Frederik Dethloff

• Measuring the metabolite profile of plants can be a strong phenotyping tool, but the changes of metabolite pool sizes are often difficult to interpret, not least because metabolite pool sizes may stay constant while carbon flows are altered and vice versa. Hence, measuring the carbon allocation of metabolites enables a better understanding of the metabolic phenotype. The main challenge of such measurements is the in vivo integration of a stable or radioactive label into a plant without perturbation of the system. To follow the carbon flow of a precursor metabolite, a method is developed in this work that is based on metabolite profiling of primary metabolites measured with a mass spectrometer preceded by a gas chromatograph (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. submitted). This method generates stable isotope profiling data, besides conventional metabolite profiling data. In order to allow the feeding of a 13C sucrose solution into the plant, a petiole and a hypocotyl feeding assay are developed. To enable theMeasuring the metabolite profile of plants can be a strong phenotyping tool, but the changes of metabolite pool sizes are often difficult to interpret, not least because metabolite pool sizes may stay constant while carbon flows are altered and vice versa. Hence, measuring the carbon allocation of metabolites enables a better understanding of the metabolic phenotype. The main challenge of such measurements is the in vivo integration of a stable or radioactive label into a plant without perturbation of the system. To follow the carbon flow of a precursor metabolite, a method is developed in this work that is based on metabolite profiling of primary metabolites measured with a mass spectrometer preceded by a gas chromatograph (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. submitted). This method generates stable isotope profiling data, besides conventional metabolite profiling data. In order to allow the feeding of a 13C sucrose solution into the plant, a petiole and a hypocotyl feeding assay are developed. To enable the processing of large numbers of single leaf samples, their preparation and extraction are simplified and optimised. The metabolite profiles of primary metabolites are measured, and a simple relative calculation is done to gain information on carbon allocation from 13C sucrose. This method is tested examining single leaves of one rosette in different developmental stages, both metabolically and regarding carbon allocation from 13C sucrose. It is revealed that some metabolite pool sizes and 13C pools are tightly associated to relative leaf growth, i.e. to the developmental stage of the leaf. Fumaric acid turns out to be the most interesting candidate for further studies because pool size and 13C pool diverge considerably. In addition, the analyses are also performed on plants grown in the cold, and the initial results show a different metabolite pool size pattern across single leaves of one Arabidopsis rosette, compared to the plants grown under normal temperatures. Lastly, in situ expression of REIL genes in the cold is examined using promotor-GUS plants. Initial results suggest that single leaf metabolite profiles of reil2 differ from those of the WT.…
• Messungen des pflanzlichen Metaboloms können ein hilfreiches Werkzeug sein, um Pflanzen zu phänotypisieren. Jedoch sind die Änderungen der Poolgrößen teilweise schwer zu interpretieren, weil sich nicht nur die Poolgrößen sondern auch die Kohlenstoffflüsse unabhängig voneinander ändern können. Werden nun zusätzlich Informationen über die Flüsse ermittelt, kann der pflanzliche Phänotyp deutlich genauer beschrieben werden. Die größte Herausforderung für diese Messungen ist die In-vivo-Integration einer stabilen oder radioaktiven Markierung in einer Pflanze, ohne das System dabei zu stören. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, um die Verteilung von Kohlenstoffen aus einer gefütterten Vorstufe zu messen. Die Messung basiert dabei auf einem Primärmetabolitenprofil, das mit Hilfe eines Massenspektrometers mit vorgeschaltetem Gaschromatographen erstellt wird (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. eingereicht). Mit dieser Methode ist es einfach möglich, stabile Isotopenprofildaten neben herkömmlichenMessungen des pflanzlichen Metaboloms können ein hilfreiches Werkzeug sein, um Pflanzen zu phänotypisieren. Jedoch sind die Änderungen der Poolgrößen teilweise schwer zu interpretieren, weil sich nicht nur die Poolgrößen sondern auch die Kohlenstoffflüsse unabhängig voneinander ändern können. Werden nun zusätzlich Informationen über die Flüsse ermittelt, kann der pflanzliche Phänotyp deutlich genauer beschrieben werden. Die größte Herausforderung für diese Messungen ist die In-vivo-Integration einer stabilen oder radioaktiven Markierung in einer Pflanze, ohne das System dabei zu stören. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, um die Verteilung von Kohlenstoffen aus einer gefütterten Vorstufe zu messen. Die Messung basiert dabei auf einem Primärmetabolitenprofil, das mit Hilfe eines Massenspektrometers mit vorgeschaltetem Gaschromatographen erstellt wird (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. eingereicht). Mit dieser Methode ist es einfach möglich, stabile Isotopenprofildaten neben herkömmlichen Metabolitprofildaten zu erzeugen. Die Vorstufe, in diesem Fall 13C Saccharose, wird dazu mit Hilfe eines neuen Petiolen- und Hypokotyl-Fütterungs-Assay in die Pflanze gefüttert. Um die große Menge an Einzelblattproben aufzuarbeiten, die dabei anfallen, wird eine vereinfachte und optimierte Extraktion angewendet. Mit Hilfe einer einfachen Berechnung kann aus den Messdaten eine relative Verteilung des Kohlenstoffs aus 13C Saccharose bestimmt werden. Die Funktionalität dieses Verfahrens wird an Einzelblättern von Arabidopsis-Rosetten gezeigt, wobei sowohl Primärmetabolitenprofile als auch stabile Isotopenprofile erzeugt und untersucht werden. Es kann hierbei gezeigt werden, dass konventionelle Poolgrößen und 13C Poolgrößen einiger Metaboliten eng mit dem relativen Wachstum einzelner Blattpositionen bzw. mit dem jeweiligen Entwicklungsstadium der Blätter zusammenhängen. Anders als bei den meisten anderen Metaboliten zeigen die konventionellen Poolgrößen und 13C Poolgrößen von Fumarsäure ein unterschiedliches Verhalten in den einzelnen Blättern, was Fumarsäure zum interessantesten Kandidaten für weitere Studien macht. Die beschriebenen Untersuchungen werden weiterhin an in Kälte gewachsenen Pflanzen durchgeführt, wobei erste Ergebnisse ein verändertes Metabolitenprofil in den einzelnen Blättern zeigen. Des Weiteren wird die In-situ-Expression von REIL-Genen mit Hilfe von Promotor-GUS-Reportern untersucht. Erste Ergebnisse von Einzelblatt-Metabolitenprofilen der reil2 zeigen einen deutlichen Unterschied zum WT.…