Evaluation of the role of mitochondrial citrate synthase, mitochondrial and cytosolic isoforms of isocitrate dehydrogenase in tomato leaf metabolism

• Main Author: Sienkiewicz-Porzucek, Agata
• Other Authors: Grimm, Bernhard
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I 2010
• Subjects: Tomaten; Citratzyklus; Kohlenstoff-Metabolismus; Stickstoff-Metabolismus; Mitochondrien; tomato; TCA cycle; carbon metabolism; nitrogen metabolism; mitochondria; 580 Pflanzen (Botanik); 32 Biologie; WN 3300; ddc:580
• Online Access: http://edoc.hu-berlin.de/18452/16726; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:11-100106213; http://dx.doi.org/10.18452/16074

Der Citratzyklus (TCA) ist einer der bedeutendsten Stoffwechselwege für alle lebenden Organismen. Trotz der zentralen Rolle dieses Prozesses im Pflanzenmetabolismus ist er nur relativ wenig untersucht worden. In dieser Arbeit berichte ich über die Produktion und die funktionale Analyse von Tomatenpflanzen (Solanum lycopersicum), die unabhängig eine leicht eingeschränkte Aktivität der mitochondrialen Citrat-Synthase (CS) und zweier Isocitrat-dehydrogenasen (mitochondriale NAD-IDH und cytosolische NADP-ICDH) zeigen. Die transgene Pflanzen wiesen mehrheitlich keine erkennbare Veränderung eines Wachstumphänotyps auf. Obwohl die photosyntetische Leistung keine Änderungen gezeigt hatte, war die mitochondriale Respiration gestiegen, begleitet von einem reduzierten Kohlenstoff-fluss durch den Citratzyklus. Darüber hinaus waren die CS Pflanzen charakterisiert durch wesentliche Änderungen im Blattmetabolismus, einschließlich eines eingeschränkten Niveaus des photosynthetischen Pigments und Zwischenprodukten des Citratzyklus zusammen mit einer Akkumulation von Nitraten, verschiedenen Aminosäuren und Stärken. Zusammengefasst deuten diese Ergebnisse auf eine Einschränkung der Nitrat-Aufnahme hin. Das mit Hilfe von TOM1 Mikroarrays und quantitativer RT-PCR durchgeführte Transcript-profiling hat gezeigt, dass die fehlende Aktivität der mitochondrialen CS teilweise von einer gestiegenen, peroxisomalen CS Isoform ausgeglichen wird. Die metabolische Verschiebung ergab eine Verstärkung der photorespiratorischen Leistung, die vermutlich eine ausgleichende Rolle in der Produktion organischer Säuren und der Wiederherstellung der Redox-Balance spielt. Interessantenweise war die metabolische Antwort von Blättern auf Stickstoffmangel in NADP-ICDH Pflanzen dramatischer als in NAD-IDH Pflanzen, was darauf hindeutet, dass die cytosolische Isoform der Hauptlieferant von 2-Oxoglutarat im Tomatenmetabolismus sein könnte. === Although the TCA cycle is a respiratory metabolic pathway of central importance for all living organisms, relatively few molecular physiological studies of plants were performed to date. Here, I report the generation and functional analysis of tomato plants (Solanum lycopersicum) independently displaying mildly limited activity of mitochondrial citrate synthase (CS) and two isocitrate dehydrogenases, namely mitochondrial NAD-IDH and cytosolic NADP-ICDH. The transgenic plants revealed minor phenotypic alterations. Although the leaf photosynthetic performance was largely unaltered, the changes in mitochondrial respiration and carbon flux through the TCA cycle were observed. Moreover, the plants were characterized by significant modifications in the leaf metabolic content and in maximal catalytic activities of several enzymes involved in primary C and N metabolism. These results hint towards limitations in nitrate assimilation pathway. The transcript profiling performed by utilizing TOM1 microarrays and quantitative RT-PCR approach revealed that the deficiency in mitochondrial CS activity was partially compensated by up-regulation of peroxisomal CS isoform. The limitations in the activities of isocitrate dehydrogenases resulted in up-regulation of the photorespiratory pathway, which presumably played a compensatory role in supporting organic acid production and re-establishing redox balance in the transgenic leaves. Interestingly, the leaf metabolic response towards nitrogen starvation conditions was far more dramatic in NADP-ICDH transgenic plants than NAD-IDH plants, hinting that the cytosolic isoform may be the major 2-oxoglutarate supplier in tomato metabolism.