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Carbohydrates play a vital role in all living organisms; serving as a cornerstone in primary metabolism through the release of energy from their hydrolysis and subsequent re-utilization (Apriyanto et al., 2022). Starch is the principal carbohydrate reserve in plants, providing essential energy for plant growth. Furthermore, starch serves as a significant carbohydrate source in the human diet. Beyond its nutritional value, starch has extensive industrial application associated with many aspects of human society, such as feed, pharmacy, textiles, and the production of biodegradable plastics. Understanding the mechanisms underlying starch metabolism in plants carries multifaceted benefits. Not only does it contribute to increasing crop yield and refining grain quality, but also can improve the efficiency of industrial applications.
Starch in plants is categorized into two classes based on their location and function: transitory starch and storage starch. Transitory starch is produced in chloroplasts of autotrophic tissues/organs, such as leaves. It is synthesized during the day and degraded during the night. Storage starch is synthesized in heterotrophic tissues/organs, such as endosperm, roots and tubers, which is utilized for plant reproduction and industrial application in human life. Most studies aiming to comprehend starch metabolism of Arabidopsis thaliana primarily focus on transitory starch.
Starch is stored as granular form in chloroplast and amyloplast. The parameters of starch granules, including size, morphology, and quantity per chloroplast serve as indicators of starch metabolism status. However, the understanding of their regulatory mechanism is still incomplete. In this research, I initially employed a simple and adapted method based on laser confocal scanning microscopy (LCSM) to observe size, morphology and quantity of starch granules within chloroplasts in Arabidopsis thaliana in vivo. This method facilitated a rapid and versatile analysis of starch granule parameters across numerous samples. Utilizing this approach, I compared starch granule number per chloroplast between mesophyll cells and guard cells in both wild type plants (Col-0) and several starch related mutants. The results revealed that the granule number is distinct between mesophyll cells and guard cells, even within the same genetic background, suggesting that guard cells operate a unique regulatory mechanism of starch granule number.
Subsequently, I redirected my attention toward examining starch morphology. Through microscopy analyses, I observed a gradual alteration in starch granule morphology in certain mutants during leaf aging. Specifically, in mutants such as sex1-8 and dpe2phs1ss4, there was a progressive alteration in starch granule morphology over time. Conversely, in Col-0 and ss4 mutant, these morphological alterations were not evident. This discovery suggests a new perspective to understand the development of starch morphology.
Further investigation revealed that mutants lacking either Disproportionating enzyme 2 (DPE2) or MALTOSE-EXCESS 1 (MEX1) exhibited gradual alterations in starch morphology with leaf aging. Notably, the most severe effects on starch morphology occurred in double mutants lacking either DPE2 or MEX1 in conjunction with a lack of starch synthase 4 (SS4). In these mutations, a transformation of the starch granule morphology from the typical discoid morphology to oval and eventually to a spherical shape.
To investigate the changes in the internal structure of starch during this alteration, I analyzed the chain length distribution (CLD) of the amylopectin of young, intermediate and old leaves of the mutants. Throughout starch granule development, I found an increased presence of short glucan chains within the granules, particularly evident in dpe2ss4 and mex1ss4 mutants, as well as their parental single mutants. Notably, the single mutant ss4 also showed an affected granule morphology, albeit not influenced by leaf aging..
The CLD pattern of the amylopectin reflects an integrative regulation involving several participants in starch synthesis, including starch synthases (SSs), starch branching/debranching enzymes (SBEs/DBEs). Therefore, I further detected the expression of related genes on transcription level and the enzymatic activity of their respective proteins. Results indicated altered gene expression of several regulators in these mutants, particularly demonstrating dramatic alterations in dpe2 and dpe2ss4 with leaf aging. These changes corresponded with the observed alterations in starch granule morphology.
Taken together, I have identified and characterized a progressive alteration in starch granule morphology primarily resulting from the deficiencies in DPE2 and MEX1. Furthermore, I have associated the CLD pattern with the granule morphogenesis, as well as the gene expression and enzymatic activity of proteins involved in starch synthesis. Unlike SS4, which is implicated in starch initiation, MEX1 and DPE2 are involved into starch degradation. MEX1 is located in chloroplast envelope and DPE2 is situated in the cytosol. Considering the locations and known functions of DPE2/MEX1 and SS4, I infer that there might be two pathways influencing starch morphology: an initiation-affected pathway via SS4 and a degradation-affected pathway via DPE2/MEX1.
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.