Christina Fritz

• Es ist bekannt, dass Änderungen im Kohlenstoff- bzw. Stickstoffstaus der Pflanzen zu einer parallelen statt reziproken Änderung der kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Primärmetabolite führen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden in der vorliegenden Arbeit der Aminosäurestoffwechsel und der Sekundärstoffwechsel unter reduzierten Stickstoffbedingungen untersucht. Zur Beeinflussung des Stickstoffstoffwechsels wurden nitratmangelernährte Tabakwildtyppflanzen und Genotypen mit unterschiedlich stark reduzierter Nitratreduktase-Aktivität verwendet. Dieses experimentelle System erlaubt zusätzlich durch den Vergleich Nitrat defizienter Wildtyppflanzen mit Nitrat akkumulierenden NIA-Transformanten Prozesse zu identifizieren, die durch Nitrat gesteuert werden. Die Analysen der Primär- und Sekundärmetabolite wurde in allen Genotypen diurnal durchgeführt, um auch tageszeitlich abhängige Prozesse zu identifizieren. Die Analyse der absoluten Gehalte aller individuellen Aminosäuren enthüllte bei den meisten erstaunlich stabile diurnale Muster mit einemEs ist bekannt, dass Änderungen im Kohlenstoff- bzw. Stickstoffstaus der Pflanzen zu einer parallelen statt reziproken Änderung der kohlenstoff- und stickstoffhaltigen Primärmetabolite führen. Unter diesem Gesichtspunkt wurden in der vorliegenden Arbeit der Aminosäurestoffwechsel und der Sekundärstoffwechsel unter reduzierten Stickstoffbedingungen untersucht. Zur Beeinflussung des Stickstoffstoffwechsels wurden nitratmangelernährte Tabakwildtyppflanzen und Genotypen mit unterschiedlich stark reduzierter Nitratreduktase-Aktivität verwendet. Dieses experimentelle System erlaubt zusätzlich durch den Vergleich Nitrat defizienter Wildtyppflanzen mit Nitrat akkumulierenden NIA-Transformanten Prozesse zu identifizieren, die durch Nitrat gesteuert werden. Die Analysen der Primär- und Sekundärmetabolite wurde in allen Genotypen diurnal durchgeführt, um auch tageszeitlich abhängige Prozesse zu identifizieren. Die Analyse der absoluten Gehalte aller individuellen Aminosäuren enthüllte bei den meisten erstaunlich stabile diurnale Muster mit einem Anstieg während des Tages und einem Abfall in der Nacht in Wildtyppflanzen gewachsen mit ausreichend Nitrat. Dieses Ergebnis legt die Schlussfolgerung nahe, dass die Biosynthese der Aminosäuren koordiniert abläuft. In Pflanzen mit reduziertem Stickstoffstatus haben diese diurnalen Muster jedoch keinen Bestand. Die Kombination des erzeugten stickstoffbasierten Aminosäuredatensatz in Kombination mit einem bereits erzeugten Aminosäuredatensatz unter kohlenstofflimitierten Bedingungen von Matt et al. (2002) führte durch Hauptkomponentenanalyse (PCA) und Korrelationsanalyse zu dem Ergebnis, dass die Hypothese nach einer koordinierten Aminosäurebiosynthese nicht allgemeine Gültigkeit hat. Die PCA identifizierte Glutamin, Glutamat, Aspartat, Glycin, Pheny-lalanin und Threonin als Faktoren, die den Datensätzen ihre charakteristische Eigenschaft und deren Varianz verleihen. Die Korrelationsanalyse zeigte, dass die sehr guten Korrelationen der individuellen Aminosäuren untereinander in reduzierten Stickstoff- und Kohlenstoffbedingungen sich verschlechtern. Das Verhältnis einer einzelnen Aminosäure relativ zu den anderen führte zur Identifizierung einiger Aminosäuren, die individuelle Antworten auf Stickstoff- und/oder Kohlenstoffstatus zeigen, und/oder speziell auf Nitrat, Licht und/oder den E-nergiestatus der Thylakoidmembran. Glutamat beispielsweise verhält sich in den meisten Situationen stabil, Phenylalanin dagegen zeigt in jeder physiologischen Situation eine individuelle Antwort. Die Ergebnisse dieser Arbeit führen zu einer Erweiterung der Hypothese einer koordinierten Synthese der Aminosäuren dahingehend, dass diese nicht generell für alle Aminosäuren angenommen werden kann. Es gibt einige Aminosäuren deren, Anteile sich situationsbedingt anpassen. Die Reduktion des Stickstoffstatus in nitratmangelernährten Tabakwildtyppflanzen führte zu der, nach der „Carbon-Nutrient-Balance“ Hypothese erwarteten Verlagerung der kohlenstoffreichen Phenylpropanoide und des stickstoffreichen Nikotins. Die Erhöhung der Phenylpropanoidgehalte war nicht in der Nitrat akkumulierenden NIA-Transformante zu beobachten und somit konnte Nitrat als regulatorisches Element identifiziert werden. Ein Einfluss der Vorläufermetabolite konnte ausgeschlossen werden, da sowohl nitratmangelernährter Wildtyp als auch die Nitrat akkumulierende NIA-Transformante ähnliche Gehalte dieser aufwiesen. Genexpressionsanalysen über Mikroarray-Hybridisierung und quantitative RT-PCR zeigten, dass Nitrat durch noch nicht geklärte Mechanismen Einfluss auf die Expression einiger Gene nimmt, die dem Phenylpropanoidstoffwechsels zugeordnet sind. Aus der Arbeit hervorgegangene Veröffentlichungen: Christina Fritz, Natalia Palacios-Rojas, Regina Feil und Mark Stitt (2006) Regulation of Secondary Metabolism by the Carbon-Nitrogen Status in Tobacco: Nitrate Inhibits Large Sectors of Phenylpropanoid Metabolism. Plant Journal 46, 533 - 548 Christina Fritz, Petra Matt, Cathrin Müller, Regina Feil und Mark Stitt (2006) Impact of the Carbon-Nitrogen Status on the Amino Acid Profile in Tobacco Source Leaves. Plant, Cell and Environment 29 (11), 2009 - 2111…
• It is known that changes in carbon and nitrogen status of a plant lead to parallel rather than reciprocal changes of carbon and nitrogen containing primary metabolites. Based on this finding the influence of carbon and nitrogen status on the amino acid profile as well as on secondary metabolism was investigated in tobacco. Manipulations of the nitrogen status were carried out in two ways: Tobacco wild type plants were cultivated in nitrogen-replete and nitrogen starved conditions; in addition nitrate accumulating transformants with reduced nitrate reductase (NIA) activity were used. The comparison of the nitrate starved wild type and the nitrate accumulating NIA-transformant allows to distinguish processes which were driven by the nitrogen status of a plant or by nitrate itself. Due to the fact that most primary metabolites have diurnal changes the analysis of primary and secondary metabolites were done at six different time points per day in order to identify diurnal processes. Analysis of the absolute levels of individual aminoIt is known that changes in carbon and nitrogen status of a plant lead to parallel rather than reciprocal changes of carbon and nitrogen containing primary metabolites. Based on this finding the influence of carbon and nitrogen status on the amino acid profile as well as on secondary metabolism was investigated in tobacco. Manipulations of the nitrogen status were carried out in two ways: Tobacco wild type plants were cultivated in nitrogen-replete and nitrogen starved conditions; in addition nitrate accumulating transformants with reduced nitrate reductase (NIA) activity were used. The comparison of the nitrate starved wild type and the nitrate accumulating NIA-transformant allows to distinguish processes which were driven by the nitrogen status of a plant or by nitrate itself. Due to the fact that most primary metabolites have diurnal changes the analysis of primary and secondary metabolites were done at six different time points per day in order to identify diurnal processes. Analysis of the absolute levels of individual amino acids under normal nitrogen supply conditions reveals characteristic diurnal patterns for the majority of amino acids with an increase during the day and a decrease during the night. This result indicates that amino acid biosynthesis might be coordinated. However these diurnal patterns are no longer stable in plants with reduced nitrogen status; furthermore absolute levels of individual amino acids differed over a wide range of concentrations. The hypothesis of a coordinated regulation of amino acid metabolism was further tested by combining this dataset with an amino acid dataset produced under carbon limited conditions (Matt et al., 2002) and applying Principal Component Analysis (PCA) and correlation analysis. Glutamine, glutamate, aspartate, glycine, phenylalanine and threonine were responsible for the clear separation of the different genotypes and experimental conditions in the PCA plot. The data from the correlation analysis show that most of the minor amino acids have very good correlations under carbon and nitrogen sufficient conditions. These correlations became weaker with decreasing carbon and nitrogen status of the plants. These results clearly indicate that a coordinated biosynthesis of amino acids is not a general phenomenon. Comparing the levels of each individual amino acid to the total amino acid pool revealed specific answers of a particular amino acid to carbon and/or nitrogen status, to nitrate and/or light and to energy status of the thylakoid membrane. Glutamate for instance is remarkably stable in most of the conditions and phenylalanine shows an individual response in every situation. From these results it was concluded that the hypothesis of a coordinated biosynthesis of amino acids might be true for some amino acids, but clearly needs to be extended because some amino acids adjust their levels in an individual fashion depending on the external conditions. The reduction of nitrogen status of nitrate starved wild type plants leads to a shift from carbon-rich phenylpropanoids to nitrogen-rich nicotine as predicted by the “carbon-nutrient-balance hypothesis”. Increased phenylpropanoids were not observed in nitrate accumulating NIA-transformants. Therefore nitrate could be identified as a regulatory element in phenyl-propanoid metabolism. A regulatory influence of precursors could be excluded since nitrate starved wild type and NIA-transformant had similar levels. Genexpression analysis via microarry hybridisation and quantitative RT-PCR shows that nitrate acts a transcriptional regulator of genes involved in phenylpropanoid metabolism. The elucidation of this regulatory role of nitrate requires further investigation.…