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Biochemical characterization of the central carbohydrate metabolism in Arabidopsis thaliana during extended night exposure
Lydia Sophie Priglinger
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Lehramtsstudium UF Biologie und Umweltkunde UF Psychologie und Philosophie
Betreuer*in
Wolfram Weckwerth
DOI
10.25365/thesis.46801
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13162.88246.812758-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Proteinkinase SnRK1 spielt in der Regulation des pflanzlichen Energiestoffwechsels eine große Rolle. Unter Energielimitation, welche zum Beispiel durch eine verlängerte Nacht induziert wird, zeigt sich in Pflanzen mit einem Defekt der SnRK1 Aktivität eine verstärkte Kohlenhydratlimitation. Obwohl die Rolle von SnRK1 in der Signalisierung von Energiemangel bereits gut ergründet wurde, ist das Wissen über spezifische biochemische Interaktionen des Enzyms innerhalb des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels sehr beschränkt. Ziel dieser Arbeit ist es, mögliche Gründe für signifikant niedrigere Saccharose Konzentrationen in snrk1α1α2 Doppelmutanten, welche einen Defekt der SnRK1 Aktivität aufweisen, im Zuge eines Experiments mit verlängerter Nacht zu ermitteln.
Die Studie umfasst eine Verlängerung der Nacht um 6 Stunden, mit 20-minütigen Probenahmeintervallen zu Beginn. Die maximalen Enzymaktivitäten von Saccharose-Phosphat-Synthase, saurer und neutraler löslicher Invertase, Glucokinase und Fructokinase wurden mittels biochemischer Verfahren unter optimalen Bedingungen bestimmt. Hexosephosphate und UDP-Glukose wurden mittels Ionenchromatographie und Massenspektrometrie quantifiziert, während die Dynamik der transitorischen Blattstärke durch Analyse mittels Gaschromatografie und Massenspektrometrie bestimmt wurde. Um die Metabolit- und Enzymdaten im Kontext der Netzwerkstruktur des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels funktional interpretieren zu können, wurde ein Algorithmus zur funktionellen Zeitserienanalyse verwendet.
Die größten Unterschiede zwischen den Genotypen wurden zu Beginn der verlängerten Nacht beobachtet, als die maximalen Aktivitäten aller gemessenen Enzyme im Wildtypen gleichzeitig anstiegen. Der am stärksten ausgeprägte Effekt wurde für die Invertaseaktivität gefunden, da die snrk1α1α2 Mutante einen komplett andersartigen Verlauf aufwies. Zusätzlich war der Stärkeabbau in der Mutante beeinträchtigt.
Die vorliegende Arbeit unterstreicht die Bedeutung von Invertase-Enzymen hinsichtlich der Stabilisierung von Saccharosekonzentrationen unter Kohlenhydratlimitation. Sie liefert erste Hinweise für eine mögliche Interaktion zwischen SnRK1 und Invertase-Isoformen. Darüber hinaus indiziert die anfängliche gleichzeitige Regulation der wichtigsten Enzyme im Wildtyp eine potenzielle Beteiligung von SnRK1 an Prozessen der circadianen Rhythmik.
Abstract
(Englisch)
The protein kinase SnRK1 is a key player in plant energy homeostasis. During energy limitation, for instance due to extended night conditions, plants with hampered SnRK1 activity suffer from carbohydrate shortfall. Although a role of SnRK1 in low energy signalling is well established, knowledge about specific biochemical interactions within the central carbohydrate metabolism is limited. This study intends to reveal possible reasons for the significantly lowered sucrose levels of snrk1α1α2 double mutants of A. thaliana, being defective in SnRK1 activity, in an extended night experiment.
The study covered 6 hours of prolonged darkness with 20 minutes sampling intervals at the beginning. Maximum enzyme activities of sucrose-phosphate synthase, acid and neutral soluble invertase, glucokinase and fructokinase were measured by biochemical assays under optimum conditions. Hexose phosphates and UDP-glucose were quantified via ion chromatography coupled to triple quadrupole mass spectrometry, whereas glucose moieties of leaf starch were analysed via gas chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry. To functionally interpret metabolite and enzyme data in context of the network structure of the central carbohydrate metabolism, a recently published algorithm for functional time series analysis was applied.
Main differences between the genotypes were observed for the beginning of the extended night, when levels of vmax for all measured enzymes simultaneously increased in the wildtype. The most prominent effect was found for invertase activity, as snrk1α1α2 showed a completely different course of regulation. Additionally, starch degradation was impaired in the mutant.
The present study underpins the importance of invertase enzymes for the stabilization of sucrose levels under carbohydrate limitation. It provides initial indications for a putative interaction between SnRK1 and invertase enzymes. Moreover, the simultaneous regulation of key enzymes in the wildtype is indicative of a potential function of SnRK1 in circadian clock processes.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Sucrose carbohydrate metabolism energy limitation extended night SnRK1 Arabidopsis invertase time series analysis SPS
Schlagwörter
(Deutsch)
Kohlenhydratstoffwechsel Energiemangel verlängerte Nacht SnRK1 Arabidopsis Invertase Zeitserienanalyse Saccharose SPS
Autor*innen
Lydia Sophie Priglinger
Haupttitel (Englisch)
Biochemical characterization of the central carbohydrate metabolism in Arabidopsis thaliana during extended night exposure
Paralleltitel (Deutsch)
Biochemische Charakterisierung des zentralen Kohlenhydratstoffwechsels von Arabidopsis thaliana im Zuge eines Experiments mit verlängerter Nacht
Publikationsjahr
2017
Umfangsangabe
VI, 103 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Wolfram Weckwerth
AC Nummer
AC13720189
Utheses ID
41420
Studienkennzahl
UA | 190 | 445 | 299 |