Carbon partitioning in nitrogen-fixing root nodules
Kohlenhydratverteilung in Stickstoff-fixierenden Wurzelknöllchen
by Maria Schubert
Date of Examination:2002-10-30
Date of issue:2003-02-28
Advisor:Prof. Dr. Hans-Walter Heldt
Advisor:Dr. Katharina Pawlowski
Referee:Prof. Dr. Hans-Walter Heldt
Referee:Prof. Dr. Christiane Gatz
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-593
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Description:Dissertation
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Abstract
English
Nitrogen-fixing root nodules represent strong carbon sinks. Sugar partitioning was studied in three different symbiotic systems, namely a legume, Medicago truncatula, and two actinorhizal plants, Casuarina glauca and Datisca glomerata. The expression levels of sucrose synthase (SuSy) and genes encoding sugar transporters were compared in roots and nodules. Legume and actinorhizal symbioses differ with respect to hexose transporter (HT) expression: induction of HT genes was found in nodules of actinorhizal plants Datisca and Casuarina, but HT expression levels in Medicago nodules were strongly reduced compared to roots. Expression levels of sucrose transporter (ST) genes in Medicago nodules were strongly reduced compared to roots.Enzyme activities of three invertase isoforms (vacuolar, apoplastic and cytosolic) and SuSy was determined for roots and nodules. The sum of apoplastic, cytosolic, and vacuolar invertase activities is strongly reduced in nodules compared to roots of all three symbiotic systems studied. The major sucrose-cleaving activity in Medicago and Datisca roots and nodules is represented by SuSy. Extracts from Datisca and Casuarina contain a single immunoreactive SuSy protein band of about 92 kDa. Medicago contains an additional, somewhat larger SuSy isoform in roots, but not in nodules. SuSy activities were similar in soluble protein fractions from both roots and nodules of Medicago, while in Datisca nodules they were lower than in roots.The profiles of soluble sugars analysed in roots and nodules. Two unknown sugars were isolated from Datisca and identified using biochemical methods, NMR and mass spectroscopy. They represented rutinose (α-L-rhamnopyranosyl-(1→6)-D-glucose) and methylrutinose (α-L-rhamnopyranosyl-(1→6)-1-O-methyl-β-D-glucose). Both were present in high amounts in roots, nodules and leaves of Datisca. Sucrose is the major sugar of roots and nodules from Medicago and Casuarina, while the major sugar of Datisca roots and nodules is rutinose.Full-size hexose transporter cDNAs were isolated from Medicago (MtHT) and Datisca (DgHT) nodules. Based on their amino acid sequence, the encoded proteins belonged to different classes of sugar transporters. The functional characterization of DgHT in a heterologous system (yeast) demonstrated that DgHT is a high affinity, energy-dependent monosaccharide transporter with broad substrate specificity, probably an H+-symporter.The implications of these data on sugar partitioning mechanisms are discussed.
Keywords: symbiosis; root nodules; rutinose; sucrose synthase; invertase; hexose transporter; Symbiose; Wurzelknöllchen; Rutinose; Saccharosesynthase; Invertase; Hexosetransporter
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Stickstoff-fixierende Wurzelnknöllchen repräsentieren starke Kohlenstoff- sinks". Die Zucker- verteilung wurde in verschiedenen symbiotischen Systemen untersucht, nämlich in einer Leguminose, Medicago truncatula, und zweier Aktinorhizapflanzen, Casuarina glauca und Datisca glomerata. Die Expressionsniveaus der Gene für Saccharosesynthase (SuSy) und Zuckertransporter in Wurzeln und Knöllchen wurden verglichen. Leguminosen- und Aktinorhizasymbiosen unterscheiden sich in Bezug auf die Expression von Zuckertransportergenen: die Expression des Hexosetransportergens wurde in Knöllchen der Aktinorhizapflanzen Datisca und Casuarina im Vergleich zu Wurzeln induziert, aber in Medicago-Knöllchen stark reduziert. Das Expressionsniveau des Saccharosetransportergens war in Medicago-Knöllchen im Vergleich zu -Wurzeln reduziert.Die Enzymaktivitäten von drei Invertase-Isoformen (vakuolär, apoplastisch und cytosolisch) und von SuSy wurden in Knöllchen und Wurzeln bestimmt. Die Summe von Invertaseaktivitäten ist in Knöllchen im Vergleich zu Wurzeln in allen drei untersuchten symbiotischen Systemen stark reduziert. SuSy repräsentiert die größte Saccharose-spaltende Aktivität in Wurzeln und Knöllchen von Medicago und Datisca. In Extrakten von Datisca und Casuarina findet man eine einzige immunoreaktive SuSy-Proteinbande von etwa 92 kDa. Medicago besitzt zusätzlich ein etwas größeres SuSy-Protein in Wurzeln, aber nicht in Knöllchen. SuSy-Aktivitäten in löslichen Proteinenfraktionen von Wurzeln und Knöllchen von Medicago waren ähnlich, während die Aktivitäten in Datisca-Knöllchen niedriger waren als in Wurzeln.Die Profile löslicher Kohlenhydrate in Wurzeln und Knöllchen wurden analysiert. Zwei unbekannte Zucker wurden aus Datisca isoliert und über biochemische Methoden sowie NMR und Massenspektroskopie identifiziert. Es handelte sich um Rutinose (α-L-rhamnopyranosyl-(1→6)-D-Glucose) und Methyrutinose (α-L-rhamnopyranosyl-(1→6)-1-O-methyl-β-D-Glucose). Beide kamen in großen Mengen in Wurzeln, Knöllchen und Blättern von Datisca vor. Während in Knöllchen von Medicago und Casuarina Saccharose der dominierende Zucker ist, dominiert in Datisca-Knöllchen Rutinose.Die vollständigen cDNAs der Hexosetransporter aus Medicago- (MtHT) und Datisca-Knöllchen (DgHT) wurden isoliert. Basierend auf ihrer Aminosäuresequenz gehören die kodierten Proteine zu verschiedenen Hexosetransporterklassen. Die funktionelle Charakterisierung von DgHT in einem heterologen System (Hefe) zeigte, dass DgHT ein hochaffiner, energieabhängiger Monosacharidtransporter mit breiter Substratspezifität ist, wahrscheinlich ein H+-Symporter.Die Bedeutung dieser Ergebnisse für die Zuckerverteilungsmechanismen in Wurzelknöllchen wird diskutiert.