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An Arabidopsis mutant lacking both the cytosolic Disproportionating enzyme 2 (DPE2) and the plastidial glucan Phosphorylase 1 (PHS1) revealed a unique starch metabolism. Dpe2/phs1 has been reported to have only one starch granule number per chloroplast when grown under diurnal rhythm. For this study, we analyzed dpe2/phs1 in details following the mutant development, and found that it showed three distinct periods of granule numbers per chloroplast, while there was no obvious change observed in Col-0. In young plants, the starch granule number was similar to that in Col-0 at first, and then decreased significantly, down to one or no granule per chloroplast, followed by an increase in the granule number. Thus, in dpe2/phs1, control over the starch granule number is impaired, but it is not defective in starch granule initiation. The data also indicate that the granule number is not fixed, and is regulated throughout plant growth. Furthermore, the chloroplasts revealed alterations during these three periods, with a partially strong aberrant morphology in the middle phase. Interestingly, the unique metabolism was perpetuated when starch degradation was further impaired through an additional lack of Isoamylase 3 (ISA3) or Starch excess 4 (SEX4). Transcriptomic studies and metabolic profiling revealed the co-regulation of starch metabolism-related genes and a clear metabolic separation between the periods. Most senescence-induced genes were found to be up-regulated more than twice in the starch-less mature leaves. Thus, dpe2/phs1 is a unique plant material source, with which we may study starch granule number regulation to obtain a more detailed understanding.
An Arabidopsis mutant lacking both the cytosolic Disproportionating enzyme 2 (DPE2) and the plastidial glucan Phosphorylase 1 (PHS1) revealed a unique starch metabolism. Dpe2/phs1 has been reported to have only one starch granule number per chloroplast when grown under diurnal rhythm. For this study, we analyzed dpe2/phs1 in details following the mutant development, and found that it showed three distinct periods of granule numbers per chloroplast, while there was no obvious change observed in Col-0. In young plants, the starch granule number was similar to that in Col-0 at first, and then decreased significantly, down to one or no granule per chloroplast, followed by an increase in the granule number. Thus, in dpe2/phs1, control over the starch granule number is impaired, but it is not defective in starch granule initiation. The data also indicate that the granule number is not fixed, and is regulated throughout plant growth. Furthermore, the chloroplasts revealed alterations during these three periods, with a partially strong aberrant morphology in the middle phase. Interestingly, the unique metabolism was perpetuated when starch degradation was further impaired through an additional lack of Isoamylase 3 (ISA3) or Starch excess 4 (SEX4). Transcriptomic studies and metabolic profiling revealed the co-regulation of starch metabolism-related genes and a clear metabolic separation between the periods. Most senescence-induced genes were found to be up-regulated more than twice in the starch-less mature leaves. Thus, dpe2/phs1 is a unique plant material source, with which we may study starch granule number regulation to obtain a more detailed understanding.
In der vorliegenden Arbeit wurden cDNAs, kodierend für bisher unbekannte stärkeabbauende Enzyme, aus Kartoffel isoliert und funktionell analysiert. Die Isolation der cDNAs erfolgte mit Hilfe eines Systems, welches sich der funktionellen Expression von cDNA-Bibliotheken in E. coli bediente. Die mit diesem System zur Expression gebrachten cDNA-Bibliotheken wurden im Rahmen dieser Arbeit hergestellt. Zum einen handelte es sich um eine blattspezifische Phagen-cDNA-Bibliothek (Proben wurden während des Tag/Nacht Übergangs genommen), zum anderen um eine knollenspezifische cDNA-Bibliothek aus kaltgelagerten Knollen. Nach der Überführung der Phagen-Bibliotheken in Plasmid-Bibliotheken wurden diese funktionell in dem E. coli Stamm KV832 exprimiert. Der Stamm KV832 wurde aufgrund seiner Fähigkeit, lineare Glucane zu akkumulieren, ausgewählt. Werden Glucan akkumulierende KV832 Kolonien mit Jod bedampft, so zeigen diese eine typische Blaufärbung. Nach der Expression der Plasmid-Bibliotheken in KV832 wurden solche Kolonien weiter untersucht, welche in ihrer Färbung von den blauen Kolonien abwichen. Mittels eines zweiten E. coli Stamms, PGM −, welcher ebenfalls in der Lage ist, lineare Glucane zu akkumulieren, wurden die Ergebnisse für KV832 bestätigt. Die funktionelle Expression der Bibliotheken führte zur Isolation einer Reihe von unbekannten cDNAs. Zwei dieser cDNAs wurden im Rahmen dieser Arbeit weiterführend untersucht. Zum einen handelte es sich um eine cDNA, die für eine bis dahin unbekannte β-Amylase aus Kartoffel kodierte und deren Homolog aus Arabidopsis (CT-BMY) im Laufe dieser Arbeit von Lao et al. (1999) veröffentlicht wurde, zum anderen um eine cDNA, die für ein unbekanntes Enzym kodierte (DSD10). Das Arabidopsis Homolog zu DSD10 wurde im Zuge der Arabidopsis Genominitiative Ende 2000 publiziert. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die isolierte β-Amylase cDNA für eine funktionelle β-Amylase kodiert und dieses Enzym in der Lage ist, neben löslicher auch rohe Stärke anzugreifen. Lokalisationsexperimente zeigten, dass das Enzym in isolierte Erbsenchloroplasten importiert wurde und dass die 100 N-terminalen Aminosäuren für den Import in die Plastiden ausreichten. Die β-Amylase wurde als PCT-BMYI bezeichnet. Die »antisense«-Inhibierung von PCT-BMYI führte zu einem Hochstärke-Phänotyp der Blätter, sowie zu einem Anstieg der Trockenmasse. Der Hochstärke-Phänotyp ist auf eine Reduktion der Stärkemobilisierung und die daraus folgende Akkumulation der Stärke während der Vegetationsperiode zurückzuführen. Damit konnte erstmals die physiologische Bedeutung einer β-Amylase für den Abbau der transitorischen Stärke gezeigt werden. Kein Einfluss zeigte die »antisense« Inhibierung von PCT-BMYI auf den kälteinduzierten Abbau der Speicherstärke in Knollen. Es konnte auch kein Unterschied im Keimverhalten oder der Entwicklung der neuen Pflanze beobachtet werden. Ein Teil der Ergebnisse zu PCT-BMYI wurde bereits publiziert (Scheidig et al., 2002). Die isolierten cDNAs dsd10, sgeI (die Volllängen cDNA zu dsd10) und das Arabidopsis Homolog asgeI kodieren für Enzyme, welche α-Amylase-Aktivität besitzen, aber keine Homologie zu bekannten α-Amylasen aufweisen. Ein mögliches Glucoamylase Motiv erwies sich für die Aktivität des Proteins als essentiell. Lokalisationsexperimente deuteten auf den Import des SGEI Proteins in isolierte Erbsenchloroplasten hin. Die »antisense«-Inhibierung von sgeI führte in den entsprechenden Linien zu einem Hochstärke-Phänotyp in Blättern, einem Anstieg der Trockenmasse in Blättern, sowie zu größeren Stärkekörnern in einer der untersuchten Linien. Ein nicht erwarteter Effekt zeigte sich in Blättern der entsprechenden Linien, welche für längere Zeit dunkel gehalten wurden. Die Blätter der untransformierten Kontrolle waren abgestorben, wohingegen die Blätter der SGEI »antisense« Linien grün und vital erschienen. Die α- und β-Amylase-Aktivität war in Blättern der SGEI »antisense« Linien reduziert, weshalb eine genaue Zuordnung der Funktion von SGEI nicht möglich war. Die vorliegenden Ergebnisse zu den SGEI »antisense« Linien deuten aber darauf hin, dass der beobachtete Hochstärke-Phänotyp nicht alleine auf die Reduktion der β-Amylase-Aktivität zurückzuführen ist. Ein Einfluss von SGEI auf den kälteinduzierten Abbau der Speicherstärke konnte nicht beobachtet werden. Es konnte auch hier kein Unterschied im Keimverhalten oder der Entwicklung der neuen Pflanze beobachtet werden.