The relevance of adenylate levels and adenylate converting enzymes on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum L.) tubers

• Main Author: Riewe, David
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2008
• Subjects: Apyrase; ATP; Kartoffel; Stoffwechsel; Nukleosidase; apyrase; potato; metabolism; nucleosidase; Life sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-27323; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2008/2732/

Adenylates are metabolites with essential function in metabolism and signaling in all living organisms. As Cofactors, they enable thermodynamically unfavorable reactions to be catalyzed enzymatically within cells. Outside the cell, adenylates are involved in signalling processes in animals and emerging evidence suggests similar signaling mechanisms in the plants’ apoplast. Presumably, apoplastic apyrases are involved in this signaling by hydrolyzing the signal mediating molecules ATP and ADP to AMP. This PhD thesis focused on the role of adenylates on metabolism and development of potato (Solanum tuberosum) by using reverse genetics and biochemical approaches. To study the short and long term effect of cellular ATP and the adenylate energy charge on potato tuber metabolism, an apyrase from Escherichia coli targeted into the amyloplast was expressed inducibly and constitutively. Both approaches led to the identification of adaptations to reduced ATP/energy charge levels on the molecular and developmental level. These comprised a reduction of metabolites and pathway fluxes that require significant amounts of ATP, like amino acid or starch synthesis, and an activation of processes that produce ATP, like respiration and an immense increase in the surface-to-volume ratio. To identify extracellular enzymes involved in adenylate conversion, green fluorescent protein and activity localization studies in potato tissue were carried out. It was found that extracellular ATP is imported into the cell by an apoplastic enzyme complement consisting of apyrase, unspecific phosphatase, adenosine nucleosidase and an adenine transport system. By changing the expression of a potato specific apyrase via transgenic approaches, it was found that this enzyme has strong impact on plant and particular tuber development in potato. Whereas metabolite levels were hardly altered, transcript profiling of tubers with reduced apyrase activity revealed a significant upregulation of genes coding for extensins, which are associated with polar growth. The results are discussed in context of adaptive responses of plants to changes in the adenylate levels and the proposed role of apyrase in apoplastic purinergic signaling and ATP salvaging. In summary, this thesis provides insight into adenylate regulated processes within and outside non-photosynthetic plant cells. === Adenylate haben essentielle Funktionen in Stoffwechselprozessen und fungieren als Signalmoleküle in allen Organismen. Als Cofaktoren ermöglichen sie die Katalyse thermodynamisch ungünstiger Reaktionen innerhalb der Zelle, und außerhalb der Zelle wirken sie als Signalmoleküle in Tieren und nach neueren Forschungsergebnissen wohl auch in Pflanzen. Vermutlich wird die Signalwirkung von ATP und ADP durch Hydrolyse zu AMP unter Beteiligung apoplastische Apyrasen terminiert. Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Adenylate auf Stoffwechsel- und Entwicklungsprozesse in der Kartoffelpflanze (Solanum tuberosum) mittels biochemischer und revers-genetischer Ansätze. Um kurzfristige und langfristige Einflüsse zellulären ATPs und der Energieladung auf den Stoffwechsel von Kartoffelknollen zu untersuchen, wurde eine mit einem plastidären Transitpeptid fusionierte Apyrase aus Escherichia coli induzierbar und dauerhaft exprimiert. Beide Ansätze führten zur Identifizierung von Anpassungen an eine reduzierte ATP Verfügbarkeit bzw. verringerte Energieladung. Die Anpassungen beinhalteten eine Reduzierung von ATP-verbrauchenden Stoffwechselaktivitäten und Stoffwechselprodukten, wie die Aminosäure- oder Stärkesynthese, und eine Aktivierung von Prozessen, welche die ATP-Bildung oder eine effizientere ATP-Bildung ermöglichen, wie Zellatmung und die Vergrößerung des Oberfächen/Volumen-Verhältnisses der Kartoffelknolle. Extrazelluläre Adenylat-umsetzende Enzyme wurden mit Hilfe des grün fluoreszierenden Proteins und Aktivitätsmessungen identifiziert und charakterisiert. Es wurde ein potentieller ATP Bergungsstoffwechselweg gefunden, der ATP über die Enzyme Apyrase, unspezifische Phosphatase und Adenosin-Nukleosidase zu Adenin umsetzt, welches über eine Purin-Permease in die Zelle transportiert wird. Transgene Manipulation der Aktivität der kartoffelspezifischen Apyrase zeigte, dass dieses Enzym einen großen Einfluss auf die Pflanzen-, insbesondere die Knollenentwicklung hat. Obwohl sich Stoffwechselaktivitäten kaum verändert hatten, führte die Verringerung der Apyrase Aktivität in den Knollen zur übermäßigen Expression von Extensin-Genen, die eine Funktion im polaren Wachstum von Pflanzenzellen besitzen. Die Ergebnisse wurden mit Hinblick auf Anpassungen der Pflanze an veränderte Adenylat-Spiegel und der potentiellen Beteiligung der endogenen Apyrase an einem apoplastischen ATP-Signalweg bzw. ATP-Bergungsstoffwechselweg diskutiert. Zusammengefasst, präsentiert diese Arbeit neue Einsichten in Adenylat-regulierte Prozesse in- und außerhalb nicht-photosynthetischer Pflanzenzellen.