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Effects of low temperature on photosynthesis and primary metabolism in Arabidopsis thaliana
Jakob Weiszmann
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Biologie)
Betreuer*innen
Wolfram Weckwerth ,
Thomas Nägele
DOI
10.25365/thesis.65493
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20500.85145.844852-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In ihrem natürlichen Lebensraum sind Pflanzen großen Schwankungen abiotischer Faktoren, wie zum Beispiel Licht und Temperatur, ausgesetzt. Ein zentraler Schwerpunkt pflanzenbiologischer Forschung ist es, ein quantitatives Verständnis davon zu entwickeln, wie Pflanzen auf veränderte klimatische Bedingungen reagieren und sich daran anpassen. Die Wahrnehmung von Stimuli aus der Umwelt sowie die Anpassung an dynamische Umweltbedingungen stellen vielschichtige Prozesse dar. Niedrige Temperaturen können dramatische Auswirkungen auf Nutzpflanzenertrag haben, weshalb ein detailliertes Verständnis der Anpassungsmechanismen von Pflanzen an Kälte nicht nur für die Grundlagenforschung von zentraler Bedeutung ist. Kälteexposition löst bei vielen Pflanzenarten der gemäßigten Zone eine biochemische Signalkaskade aus, die schließlich zur Akklimatisierung sowie zu einer erhöhten Kälte- und Frosttoleranz führt. Diesem Kälteakklimatisierungsprozess liegt eine komplexe Umprogrammierung des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms zugrunde, welcher zwischen verschiedenen Zellkompartimenten abläuft. Aufgrund ihrer natürlich vorkommenden genetischen Varianz und Kältetoleranz stellt Arabidopsis thaliana ein attraktives Modellsystem zur Analyse pflanzlicher Kältetoleranz- und Akklimatisierungsmechanismen dar.
Um komplexe und zeitdynamische Stoffwechselprozesse quantitativ erfassen zu können, wurde in der vorliegenden Arbeit eine neue Methode der Zeitseriendatenanalyse entwickelt. Diese Methode ermöglicht, basierend auf Ableitungsfunktionen, Änderungen von biochemischen Substrat-Produkt-Interkationen im Kontext eines biochemischen Reaktionsnetzwerksdarzustellen und zentrale metabolische Reaktionsmechanismen zu identifizieren.
Die Regulation enzymatischer Saccharosesynthese und -spaltung spielt eine zentrale Rolle bei der pflanzlichen Kältereaktion. Durch Kombination subzellulärer Zuckeranalysen und kinetischer Modellierung konnte eine Stabilisierungsfunktion vakuolärer Saccharosespaltung auf den Photosyntheseapparat aufgezeigt und in einem revers genetischen Ansatz validiert werden.
Um den Einfluss niedriger Temperaturen auf Stoffwechselregulation zu untersuchen, wurde eine umfassende Studie mit einer großen Anzahl von Akzessionen durchgeführt, in der die Unterschiede in der Reaktion zentraler Stoffwechselwege auf kalte Wachstumsbedingungen und der Zusammenhang dieser Reaktionen mit der genetischen Varianz und den Klimaparametern am Ursprungsort untersucht wurden. In dieser Studie wurde eine starke Korrelation zwischen den Temperaturen von Januar bis März am Ursprungsort dieser Akzessionen und dem Ausmaß der metabolischen Reaktion auf Kälte festgestellt. Es wurden Unterschiede im Saccharosestoffwechsel zwischen Akzessionen aus kaltem und warmem Klima beobachtet und Produkte wie Glukose und Fruktose wurden in unterschiedlich starkem Ausmaß in der Kälte akkumuliert. Weiters wurden Unterschiede in der Sensitivität des Fumaratstoffwechsels beobachtet, die mit SNPs (Einzelnukleotid-Polymorphismen) in der Promotorregion eines FUMARASE-Gens verbunden waren. Zusätzlich wurde die Bedeutung der Regulation des Metabolismus von verzweigtkettigen Aminosäuren beim Wachstum unter niedrigen Temperaturen gezeigt.
Schließlich beschreibt diese Arbeit die Plastizität der Stoffwechselregulation in A. thaliana und den starken Zusammenhang von Veränderungen des Stoffwechsels als Reaktion auf niedrige Temperaturen mit dem Ursprungsklima. Darüber hinaus wurde die Bedeutung der subzellulären Verteilung des Kohlenhydratstoffwechsels veranschaulicht und ein Zusammenhang zwischen vakuolären und plastidialen Reaktionen auf Kälte hergestellt.
Abstract
(Englisch)
In their natural habitats, plants are exposed to significant fluctuations of environmental conditions. A central aim of plant biology research is to understand how plants react and adapt to changing climatic conditions. Still, the sensing of external cues as well as the mechanisms of response to changes in environmental conditions harbour many unknowns. Low temperature can have devastating effects on crops, which makes the investigation of cold response in plants a topic of high importance. The exposition of plants to low temperature triggers a cascade of reactions, which can lead to an acclimation process finally resulting in increased cold and freezing tolerance. This cold acclimation process invokes an intricate reprogramming of the transcriptome, proteome and metabolome as well as complicated regulation processes between different cell compartments. Due to the prevalence of thousands of genetically distinct ecotypes with a broad spectrum of cold resistance, Arabidopsis thaliana poses an optimal organism to investigate different strategies in stress response and acclimation.
Here, a new method of data analysis, which allows the investigation of changes in dependencies of metabolites in a time continuous and biochemically feasible manner was explored and developed.
The combination of experimentally determined parameters with a metabolic modelling approach revealed different strategies of subcellular sucrose allocation during cold acclimation in cold sensitive and tolerant accessions. A cold-induced increased proportion of vacuolar sucrose cleavage positively correlated with freezing tolerance and stability of the photosynthetic apparatus during cold exposure which was finally validated in a mutant line with a deficiency in vacuolar invertase activity.
Growth and reprogramming of primary metabolism under moderate (16°C) and low (6°C) temperature was analysed using a panel of 241 natural Arabidopsis accessions. A strong, significant correlation was revealed between temperatures of January to March at the geographical origin of these accessions and the intensity of metabolic response to cold. It was demonstrated that accessions from colder climates initiated a much stronger, but also more variable, reprogramming of metabolism compared to accessions from warmer climate. Vice versa, accessions from warmer climate showed a low variance in their metabolic response and therefore reacted to a lesser extent. Strong differences in sucrose metabolism between accessions from cold and warm climates as well as variances in the sensitivity of fumarate metabolism, which was connected to SNPs in the promotor region of a FUMARASE gene, were observed. Additionally, the importance of the regulation of branched chain amino acid metabolism in low temperature growth was demonstrated.
Finally, the work in this thesis demonstrated the plasticity in metabolic regulation within A. thaliana and the strong connection of changes in metabolism in response to low temperature with the climate of origin. Furthermore, the importance of subcellular distribution of carbohydrate metabolism was illustrated and a link between vacuolar and plastidial reactions to cold was established.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Arabidopsis cold acclimation metabolism metabolic modelling reprogramming sugar cleavage invertase subcellular time series Jacobian matrix natural variation data analysis
Schlagwörter
(Deutsch)
Arabidopsis Kälte Akklimatisierung Metabolismus metabolische Modellierung Reprogrammierung Zuckerspaltung Invertase subzellulär Zeitserien Jacobi Matrix natürliche Variation Datenanalyse
Autor*innen
Jakob Weiszmann
Haupttitel (Englisch)
Effects of low temperature on photosynthesis and primary metabolism in Arabidopsis thaliana
Paralleltitel (Deutsch)
Der Einfluss von Kälte auf Photosynthese und Primärmetabolismus in Arabidopsis thaliana
Publikationsjahr
2020
Umfangsangabe
140 Seiten : Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Kerstin Niehaus ,
Ilse Kranner
Klassifikationen
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines ,
35 Chemie > 35.26 Massenspektrometrie ,
35 Chemie > 35.70 Biochemie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.00 Biologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.38 Botanik: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.41 Pflanzenphysiologie ,
42 Biologie > 42.47 Spezielle Botanik: Allgemeines
AC Nummer
AC16132905
Utheses ID
58009
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |