Änderung der Glycindecarboxylase- und Serinhydroxymethyltransferase-Aktivität in Blättern:
Wirkungen auf die Photosynthese und den Stickstoff- und Kohlenstoff-Metabolismus
Manipulation of glycine decarboxylase and serine hydroxymethyl transferase activity in leaves
Effects on photosynthesis and N- and C-metabolism
by Gerardo Esteban Antonicelli
Date of Examination:2005-01-26
Date of issue:2005-09-28
Advisor:Prof. Dr. Dieter Heineke
Referee:Prof. Dr. Dieter Heineke
Referee:Prof. Dr. Hans-Walter Heldt
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
In C3/C4-intermediate plant species, photorespiration is avoided by compartmentation of CO2 evolution and glycine production in the bundle sheath of the leaves. This CO2 concentration mechanism is based on the exclusive compartmentation of the glycine decarboxylase (GDC) activity in the bundle sheath cells. The establishment of this mechanism in a C3 plant requires the suppression of GDC activity in the mesophyll and the simultaneous increase of this activity in the cells around the vascular bundle.In the present study, the cDNA encoding the P-protein of the GDC from Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. under control of a leaf-specific, a mesophyll-specific and a bundle-sheath specific promoter, respectively, was successfully overexpressed in tobacco plants. In addition mesophyll-specific P-protein and leaf-specific SHMT gene antisense potato plants were used to investigate the effects of a reduction of the capacity for the conversion of serine to glycine on photosynthesis and on C- and N-metabolism. Leaves of P-protein gene antisense plants accumulated glycine during the light period; this accumulation was more pronounced in older leaves. Chlorophyll contents and CO2 assimilation rates were mostly unchanged in younger leaves. Neither limitation of linear electron transport nor induction of non-photochemical dissipation mechanisms was found in these leaves; no increase of glyoxylate concentrations was found either. Leaves of P-protein gene antisense lines developed chlorosis during growth. The development of chlorosis was dependent of leaf age, plant age, light intensity, changes in the CO2 concentration during growth as well as of the N-nutrition. In the first steps of this process, leaves showed a slight reduction in chlorophyll concentrations, reduced CO2 assimilation rates and photoinhibition. Leaves with reduced CO2 assimilation under growth conditions showed a stronger dependence of CO2 assimilation rates on photorespiration than leaves with normal CO2 assimilation rates. The linear electron transport was limited in this case. An increase of glyoxylate levels and a concomitant decrease of glycerate-3-phosphate levels were observed as well, indicating that the flow rate through the C2-cycle was limited under these conditions. In parallel, P-protein levels were reduced in the leaves of the transgenic lines in a leaf age- and N-supply-dependent manner. The results of this work offer the possibility to go further steps on the way to transform C3 plants into C3/C4-intermediate plants.
Keywords: photorespiration; C<sub>3</sub>/C<sub>4</sub>-intermediate plants; glycine decarboxylase; serine hydroxymethyl transferase; photosynthese; nitrogen and carbon metabolism; Solanum tuberosum L.; Nicotiana tabacum L.
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In C3/C4-intermediären Pflanzenarten wird die Photorespiration durch Kompartimentierung der photorespiratorischen CO2-Freisetzung aus Glycin in den Bündelscheidenzellen vermindert. Dieser CO2-Konzentrierungsmechanismus beruht auf der ausschließlichen Kompartimentierung der Glycindecarboxylase (GDC)-Aktivität in den Bündelscheidenzellen der Blätter. Die Etablierung eines solchen Mechanismus in einer C3-Pflanze erfordert die Suppression der GDC-Aktivität im Mesophyll und gleichzeitig die Erhöhung dieser Aktivität in den leitbündelnahen Zellen.In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die cDNA für das P-Protein der GDC aus Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. unter Kontrolle eines blattspezifischen, eines mesophyllspezifischen bzw. eines bündelscheidenspezifischen Promotors in Tabakpflanzen zu überexprimieren. Außerdem wurde anhand mesophyllspezifischer P-Antisense- und blattspezifischer SHMT-Antisense-Kartoffelpflanzen untersucht, welche Auswirkungen einer Reduktion der Kapazität der Umwandlung von Serin in Glycin auf die Photosynthese und den C- und N-Metabolismus hat, und welche Signale zur Bildung einer Chlorose in älteren Blättern der Antisense-Pflanzen führen. Blätter der P-Antisense-Pflanzen akkumulierten Glycin während der Lichtperiode; diese Akkumulation war größer in älteren Blättern. In den jüngeren Blättern waren der Chlorophyllgehalt und die CO2-Assimilation meistens unverändert. Es wurde keine Limitation des linearen Elektronentransports und keine Induktion von nicht-photochemischen Dissipationsmechanismen in diesen Blättern festgestellt; es wurde auch kein Anstieg der Glyoxylatkonzentration gefunden. Blätter der P-Antisense-Linien bildeten während des Wachstums einen Chlorose-Phänotyp. Die Bildung der Chlorose war abhängig von Blattalter, Pflanzenalter, leichten Änderungen der CO2-Konzentration während des Wachstums und von der N-Versorgung. In den ersten Schritten dieses Prozesses zeigten die Blätter geringfügig weniger Chorophyll, reduzierte CO2-Assimilationsraten und Photoinhibition. Der lineare Elektronentransport war in diesen Fällen limitiert. In diesen Blättern wurde ebenfalls ein Anstieg an Glyoxylat und eine Abnahme des Spiegels an Glycerat-3-Phosphat beobachtet. Blätter mit reduzierter CO2-Assimilation zeigten außerdem unter Anzuchtbedingungen eine stärkere Abhängigkeit der CO2-Assimilationsraten von der Photorespiration als Blätter mit normalen CO2-Assimilationsraten. Dies deutet darauf hin, dass die Flussraten durch den C2-Zyklus unter diesen Bedingungen limitiert waren. Parallel zu diesen Beobachtungen wurde eine Blattalter- und N-Versorgungs-abhängige Reduktion der Menge an P-Protein in den Blättern der P-Antisense-Linien festgestellt. Die Ergebnisse dieser Arbeiten bieten die Voraussetzung für die Möglichkeit, weitere Schritte auf dem Weg, C3-Pflanzen in C3/C4-intermediäre Pflanzen zu überführen, zu gehen.
Schlagwörter: Photorespiration; C<sub>3</sub>/C<sub>4</sub>-intermediäre Pflanzen; Glycindecarboxylase; Serinhydroxymethyltransferase; Photosynthese; Stickstoffmetabolismus; Kohlenstoffmetabolismus; Solanum tuberosum L.; Nicotiana tabacum L.