Maltodextrin-Stoffwechsel N2 - Starch is a biopolymer for which, despite its simple composition, understanding the precise mechanism behind its formation and regulation has been challenging. Several approaches and bioanalytical tools can be used to expand the knowledge on the different parts involved in the starch metabolism. In this sense, a comprehensive analysis targeting two of the main groups of molecules involved in this process: proteins, as effectors/regulators of the starch metabolism, and maltodextrins as starch components and degradation products, was conducted in this research work using potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) as model of study. On one side, proteins physically interacting to potato starch were isolated and analyzed through mass spectrometry and western blot for their identification. Alternatively, starch interacting proteins were explored in potato tubers from transgenic plants having antisense inhibition of starch-related enzymes and on tubers stored under variable environmental conditions. Most of the proteins recovered from the starch granules corresponded to previously described proteins having a specific role in the starch metabolic pathway. Another set of proteins could be grouped as protease inhibitors, which were found weakly interacting to starch. Variations in the protein profile obtained after electrophoresis separation became clear when tubers were stored under different temperatures, indicating a differential expression of proteins in response to changing environmental conditions. On the other side, since maltodextrin metabolism is thought to be involved in both starch initiation and degradation, soluble maltooligosaccharide content in potato tubers was analyzed in this work under diverse experimental variables. For this, tuber disc samples from wild type and transgenic lines strongly repressing either the plastidial or cytosolic form of the -glucan phosphorylase and phosphoglucomutase were incubated with glucose, glucose-6-phosphate, and glucose-1-phosphate solutions to evaluate the influence of such enzymes on the conversion of the carbon sources into soluble maltodextrins, in comparison to wild-type samples. Relative maltodextrin amounts analyzed through capillary electrophoresis equipped with laser-induced fluorescence (CE-LIF) revealed that tuber discs could immediately uptake glucose-1-phosphate and use it to produce maltooligosaccharides with a degree of polymerization of up to 30 (DP30), in contrast to transgenic tubers with strong repression of the plastidial glucan phosphorylase. The results obtained from the maltodextrin analysis support previous indications that a specific transporter for glucose-1-phosphate may exist in both the plant cells and the plastidial membranes, thereby allowing a glucose-6-phosphate independent transport. Furthermore, it confirms that the plastidial glucan phosphorylase is responsible for producing longer maltooligosaccharides in the plastids by catalyzing a glucan polymerization reaction when glucose-1-phosphate is available. All these findings contribute to a better understanding of the role of the plastidial glucan phosphorylase as a key enzyme directly involved in the synthesis and degradation of glucans and their implication on starch metabolism. N2 - Stärke ist ein Biopolymer, bei dem es trotz seiner einfachen Zusammensetzung schwierig ist, den genauen Mechanismus seiner Bildung und Regulierung zu verstehen. Verschiedene Ansätze und bioanalytische Instrumente können genutzt werden, um das Wissen über die verschiedenen am Stärkemetabolismus beteiligten Komponenten zu erweitern. In diesem Sinne wurde in dieser Forschungsarbeit eine umfassende Analyse durchgeführt, die auf zwei der wichtigsten Molekülgruppen abzielt, die an diesem Prozess beteiligt sind: Proteine als Effektoren/Regulatoren des Stärkestoffwechsels und Maltodextrine als Stärkebestandteile und Abbauprodukte, wobei Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) als Untersuchungsmodell dienten. Einerseits wurden Proteine, die physisch mit Kartoffelstärke interagieren, isoliert und mittels Massenspektrometrie und Western Blot analysiert, um sie zu identifizieren. Andererseits wurden die mit Stärke interagierenden Proteine in Kartoffelknollen von transgenen Pflanzen mit Antisense-Hemmung von stärkeverwandten Enzymen und in Knollen, die unter variablen Umweltbedingungen gelagert wurden, untersucht. Die meisten der aus den Stärkekörnchen gewonnenen Proteine entsprachen zuvor beschriebenen Proteinen, die eine spezifische Rolle im Stärkestoffwechselweg spielen. Eine andere Gruppe von Proteinen konnte als Proteaseinhibitoren gruppiert werden, die nur schwach mit der Stärke interagieren. Variationen im Proteinprofil nach der Elektrophorese-Trennung wurden deutlich, wenn die Knollen bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert wurden, was auf eine unterschiedliche Expression von Proteinen als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen hindeutet. Da man davon ausgeht, dass der Maltodextrin-Stoffwechsel sowohl an der Entstehung als auch am Abbau von Stärke beteiligt ist, wurde in dieser Arbeit der Gehalt an löslichen Maltooligosacchariden in Kartoffelknollen unter verschiedenen experimentellen Variablen analysiert. Zu diesem Zweck wurden Knollenscheibenproben von Wildtypen und transgenen Linien, die entweder die plastidiale oder die cytosolische Form der α-Glucanphosphorylase und Phosphoglucomutase stark unterdrücken, mit Glucose-, Glucose-6-Phosphat- und Glucose-1-Phosphat-Lösungen inkubiert, um den Einfluss dieser Enzyme auf die Umwandlung der Kohlenstoffquellen in lösliche Maltodextrine im Vergleich zu Wildtyp-Proben zu bewerten. Relative Maltodextrinmengen, die durch Kapillarelektrophorese mit laserinduzierter Fluoreszenz (CE-LIF) analysiert wurden, zeigten, dass die Knollenscheiben Glukose-1-Phosphat sofort aufnehmen und zur Herstellung von Maltooligosacchariden mit einem Polymerisationsgrad von bis zu 30 (DP30) verwenden konnten, im Gegensatz zu transgenen Knollen mit starker Unterdrückung der plastidialen Glukanphosphorylase. Die Ergebnisse der Maltodextrin-Analyse stützen frühere Hinweise darauf, dass ein spezifischer Transporter für Glucose-1-Phosphat sowohl in den Pflanzenzellen als auch in den plastidialen Membranen vorhanden sein könnte, was einen von Glucose-6-Phosphat unabhängigen Transport ermöglicht. Außerdem wird bestätigt, dass die plastidiale Glucanphosphorylase für die Herstellung längerer Maltooligosaccharide in den Plastiden verantwortlich ist, indem sie eine Glucanpolymerisationsreaktion katalysiert, wenn Glucose-1-Phosphat verfügbar ist. All diese Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Rolle der plastidialen Glucanphosphorylase als Schlüsselenzym bei, das direkt an der Synthese und dem Abbau von Glucanen und deren Auswirkungen auf den Stärkemetabolismus beteiligt ist. KW - Solanum tuberosum KW - potato KW - maltodextrin KW - starch KW - Stärke KW - Solanum tuberosum KW - Maltodextrin KW - Kartoffel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615055 ER -