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 - THES A1 - Martinez-Seidel, Federico T1 - Ribosome Heterogeneity and Specialization during Temperature Acclimation in Plants N2 - Ribosomes decode mRNA to synthesize proteins. Ribosomes, once considered static, executing machines, are now viewed as dynamic modulators of translation. Increasingly detailed analyses of structural ribosome heterogeneity led to a paradigm shift toward ribosome specialization for selective translation. As sessile organisms, plants cannot escape harmful environments and evolved strategies to withstand. Plant cytosolic ribosomes are in some respects more diverse than those of other metazoans. This diversity may contribute to plant stress acclimation. The goal of this thesis was to determine whether plants use ribosome heterogeneity to regulate protein synthesis through specialized translation. I focused on temperature acclimation, specifically on shifts to low temperatures. During cold acclimation, Arabidopsis ceases growth for seven days while establishing the responses required to resume growth. Earlier results indicate that ribosome biogenesis is essential for cold acclimation. REIL mutants (reil-dkos) lacking a 60S maturation factor do not acclimate successfully and do not resume growth. Using these genotypes, I ascribed cold-induced defects of ribosome biogenesis to the assembly of the polypeptide exit tunnel (PET) by performing spatial statistics of rProtein changes mapped onto the plant 80S structure. I discovered that growth cessation and PET remodeling also occurs in barley, suggesting a general cold response in plants. Cold triggered PET remodeling is consistent with the function of Rei-1, a REIL homolog of yeast, which performs PET quality control. Using seminal data of ribosome specialization, I show that yeast remodels the tRNA entry site of ribosomes upon change of carbon sources and demonstrate that spatially constrained remodeling of ribosomes in metazoans may modulate protein synthesis. I argue that regional remodeling may be a form of ribosome specialization and show that heterogeneous cytosolic polysomes accumulate after cold acclimation, leading to shifts in the translational output that differs between wild-type and reil-dkos. I found that heterogeneous complexes consist of newly synthesized and reused proteins. I propose that tailored ribosome complexes enable free 60S subunits to select specific 48S initiation complexes for translation. Cold acclimated ribosomes through ribosome remodeling synthesize a novel proteome consistent with known mechanisms of cold acclimation. The main hypothesis arising from my thesis is that heterogeneous/ specialized ribosomes alter translation preferences, adjust the proteome and thereby activate plant programs for successful cold acclimation. N2 - Ribosomen dekodieren mRNA, um Proteine zu synthetisieren. Ribosomen, früher als statische, ausführende Maschinen betrachtet, werden heute als dynamische Modulatoren der Translation angesehen. Zunehmend detailliertere Analysen der Strukturheterogenität von Ribosomen führte zu einem Paradigmenwechsel hin zu einer Spezialisierung von Ribosomen für eine selektive Translation. Als sessile Organismen können Pflanzen schädlichen Umwelteinflüssen nicht ausweichen und haben Strategien entwickelt, um diesen zu widerstehen. Zytosolische Ribosomen von Pflanzen sind in mancher Hinsicht vielfältiger, als die von anderen Metazoen. Diese Vielfalt könnte zur Stressakklimatisierung der Pflanzen beitragen. Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, ob Pflanzen die Heterogenität der Ribosomen nutzen, um die Proteinsynthese durch spezialisierte Translation zu regulieren. Ich habe mich auf die Temperaturakklimatisierung konzentriert, insbesondere auf den Wechsel zu niedrigen Temperaturen. Im Verlauf der Kälteakklimatisierung stellt Arabidopsis das Wachstum für sieben Tage ein. Währenddessen etabliert sie die für die Wiederaufnahme des Wachstums erforderlichen Anpassungen. Vorherige Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ribosomenbiogenese für die Kälteakklimatisierung essentiell ist. REIL-Mutanten (reil-dkos), denen ein 60S-Reifungsfaktor fehlt, akklimatisieren sich nicht erfolgreich und nehmen das Wachstum nicht wieder auf. Anhand dieser Genotypen habe ich kältebedingte Defekte der Ribosomenbiogenese auf den Aufbau des Polypeptidaustritts-Tunnels (PET) zurückgeführt, indem ich räumliche statistische Analysen von rProtein-Veränderungen auf die pflanzliche 80S-Struktur abgebildet habe. Ich habe entdeckt, dass Wachstumsstillstand und PET-Umbau auch in Gerste auftreten, was auf eine allgemeine Kältereaktion in Pflanzen hindeutet. Der durch Kälte ausgelöste PET-Umbau stimmt über ein mit der Funktion von Rei-1, einem REIL-homologen Protein aus Hefe, in der Rei-1 die PET-Qualitätskontrolle durchführt. Anhand bahnbrechender Daten zur Ribosomenspezialisierung zeige ich, dass Hefe die tRNA-Eintrittsstelle von Ribosomen bei einem Wechsel von Kohlenstoffquellen umbaut, und demonstriere, dass ein räumlich begrenzter Umbau von Ribosomen in Metazoen die Proteinsynthese modulieren kann. Ich argumentiere, dass die regionale Umgestaltung eine Form der Ribosomenspezialisierung sein kann, und zeige, dass nach einer Kälteakklimatisierung heterogene zytosolische Polysomen akkumulieren, was zu Verschiebungen im Translationsoutput führt, der sich zwischen Wildtyp und reil-dkos unterscheidet. Ich habe festgestellt, dass die heterogenen Komplexe aus neu synthetisierten und wiederverwendeten Proteinen bestehen. Ich schlage vor, dass maßgeschneiderte Ribosomenkomplexe freie 60S-Untereinheiten in die Lage versetzen, spezifische 48S-Initiationskomplexe für die Translation auszuwählen. Kälte-akklimatisierte Ribosomen synthetisieren durch Ribosomenumbau ein neues Proteom, das mit bekannten Mechanismen der Kälteakklimatisierung übereinstimmt. Die Haupthypothese, die sich aus meiner Arbeit ergibt, ist, dass heterogene/spezialisierte Ribosomen ihre Translationspräferenzen verändern, das Proteom anpassen und dadurch Pflanzenprogramme für eine erfolgreiche Kälteakklimatisierung aktivieren. T2 - Ribosomenheterogenität und -spezialisierung während der Temperaturakklimatisierung in Pflanzen KW - Ribosome specialization KW - Ribosomal protein heterogeneity KW - Ribosomal protein substoichiometry KW - Protein synthesis KW - Translational regulation KW - Plant cytosolic translation KW - Cold acclimation KW - Ribosome biogenesis KW - 60S maturation KW - Hordeum vulgare KW - Arabidopsis thaliana KW - 60S-Reifung KW - Kälteakklimatisierung KW - Cytosolische Translation in Pflanzen KW - Proteinsynthese KW - Ribosomale Proteinheterogenität KW - Ribosomale Protein Substöchiometrie KW - Ribosomen-Biogenese KW - Ribosomen-Spezialisierung KW - Translationsregulation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-580724 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 -