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Reprogramming of plant metabolism in a changing environment
mathematical analysis and experimental quantification
Lisa Fürtauer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*innen
Wolfram Weckwerth ,
Thomas Nägele
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26129.93890.665453-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Zahlreiche Umweltbedingungen beeinflussen die Verbreitung, das Wachstum und den Ertrag von
Pflanzen. Daher ist die Untersuchung von Pflanze-Umweltinteraktionen von zentraler Bedeutung
für die Grundlagenforschung als auch Biotechnologie. In höheren Pflanzen führen sowohl
spontane als auch langfristige Änderungen abiotischer Faktoren, wie zum Beispiel Temperatur
und Lichtintensität, zu einer Anpassung des Stoffwechsels. Diese Anpassung betrifft oftmals
gleichzeitig die molekularen Ebenen des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms sowie der
Kommunikation und Signalgebung zwischen Zellorganellen. Pflanzliche Zellen besitzen einen
stark kompartimentierten Stoffwechsel, weshalb regulatorische Prinzipien oftmals nur mit sehr
hohem Zeit- und Arbeitsaufwand erfassbar sind. Mathematische Modelle des pflanzlichen
Stoffwechsels haben sich bei der Erfassung sowie der quantitativen Analyse komplexer Fragen zu
Pflanze-Umwelt Interaktionen als sehr hilfreich erwiesen.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der stressinduzierten Stoffwechselanpassung in
Arabidopsis thaliana. Zunächst wird eine experimentelle Methode zur Auflösung subzellulären
Metabolitkonzentrationen vorgestellt. Die Trennung zellulärer Fraktionen aufgrund von
Dichtegradienten in Kombination mit Aktivitätsbestimmung spezifischer Markerenzyme und
mathematischen Korrelationsstrategien ermöglichte eine Aussage über Metabolitverteilungen in
den unterschiedlichen Kompartimenten. Diese Methode ermöglichte zudem die Auflösung von
Stoffwechseldynamiken in einer reproduzierbaren und statistisch robusten Art und Weise. In einer
Kälteakklimatisierungsstudie konnten verschiedene regulatorische Prinzipien der
Stoffwechselanpassung zwischen einer kältesensitiven (Cvi) und kältetoleranten (Rschew)
natürlichen Akzession von Arabidopsis thaliana festgestellt werden. Während der subzelluläre
Stoffwechsel der toleranten Akzession durch kälteinduzierte Akkumulation von Zuckern,
organischen Säuren und Aminosäuren geprägt war, war vor allem der Aminosäurestoffwechsel
der sensitiven Akzession durch eine signifikante subzelluläre Verschiebung gekennzeichnet. Für
die Quantifizierung der Beiträge einzelner subzellulärer Kompartimente zur Stabilisierung einer
metabolischen Homöostase während umweltbedingter Fluktuationen wurden verschiedene
mathematische Modelle erstellt und simuliert. Zudem wurden Charakteristika bezüglich des
Stabilitätsverhaltens nach Auslenkung untersucht. Modellsimulationen deuteten darauf hin, dass
der Saccharosestoffwechsel im Blatt durch plastidäre als auch zytosolische Regulation effizienter
stabilisiert wird als durch vakuoläre Regulation.
Um die Anwendbarkeit von mathematischen Analysen mit nicht-linearen Zeitserien-
Experimenten zu ermöglichen, wurde eine Strategie zur Verbindung von dynamischen
metabolischen Funktionen mit biochemischen Netzwerkstrukturen entwickelt. Diese Methode
wurde zur Analyse experimenteller Datensätze verwendet, wobei regulatorisch bedeutende
Zeitpunkte in der täglichen Saccharose-Dynamik sowie der stressinduzierten Flavonoid-
Biosynthese identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden die Auswirkungen eines
kombinierten Kälte- und Hochlichtstresses auf den Stoffwechsel des Arabidopsis-Wildtyps
Columbia-0 analysiert und mit Stoffwechselmutanten des zentralen Kohlenhydratmetabolismus
verglichen. Hierzu wurden Verfahren der statistischen Mustererkennung verwendet, welche eine
Klassifizierung von Metabolit-, Protein- und physiologischen Chlorophyllfluoreszenzdaten
ermöglichte. In Kombination mit multivariater Datenanalyse konnten Komponenten eines
zentralen molekularen Netzwerks identifiziert werden, welches Teil der Stressreaktion aller
analysierten Genotypen war. Dieses Netzwerk umfasste 23 Proteine und verknüpfte
transkriptionelle Regulation mit Stoffwechselwegen des Primär- und Sekundärmetabolismus.
Diese Befunde belegen die Komplexität pflanzlicher Anpassung an sich ändernde
Umweltbedingungen. Gleichzeitig beschreibt diese Arbeit experimentelle und theoretische
Ansätze, welche zu neuen Erkenntnissen im Gebiet pflanzlicher Stressreaktionen führen.
Abstract
(Englisch)
Various environmental factors affect plant distribution, growth and yield. Hence, a central aim of
biological research is to quantify plant-environment interactions. In higher plants, abiotic factors
like temperature and light intensity are well described to induce a reprogramming of metabolism.
Further, plants are able to efficiently adapt to a changing environment, comprising a
reprogramming of the transcriptome, proteome and metabolome as well as communication and
signalling between subcellular organelles. Since higher plants possess one of the most
compartmentalized cells across all kingdoms of life, it is particularly challenging to elucidate
regulatory strategies. Mathematical models, i.e. abstract representation of plant metabolism, have
been shown to be suitable to overcome this limitation and to facilitate quantitative analysis of
plant-environment interactions.
The present work comprises different attempts to unravel reprogramming of metabolism in
Arabidopsis thaliana upon abiotic stress factors. First, an experimental method for resolving and
assigning metabolites to their subcellular compartment is described. Separation of cellular
fractions via density gradients combined with marker enzyme assays and applied mathematical
correlation strategies revealed metabolite distributions across compartments. The method is
applicable to elucidate metabolome dynamics in a fast and statistically robust manner. Applied to
a cold acclimation experiment different strategies of metabolic reprogramming in a cold sensitive
(Cvi) and cold tolerant (Rschew) accession were observed. While the Rschew accession was
characterized by a stable subcellular metabolic constitution resulting in an accumulation of
primary metabolites, especially amino acid metabolism was strongly deregulated in the Cvi
accession. To quantify the contribution of subcellular compartmentation to stabilization of a
metabolic homeostasis, stability characteristics during environmental fluctuations were simulated
by a mathematical model. Simulation of several millions of possible enzyme kinetic parameter
constellations revealed diverse stabilizing contribution of different subcellular compartments. In
summary, cytosolic and plastidial control of sucrose metabolism was found to stabilize metabolism
more efficiently than under vacuolar control.
To make mathematical analysis applicable to nonlinear time series experiments, a strategy for the
connection of dynamic metabolic functions with biochemical network structure was developed
and applied to a set of experimental time course data. Mathematical analysis of diurnal sucrose
dynamics and stress-induced flavonoid biosynthesis revealed time points of metabolic regulation.
Additionally, a combined cold and high light experiment of mutants being perturbed in the central carbohydrate metabolism of sucrose and starch was performed. Stress induced dynamics of
primary metabolites and proteins were recorded which were applied to generate a statistical model
for pattern recognition in plant stress response. This approach revealed a molecular network with
a highly significant stress reaction across all analyzed genotypes. The identified network
comprised 23 proteins with diverse molecular functions connecting transcriptional regulation with
primary and secondary metabolism.
In conclusion, interconnected reprogramming of plant metabolism during abiotic stress affects
diverse molecular levels. The combination of several experimental, methodological and
mathematical strategies presented in this work provide new insights into complex plantenvironment
interactions.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Arabidopsis thaliana plant metabolism subcellular analysis cold acclimation non-aqueous fractionation stability network eigenvalue systems biology time series analysis abiotic stress machine learning
Schlagwörter
(Deutsch)
Arabidopsis thaliana subzelluläre Analysen pflanzlicher Stoffwechsel Kälteakklimatisierung nicht-wässrige Fraktionierung Stabilität Netzwerk Eigenwert Systembiologie Zeitserienanalysen Abiotischer Stress Mustererkennung
Autor*innen
Lisa Fürtauer
Haupttitel (Englisch)
Reprogramming of plant metabolism in a changing environment
Hauptuntertitel (Englisch)
mathematical analysis and experimental quantification
Paralleltitel (Deutsch)
Anpassungen des pflanzlichen Stoffwechsels an veränderte Umweltbedingungen : mathematische Analysen und experimentelle Quantifizierungen
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
135 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Thomas Sauter ,
Raimund Tenhaken
AC Nummer
AC15065533
Utheses ID
46481
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |