TY - JOUR A1 - Thirumalaikumar, Venkatesh P. A1 - Gorka, Michal A1 - Schulz, Karina A1 - Masclaux-Daubresse, Celine A1 - Sampathkumar, Arun A1 - Skirycz, Aleksandra A1 - Vierstra, Richard D. A1 - Balazadeh, Salma T1 - Selective autophagy regulates heat stress memory in Arabidopsis by NBR1-mediated targeting of HSP90.1 and ROF1 JF - Autophagy N2 - In nature, plants are constantly exposed to many transient, but recurring, stresses. Thus, to complete their life cycles, plants require a dynamic balance between capacities to recover following cessation of stress and maintenance of stress memory. Recently, we uncovered a new functional role for macroautophagy/autophagy in regulating recovery from heat stress (HS) and resetting cellular memory of HS inArabidopsis thaliana. Here, we demonstrated that NBR1 (next to BRCA1 gene 1) plays a crucial role as a receptor for selective autophagy during recovery from HS. Immunoblot analysis and confocal microscopy revealed that levels of the NBR1 protein, NBR1-labeled puncta, and NBR1 activity are all higher during the HS recovery phase than before. Co-immunoprecipitation analysis of proteins interacting with NBR1 and comparative proteomic analysis of annbr1-null mutant and wild-type plants identified 58 proteins as potential novel targets of NBR1. Cellular, biochemical and functional genetic studies confirmed that NBR1 interacts with HSP90.1 (heat shock protein 90.1) and ROF1 (rotamase FKBP 1), a member of the FKBP family, and mediates their degradation by autophagy, which represses the response to HS by attenuating the expression ofHSPgenes regulated by the HSFA2 transcription factor. Accordingly, loss-of-function mutation ofNBR1resulted in a stronger HS memory phenotype. Together, our results provide new insights into the mechanistic principles by which autophagy regulates plant response to recurrent HS. KW - Arabidopsis thaliana KW - heat stress KW - HSFA2 KW - HSP90.1 KW - NBR1 KW - ROF1 KW - selective autophagy KW - stress memory KW - stress recovery Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1080/15548627.2020.1820778 SN - 1554-8635 VL - 17 IS - 9 SP - 2184 EP - 2199 PB - Taylor & Francis CY - Abingdon ER - TY - JOUR A1 - Ralevski, Alexandra A1 - Apelt, Federico A1 - Olas, Justyna Jadwiga A1 - Müller-Röber, Bernd A1 - Rugarli, Elena I. A1 - Kragler, Friedrich A1 - Horvath, Tamas L. T1 - Plant mitochondrial FMT and its mammalian homolog CLUH controls development and behavior in Arabidopsis and locomotion in mice JF - Cellular and molecular life sciences N2 - Mitochondria in animals are associated with development, as well as physiological and pathological behaviors. Several conserved mitochondrial genes exist between plants and higher eukaryotes. Yet, the similarities in mitochondrial function between plant and animal species is poorly understood. Here, we show that FMT (FRIENDLY MITOCHONDRIA) from Arabidopsis thaliana, a highly conserved homolog of the mammalian CLUH (CLUSTERED MITOCHONDRIA) gene family encoding mitochondrial proteins associated with developmental alterations and adult physiological and pathological behaviors, affects whole plant morphology and development under both stressed and normal growth conditions. FMT was found to regulate mitochondrial morphology and dynamics, germination, and flowering time. It also affects leaf expansion growth, salt stress responses and hyponastic behavior, including changes in speed of hyponastic movements. Strikingly, Cluh(+/-) heterozygous knockout mice also displayed altered locomotive movements, traveling for shorter distances and had slower average and maximum speeds in the open field test. These observations indicate that homologous mitochondrial genes may play similar roles and affect homologous functions in both plants and animals. KW - Arabidopsis thaliana KW - Mitochondria KW - FMT KW - Hyponasty KW - Mice KW - CLUH; KW - Locomotion Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1007/s00018-022-04382-3 SN - 1420-682X SN - 1420-9071 VL - 79 IS - 6 PB - Springer International Publishing AG CY - Cham (ZG) ER - TY - JOUR A1 - Malinova, Irina A1 - Kössler, Stella A1 - Orawetz, Tom A1 - Matthes, Ulrike A1 - Orzechowski, Slawomir A1 - Koch, Anke A1 - Fettke, Jörg T1 - Identification of two Arabidopsis thaliana plasma membrane transporters able to transport glucose 1-phosphate JF - Plant & cell physiology N2 - Primary carbohydrate metabolism in plants includes several sugar and sugar-derivative transport processes. Over recent years, evidences have shown that in starch-related transport processes, in addition to glucose 6-phosphate, maltose, glucose and triose-phosphates, glucose 1-phosphate also plays a role and thereby increases the possible fluxes of sugar metabolites in planta. In this study, we report the characterization of two highly similar transporters, At1g34020 and At4g09810, in Arabidopsis thaliana, which allow the import of glucose 1-phosphate through the plasma membrane. Both transporters were expressed in yeast and were biochemically analyzed to reveal an antiport of glucose 1-phosphate/phosphate. Furthermore, we showed that the apoplast of Arabidopsis leaves contained glucose 1-phosphate and that the corresponding mutant of these transporters had higher glucose 1-phosphate amounts in the apoplast and alterations in starch and starch-related metabolism. KW - apoplast KW - Arabidopsis thaliana KW - glucose 1-phosphate transport KW - starch metabolism KW - sugar transport Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1093/pcp/pcz206 SN - 0032-0781 SN - 1471-9053 VL - 61 IS - 2 SP - 381 EP - 392 PB - Oxford University Press CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Wang, Meng A1 - Li, Panpan A1 - Ma, Yao A1 - Nie, Xiang A1 - Grebe, Markus A1 - Men, Shuzhen T1 - Membrane sterol composition in Arabidopsis thaliana affects root elongation via auxin biosynthesis JF - International journal of molecular sciences N2 - Plant membrane sterol composition has been reported to affect growth and gravitropism via polar auxin transport and auxin signaling. However, as to whether sterols influence auxin biosynthesis has received little attention. Here, by using the sterol biosynthesis mutant cyclopropylsterol isomerase1-1 (cpi1-1) and sterol application, we reveal that cycloeucalenol, a CPI1 substrate, and sitosterol, an end-product of sterol biosynthesis, antagonistically affect auxin biosynthesis. The short root phenotype of cpi1-1 was associated with a markedly enhanced auxin response in the root tip. Both were neither suppressed by mutations in polar auxin transport (PAT) proteins nor by treatment with a PAT inhibitor and responded to an auxin signaling inhibitor. However, expression of several auxin biosynthesis genes TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1 (TAA1) was upregulated in cpi1-1. Functionally, TAA1 mutation reduced the auxin response in cpi1-1 and partially rescued its short root phenotype. In support of this genetic evidence, application of cycloeucalenol upregulated expression of the auxin responsive reporter DR5:GUS (beta-glucuronidase) and of several auxin biosynthesis genes, while sitosterol repressed their expression. Hence, our combined genetic, pharmacological, and sterol application studies reveal a hitherto unexplored sterol-dependent modulation of auxin biosynthesis during Arabidopsis root elongation. KW - Arabidopsis thaliana KW - auxin KW - auxin biosynthesis KW - cycloeucalenol KW - CPI1 KW - sitosterol KW - sterol Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.3390/ijms22010437 SN - 1422-0067 VL - 22 IS - 1 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Merida, Angel A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granule initiation in Arabidopsis thaliana chloroplasts JF - The plant journal N2 - The initiation of starch granule formation and the mechanism controlling the number of granules per plastid have been some of the most elusive aspects of starch metabolism. This review covers the advances made in the study of these processes. The analyses presented herein depict a scenario in which starch synthase isoform 4 (SS4) provides the elongating activity necessary for the initiation of starch granule formation. However, this protein does not act alone; other polypeptides are required for the initiation of an appropriate number of starch granules per chloroplast. The functions of this group of polypeptides include providing suitable substrates (maltooligosaccharides) to SS4, the localization of the starch initiation machinery to the thylakoid membranes, and facilitating the correct folding of SS4. The number of starch granules per chloroplast is tightly regulated and depends on the developmental stage of the leaves and their metabolic status. Plastidial phosphorylase (PHS1) and other enzymes play an essential role in this process since they are necessary for the synthesis of the substrates used by the initiation machinery. The mechanism of starch granule formation initiation in Arabidopsis seems to be generalizable to other plants and also to the synthesis of long-term storage starch. The latter, however, shows specific features due to the presence of more isoforms, the absence of constantly recurring starch synthesis and degradation, and the metabolic characteristics of the storage sink organs. KW - starch granules KW - starch metabolism KW - starch granule initiation KW - starch KW - granule number per chloroplast KW - starch morphology KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.15359 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 107 IS - 3 SP - 688 EP - 697 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Apriyanto, Ardha T1 - Analysis of starch metabolism in source and sink tissue of plants T1 - Analyse des Stärkestoffwechsels im Source und Sink Gewebe von Pflanzen N2 - Starch is an essential biopolymer produced by plants. Starch can be made inside source tissue (such as leaves) and sink tissue (such as fruits and tubers). Nevertheless, understanding how starch metabolism is regulated in source and sink tissues is fundamental for improving crop production. Despite recent advances in the understanding of starch and its metabolism, there is still a knowledge gap in the source and sink metabolism. Therefore, this study aimed to summarize the state of the art regarding starch structure and metabolism inside plants. In addition, this study aimed to elucidate the regulation of starch metabolism in the source tissue using the leaves of a model organism, Arabidopsis thaliana, and the sink tissue of oil palm (Elaeis guineensis) fruit as a commercial crop. The research regarding the source tissue will focus on the effect of the blockage of starch degradation on the starch parameter in leaves, especially in those of A. thaliana, which lack both disproportionating enzyme 2 (DPE2) and plastidial glucan phosphorylase 1 (PHS1) (dpe2/phs1). The additional elimination of phosphoglucan water dikinase (PWD), starch excess 4 (SEX4), isoamylase 3 (ISA3), and disproportionating enzyme 1 (DPE1) in the dpe2/phs1 mutant background demonstrates the alteration of starch granule number per chloroplast. This study provides insights into the control mechanism of granule number regulation in the chloroplast. The research regarding the sink tissue will emphasize the relationship between starch metabolism and the lipid metabolism pathway in oil palm fruits. This study was conducted to observe the alteration of starch parameters, metabolite abundance, and gene expression during oil palm fruit development with different oil yields. This study shows that starch and sucrose can be used as biomarkers for oil yield in oil palms. In addition, it is revealed that the enzyme isoforms related to starch metabolism influence the oil production in oil palm fruit. Overall, this thesis presents novel information regarding starch metabolism in the source tissue of A.thaliana and the sink tissue of E.guineensis. The results shown in this thesis can be applied to many applications, such as modifying the starch parameter in other plants for specific needs. N2 - Stärke ist ein unverzichtbares Biopolymer, das von Pflanzen sowohl in den Quellgeweben (sources, z. B. Blätter) als auch in den Senkengeweben (sinks, z. B. Früchten und Knollen) gebildet wird. Daher ist ein profundes Wissen über die Regulation des Stärkestoffwechsel in den source und sink Organen von grundlegender Bedeutung für die Verbesserung der Pflanzenproduktion. Trotz der jüngsten Fortschritte im Verständnis des Stärkestoffwechsels bleiben weiterhin viele Fragen über den detaillierten source und sink Metabolismus offen. Ziel dieser Studie war es daher, den aktuellen Forschungsstand über die Struktur und den Stoffwechsel von Stärke in Pflanzen aufzuzeigen. Darüber hinaus sollte in dieser Studie die Regulierung des Stärkestoffwechsels in den Blättern (source) des Modellorganismus Arabidopsis thaliana und in den Ölpalmfrüchten (sink) von Elaeis guineensis, einer Nutzpflanze, aufgeklärt werden. Die Analyse des source Gewebes konzentrierte sich dabei auf die Auswirkungen auf Stärkeparamter wie beispielsweise die Granulazahl durch die Blockierung des Stärkeabbaus in Blättern. Dazu wurde die Arabidopsis Mutante, der das cytosolische Disproportionating Enzym 2 (DPE2) und die plastidiale Glucanphosphorylase 1 (PHS1) fehlen (dpe2/phs1), untersucht. Ebenfalls wurden Dreifachmutanten im Hintergund von dpe2/phs1, denen Starch excess 4 (SEX4), Isoamylase 3, Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD) oder das Disproportionating Enzym 1 (DPE1) fehlen, erzeugt. Die Analyse zeigt, dass die Anzahl der Stärkegranula pro Chloroplast nicht festgelegt ist und während des gesamten Wachstums der Pflanze reguliert wird. Diese Daten liefern ein verbessertes Verständnis über die Komplexität der Kontrollmechanismen der Granulazahlregulation in Chloroplasten. Die Untersuchung des sink Gewebes soll die Beziehung zwischen dem Stärkestoffwechsel und dem Lipidstoffwechselweg in Ölpalmenfrüchten verdeutlichen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Veränderung von Stärkeparametern, die Häufigkeit von Metaboliten und die Genexpression während der Entwicklung von Ölpalmenfrüchten mit unterschiedlichen Ölausbeuten zu erforschen. Die Analyse zeigt, dass sowohl Stärke als auch Saccharose als reliable Biomarker für den Ölertrag von Ölpalmen verwendet werden können. Darüber hinaus konnte bewiesen werden, dass die mit dem Stärkestoffwechsel verbundenen Enzymisoformen die Ölproduktion in Ölpalmenfrüchten beeinflussen. Insgesamt liefert diese Arbeit neue Informationen über den Stärkestoffwechsel im source Gewebe von A.thaliana und im sink von E.guineensis. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse können für viele Anwendungen genutzt werden, z. B. für die Veränderung der Stärkeparameter in anderen Pflanzen für spezifische Bedürfnisse. KW - starch KW - oil palm KW - Arabidopsis thaliana KW - source and sink KW - Arabidopsis thaliana KW - Palmöl KW - Source und Sink KW - Stärke Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - von Bismarck, Thekla T1 - The influence of long-term light acclimation on photosynthesis in dynamic light N2 - Photosynthesis converts light into metabolic energy which fuels plant growth. In nature, many factors influence light availability for photosynthesis on different time scales, from shading by leaves within seconds up to seasonal changes over months. Variability of light energy supply for photosynthesis can limit a plant´s biomass accumulation. Plants have evolved multiple strategies to cope with strongly fluctuation light (FL). These range from long-term optimization of leaf morphology and physiology and levels of pigments and proteins in a process called light acclimation, to rapid changes in protein activity within seconds. Therefore, uncovering how plants deal with FL on different time scales may provide key ideas for improving crop yield. Photosynthesis is not an isolated process but tightly integrates with metabolism through mutual regulatory interactions. We thus require mechanistic understanding of how long-term light acclimation shapes both, dynamic photosynthesis and its interactions with downstream metabolism. To approach this, we analyzed the influence of growth light on i) the function of known rapid photosynthesis regulators KEA3 and VCCN1 in dynamic photosynthesis (Chapter 2-3) and ii) the interconnection of photosynthesis with photorespiration (PR; Chapter 4). We approached topic (i) by quantifying the effect of different growth light regimes on photosynthesis and photoprotection by using kea3 and vccn1 mutants. Firstly, we found that, besides photosynthetic capacity, the activities of VCCN1 and KEA3 during a sudden high light phase also correlated with growth light intensity. This finding suggests regulation of both proteins by the capacity of downstream metabolism. Secondly, we showed that KEA3 accelerated photoprotective non-photochemical quenching (NPQ) kinetics in two ways: Directly via downregulating the lumen proton concentration and thereby de-activating pH-dependent NPQ, and indirectly via suppressing accumulation of the photoprotective pigment zeaxanthin. For topic (ii), we analyzed the role of PR, a process which recycles a toxic byproduct of the carbon fixation reactions, in metabolic flexibility in a dynamically changing light environment. For this we employed the mutants hpr1 and ggt1 with a partial block in PR. We characterized the function of PR during light acclimation by tracking molecular and physiological changes of the two mutants. Our data, in contrast to previous reports, disprove a generally stronger physiological relevance of PR under dynamic light conditions. Additionally, the two different mutants showed pronounced and distinct metabolic changes during acclimation to a condition inducing higher photosynthetic activity. This underlines that PR cannot be regarded purely as a cyclic detoxification pathway for 2PG. Instead, PR is highly interconnected with plant metabolism, with GGT1 and HPR1 representing distinct metabolic modulators. In summary, the presented work provides further insight into how energetic and metabolic flexibility is ensured by short-term regulators and PR during long-term light acclimation. N2 - Photosynthese wandelt Lichtenergie in metabolische Energie um, welche das Pflanzenwachstum antreibt. In der Natur wird die Verfügbarkeit von Licht von vielerlei Faktoren auf unterschiedlichen Zeitskalen beeinflusst, z. B. von der Beschattung durch Blätter innerhalb von Sekunden bis hin zu jahreszeitlichen Veränderungen über Monate. Fluktuationen in der Lichtenergieverfügbarkeit in der Natur kann die Biomasseakkumulation der Pflanzen limitieren. Pflanzen haben verschiedene Strategien entwickelt, um stark fluktuierendes Licht nutzen zu können. Diese reichen von der langfristigen Optimierung der Blattmorphologie und Physiologie und des Gehalts an Pigmenten und Proteinen in dem Prozess der Lichtakklimatisierung bis hin zu schnellen Veränderungen der Proteinaktivität innerhalb von Sekunden. Daher kann die Aufdeckung der Art und Weise, wie Pflanzen mit FL auf verschiedenen Zeitskalen umgehen, wichtige Ideen zur Verbesserung der Ernteerträge liefern. Die Photosynthese ist kein isolierter Prozess, sondern steht in enger Interaktion mit den nachgeschalteten Stoffwechselwegen. Daher benötigen wir mechanistisches Verständnis, wie Lichtakklimatisierung die dynamische Photosynthese als auch deren Interaktion mit Downstream-Metabolismus moduliert. Dafür haben wir den Einfluss von Lichtakklimatisierung auf i) die Funktion der schnellen Photosyntheseregulatoren KEA3 und VCCN1 in der dynamischen Photosynthese und ii) die flexible Interaktion von Photorespiration mit Photosynthese analysiert. Im ersten Themenkomplex (i) wurden die Auswirkungen verschiedener Wachstumslicht-bedingungen auf Photosynthese und Photoprotektion anhand von kea3- und vccn1-Mutanten quantifiziert. Zum einen konnten wir zeigen, dass neben der photosynthetischen Kapazität auch die Aktivitäten von VCCN1 und KEA3 während eines Hochlichtpulses mit der Wachstumslichtintensität korrelierten. Dies deutet auf eine Regulierung beider Proteine durch die Kapazität des Downstream-Metabolismus hin. Zum anderen beschleunigte KEA3 die Kinetik des photoprotektiven nicht-photochemischen Quenchings (NPQ) auf zweifache Weise: Direkt über die Herabregulierung der lumenalen Protonenkonzentration, was den pH-abhängigen NPQ deaktivierte, und indirekt über die Unterdrückung der Akkumulation des photoprotektiven Pigments Zeaxanthin. Für das zweite Thema (ii) untersuchten wir die Rolle des photorespiratorischen Metabolismus (PR), welcher ein toxisches Nebenprodukt der Kohlenstofffixierungsreaktionen recycelt, in der metabolischen Flexibilität in einer sich dynamisch verändernden Lichtumgebung. Dazu verwendeten wir die Mutanten hpr1 und ggt1 mit teilweise blockiertem PR Flux. Unsere Daten widerlegen, im Gegensatz zu früheren Berichten, eine allgemein größere physiologische Bedeutung von PR unter dynamischen Lichtbedingungen. Die beiden Mutanten zeigten ausgeprägte und distinkte metabolische Veränderungen während der Akklimatisierung an eine Bedingung mit höherer photosynthetischer Aktivität. Dies zeigt, dass PR nicht ausschließlich als zyklischer Entgiftungsweg für 2PG angesehen werden kann. Vielmehr ist PR tief in den pflanzlichen Stoffwechsel eingebettet, wobei GGT1 und HPR1 als distinkte Stellschrauben des Downstream-Metabolismus agieren. Zusammenfassend liefert die vorliegende Arbeit weitere Erkenntnisse darüber, wie die energetische und metabolische Flexibilität durch kurzfristige Regulatoren und den photorespiratorischen Metabolismus während der langfristigen Lichtakklimatisierung gewährleistet wird. KW - photosynthesis KW - fluctuating light KW - Arabidopsis thaliana KW - Photosynthese KW - fluktuierendes Licht Y1 - 2023 ER - TY - JOUR A1 - Küken, Anika A1 - Gennermann, Kristin A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Characterization of maximal enzyme catalytic rates in central metabolism of Arabidopsis thaliana JF - The plant journal N2 - Availability of plant-specific enzyme kinetic data is scarce, limiting the predictive power of metabolic models and precluding identification of genetic factors of enzyme properties. Enzyme kinetic data are measuredin vitro, often under non-physiological conditions, and conclusions elicited from modeling warrant caution. Here we estimate maximalin vivocatalytic rates for 168 plant enzymes, including photosystems I and II, cytochrome-b6f complex, ATP-citrate synthase, sucrose-phosphate synthase as well as enzymes from amino acid synthesis with previously undocumented enzyme kinetic data in BRENDA. The estimations are obtained by integrating condition-specific quantitative proteomics data, maximal rates of selected enzymes, growth measurements fromArabidopsis thalianarosette with and fluxes through canonical pathways in a constraint-based model of leaf metabolism. In comparison to findings inEscherichia coli, we demonstrate weaker concordance between the plant-specificin vitroandin vivoenzyme catalytic rates due to a low degree of enzyme saturation. This is supported by the finding that concentrations of nicotinamide adenine dinucleotide (phosphate), adenosine triphosphate and uridine triphosphate, calculated based on our maximalin vivocatalytic rates, and available quantitative metabolomics data are below reportedKMvalues and, therefore, indicate undersaturation of respective enzymes. Our findings show that genome-wide profiling of enzyme kinetic properties is feasible in plants, paving the way for understanding resource allocation. KW - Arabidopsis thaliana KW - constraint-based modeling KW - enzyme catalytic rates KW - kinetic parameter KW - metabolic network KW - turnover number Y1 - 2020 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.14890 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 103 IS - 6 SP - 2168 EP - 2177 PB - Wiley CY - Oxford ER - TY - THES A1 - Mahto, Harendra T1 - In vitro analysis of Early Starvation 1 (ESV1) and Like Early Starvation 1 (LESV) on starch degradation with focus on glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD) N2 - Starch is an insoluble polyglucan, comprises of two polymers, namely, the branched α-1,4: α-1,6-D-glucan amylopectin and the almost unbranched α-1,4-D-glucan amylose. The growth of all plants is directly dependent on the accumulation of transitory starch during the daytime when photosynthesis takes place and subsequently starch degradation during the night. Starch phosphorylation takes place by starch-related dikinases called α-glucan, water dikinase (GWD), and phosphoglucan, water dikinase (PWD), and is a very important step in starch degradation. The biochemical mechanisms of phosphorylation of starch are not properly understood. Recent studies have found that there are two starch binding proteins namely, Early Starvation1 (ESV1) and Like Early Starvation1 (LESV), which play an important role in starch metabolism. It has been shown that ESV1 and LESV proteins affect the starch phosphorylation activity of GWD and PWD enzymes, which control the rate of degradation of starch granules. In this thesis, various in vitro assays were performed to identify and understand the mechanism of recombinant proteins; ESV1 and LESV on the starch degradation. The starch degradation was performed by phosphorylation enzymes, GWD and PWD separately. In various enzymatic assays, the influence of the ESV1 and LESV on the actions of GWD and PWD on the surfaces of different native starch granules were analysed. Furthermore, ESV1 and LESV have specifically shown influences on the phosphorylation activities of GWD and PWD on the starch granule surfaces in an antagonistic pattern in such a way that, the GWD mediated phosphorylation were significantly reduced while PWD mediated phosphorylation were significantly increased respectively. In another set of experiments, ISA and BAM hydrolyzing enzymes were used to alter the structure of starch, and then determine the effect of both dikinases mediated phosphorylation in the presence of ESV1 and LESV on the altered starch granules surfaces. In these results, significant decreases in both GWD and PWD mediated phosphorylation were observed in all the treatments containing either ESV1 or LESV proteins only or both ESV1 and LESV. It was also found that LESV preferentially binds to both amylose and amylopectin, while ESV1 binds to highly ordered glucans such as maltodextrins and amylopectin, which are crystalline in structure. Both ESV1 or LESV proteins either individually or in combination have shown influence on the activity of GWD and PWD phosphate incorporation into the starch granules via reduction even though at different percentages depending on the sources of starch, therefore it is difficult to distinguish the specific function between them. The biochemical studies have shown that protein-glucan interaction specifically between ESV1 or LESV or in combination with different species of starch granules has very strong surface binding, or it might be possible that both the proteins not only bind to the surface of the starch granules but also have entered deep inside the glucan structure of the starch granules. However, the results also revealed that ESV1 and LESV did not alter the autophosphorylation of the dikinases. Also, the chain length distribution pattern of the released glucan chains after treatment of starch with ISA enzyme was evaluated with respect to the degree of polymerization (DP) of the different starch granules. Capillary electrophoresis was employed to study the effect of LESV and ESV1 on the chain length distribution. In summary, this study confirms that ESV1 and LESV play an important role in organizing and regulating the starch metabolism process. In the later half, studies were performed to monitor whether the metabolism of carbohydrates and partitioning, contribute to the higher salt tolerance of the facultative halophyte Hordeum marinum when compared to glycophyte Hordeum vulgare. Seedlings with the same size from both species were hydroponically grown at 0, 150, and 300 mM of NaCl for 3 weeks. H. marinum maintained a high relative growth rate, which was found concomitant in higher aptitude plants to maintain efficient shoot tissue hydration and integrity of membrane under salt conditions when compared to H. vulgare. Hence, our data suggested that the change in the starch storage, distribution of soluble sugar concentrations between source and sink organs, and also changes in the level of enzymes involved in the starch metabolism was significant to give insights into the importance of carbohydrate metabolism in barley species with regards to the salt tolerance. Although these results are still in their nascent state, it could be vital for other researchers to formulate future studies. The preliminary results which were studies about the carbohydrate metabolism and partitioning in salt responses in the halophyte H. marinum and the glycophyte H. vulgare revealed that salt tolerance in barley species is not due to osmotic adjustments, but due to other reasons that were not explored in the past studies. However, the activity of DPE2 in H. vulgare was not hampered by the presence of NaCl as observed. While Pho1 and Pho2, activities were highly increased in cultivated barley. These findings could be suggestive of a possible role of these enzymes in the responses of carbohydrate metabolism to salinity. When sea and cultivated barley species were compared, it was discovered that the former had more versatility in carbohydrate metabolism and distribution. N2 - Stärke ist ein unlösliches Polyglucan, das aus zwei Polymeren besteht, nämlich dem verzweigten α-1,4: α-1,6-D-Glucan Amylopektin und dem fast unverzweigten α-1,4-D-Glucan Amylose. Das Wachstum aller Pflanzen hängt direkt von der Akkumulation transitorischer Stärke während des Tages, wenn die Photosynthese stattfindet, und dem anschließenden Stärkeabbau während der Nacht ab. Die Phosphorylierung von Stärke erfolgt durch stärkeverwandte Dikinasen, die α-Glucan-Wasser-Dikinase (GWD) und Phosphoglucan-Wasser-Dikinase (PWD), und ist ein entscheidender Schritt beim Stärkeabbau. Die biochemischen Mechanismen der Phosphorylierung von Stärke sind nicht genau bekannt. Jüngste Studien haben ergeben, dass es zwei stärkebindende Proteine gibt, nämlich Early Starvation1 (ESV1) und Like Early Starvation1 (LESV), die eine wichtige Rolle im Stärkestoffwechsel spielen. Es hat sich gezeigt, dass ESV1- und LESV-Proteine die Stärkephosphorylierungsaktivität der GWD- und PWD-Enzyme beeinflussen, die die Geschwindigkeit des Abbaus von Stärkekörnern steuern. In dieser Arbeit wurden verschiedene In-vitro-Tests durchgeführt, um den Mechanismus der rekombinanten Proteine ESV1 und LESV auf den Stärkeabbau zu identifizieren und zu verstehen.Der Stärkeabbau wurde von den Phosphorylierungsenzymen GWD und PWD getrennt durchgeführt. In verschiedenen enzymatischen Assays wurde der Einfluss von ESV1 und LESV auf die Wirkung von GWD und PWD auf die Oberflächen verschiedener nativer Stärkekörner analysiert. Darüber hinaus haben ESV1 und LESV spezifisch Einflüsse auf die Phosphorylierungsaktivitäten von GWD und PWD auf den Oberflächen der Stärkekörner in einem antagonistischen Muster gezeigt, so dass die GWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant reduziert wurde, während die PWD-vermittelte Phosphorylierung signifikant erhöht wurde. In einer anderen Versuchsreihe wurden ISA- und BAM verwendet, um die Struktur der Stärke zu verändern und dann die Auswirkungen der durch beide Dikinasen vermittelten Phosphorylierung in Gegenwart von ESV1 und LESV auf die veränderten Oberflächen der Stärkekörner zu bestimmen. In diesen Ergebnissen wurde ein signifikanter Rückgang der GWD- und PWD-vermittelten Phosphorylierung in allen Behandlungen beobachtet, die entweder nur ESV1- oder LESV-Proteine oder sowohl ESV1 als auch LESV enthielten. Es wurde auch festgestellt, dass LESV vorzugsweise an Amylose und Amylopektin bindet, während ESV1 an hochgeordnete Glucane wie Maltodextrine und Amylopektin bindet, die eine kristalline Struktur aufweisen. Sowohl ESV1- als auch LESV-Proteine haben entweder einzeln oder in Kombination einen Einfluss auf die Aktivität des GWD- und PWD-Phosphateinbaus in die Stärkekörner durch Reduktion gezeigt, jedoch zu unterschiedlichen Prozentsätzen, je nach Stärkequelle, so dass es schwierig ist, ihre spezifische Funktion zu unterscheiden. Die biochemischen Untersuchungen zeigen, dass die Protein-Glucan-Interaktion speziell zwischen ESV1 oder LESV oder in Kombination mit verschiedenen Arten von Stärkekörnern eine sehr starke Oberflächenbindung aufweist, oder es ist möglich, dass beide Proteine nicht nur an die Oberfläche der Stärkekörner binden, sondern auch tief in die Glucanstruktur der Stärkekörner eingedrungen sind. Die Ergebnisse zeigten jedoch auch, dass ESV1 und LESV die Autophosphorylierung der Dikinasen nicht veränderten. Außerdem wurde die Kettenlängenverteilung der freigesetzten Glucanketten nach Behandlung der Stärke mit dem ISA-Enzym im Hinblick auf den Polymerisationsgrad (DP) der verschiedenen Stärkekörner bewertet. Mit Hilfe der Kapillarelektrophorese wurde die Wirkung von LESV und ESV1 auf die Kettenlängenverteilung untersucht. Zusammenfassend bestätigt diese Studie, dass ESV1 und LESV eine wichtige Rolle bei der Organisation und Regulierung des Stärkestoffwechsels spielen. In der zweiten Hälfte wurden Untersuchungen durchgeführt, um zu prüfen, ob der Stoffwechsel von Kohlenhydraten und deren Verteilung zu der höheren Salztoleranz des fakultativen Halophyten Hordeum marinum im Vergleich zum Glykophyten Hordeum vulgare beitragen. Die gleich großen Sämlinge beider Arten wurden 3 Wochen lang bei 0, 150 und 300 mM NaCl hydroponisch gezogen. H. marinum wies eine hohe relative Wachstumsrate auf, die mit einer höheren Fähigkeit der Pflanzen einherging, unter Salzbedingungen eine effiziente Hydratation des Sprossgewebes und die Integrität der Membran aufrechtzuerhalten, als dies bei H. vulgare der Fall war. Unsere Daten deuten also darauf hin, dass die Veränderungen in der Stärkespeicherung, die Verteilung der Konzentrationen löslicher Zucker zwischen Source- und Sinkorganen und auch die Veränderungen in der Menge der am Stärkestoffwechsel beteiligten Enzyme von Bedeutung sind und Einblicke in die Bedeutung des Kohlenhydratstoffwechsels bei Gerstenarten im Hinblick auf die Salztoleranz geben. Obwohl sich diese Ergebnisse noch im Anfangsstadium befinden, könnten sie für andere Forscher bei der Formulierung künftiger Studien von entscheidender Bedeutung sein. Die vorläufigen Ergebnisse der Studien über den Kohlenhydratstoffwechsel und die Verteilung der Kohlenhydrate bei Salzreaktionen im Halophyten H. marinum und im Glykophyten H. vulgare haben gezeigt, dass die Salztoleranz bei Gerstenarten nicht auf osmotische Anpassungen zurückzuführen ist, sondern auf andere Gründe, die in den bisherigen Studien nicht untersucht wurden. Die Aktivität von DPE2 in H. vulgare wurde jedoch nicht wie beobachtet durch die Anwesenheit von NaCl beeinträchtigt. Dagegen waren die Aktivitäten von Pho1 und Pho2 in kultivierter Gerste stark erhöht. Diese Ergebnisse könnten auf eine mögliche Rolle dieser Enzyme bei der Reaktion des Kohlenhydratstoffwechsels auf den Salzgehalt hinweisen. Beim Vergleich von Meeres- und Kulturgerstenarten wurde festgestellt, dass erstere eine größere Vielseitigkeit im Kohlenhydratstoffwechsel und in der Kohlenhydratverteilung aufweisen. KW - Arabidopsis thaliana KW - starch phosphorylation KW - phosphoglucan KW - starch granule surface KW - Early Starvation 1 Y1 - 2022 ER - TY - JOUR A1 - Muntaha, Sidratul Nur A1 - Li, Xiaoping A1 - Compart, Julia A1 - Apriyanto, Ardha A1 - Fettke, Jörg T1 - Carbon pathways during transitory starch degradation in Arabidopsis differentially affect the starch granule number and morphology in the dpe2/phs1 mutant background JF - Plant physiology and biochemistry : an official journal of the Federation of European Societies of Plant Physiology N2 - The Arabidopsis knockout mutant lacking both the cytosolic disproportionating enzyme 2 (DPE2) and the plastidial phosphorylase (PHS1) had a dwarf-growth phenotype, a reduced and uneven distribution of starch within the plant rosettes, and a lower starch granule number per chloroplast under standard growth conditions. In contrast, a triple mutant impaired in starch degradation by its additional lack of the glucan, water dikinase (GWD) showed improved plant growth, a starch-excess phenotype, and a homogeneous starch distribution. Furthermore, the number of starch granules per chloroplast was increased and was similar to the wild type. We concluded that ongoing starch degradation is mainly responsible for the observed phenotype of dpe2/phs1. Next, we generated two further triple mutants lacking either the phosphoglucan, water dikinase (PWD), or the disproportionating enzyme 1 (DPE1) in the background of the double mutant. Analysis of the starch metabolism revealed that even minor ongoing starch degradation observed in dpe2/phs1/pwd maintained the double mutant phenotype. In contrast, an additional blockage in the glucose pathway of starch breakdown, as in dpe2/phs1/ dpe1, resulted in a nearly starch-free phenotype and massive chloroplast degradation. The characterized mutants were discussed in the context of starch granule formation. KW - Starch granules KW - Starch metabolism KW - Starch granule number per KW - chloroplast KW - Starch morphology KW - LCSM KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2022.03.033 SN - 0981-9428 SN - 1873-2690 VL - 180 SP - 35 EP - 41 PB - Elsevier CY - Paris ER -