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Thesis (MSc (Plant Biotechnology))--University of Stellenbosch, 2007. / Sugarcane is cultivated because of the high levels of sucrose it stores in its internodes. Starch metabolism has been a neglected aspect of sugarcane research despite the problems caused by it during sugarcane processing. Currently there is no information available on the starch content in different South African commercial sugarcane varieties. This project had two main aims of which the first was to determine the starch content in the internodal tissues of six commercial sugarcane varieties. The activities of ADP-Glucose Pyrophosphorylase (AGPase) and β- amylase were also determined. The second aim of the project was to manipulate starch metabolism in sugarcane using transgenesis. To achieve this, transformation vectors for the down-regulation of AGPase activity and over-expression of β-amylase activity were designed. These vectors were then used to transform sugarcane calli and the results were analysed in suspension cultures. Starch levels in sugarcane internodal tissue increased more than 4 times from young to mature internodes. There were also large differences between varieties. When mature tissues of different varieties were compared, their starch concentration varied between 0.18 and 0.51 mg g-1 FW, with the majority of the varieties having a starch concentration between 0.26 and 0.32 mg g-1 FW. NCo376’s starch concentration was much lower than the rest at 0.18 mg g-1 FW and N19’s was much higher at 0.51 mg. g-1 FW. There was also a very strong correlation between starch and sucrose concentration (R2 = 0.53, p ≤ 0.01) which could be due to the fact that these metabolites are synthesized from the same hexose-phosphate pool. No correlation was evident between starch concentration and AGPase activity. This was true for correlations based on either tissue maturity or variety. β-amylase activity expressed on a protein basis was almost 5 times higher in the young internodes compared to mature internodes, suggesting that carbon might be cycled through starch in these internodes. AGPase activity in the transgenic suspension cultures was reduced by between 0.14 and 0.54 of the activity of the wild type control. This reduction led to a reduction in starch concentration of between 0.38 and 0.47 times that of the wild type control. There was a significant correlation between the reduction in AGPase activity and the reduction in starch (R2 = 0.58, p ≤ 0.05). β-amylase activity in the transgenic suspension cultures was increased to 1.5-2 times that of the wild type control. This led to a reduction in starch concentration of between 0.1 and 0.4 times that of the wild type control. Once again the increase in β-amylase activity could be correlated to the reduction in starch concentration of the transgenic suspension cultures (R2 = 0.68, p ≤ 0.01). In both experiments there was no significant effect on sucrose concentration.

Avena sativa L. (2n = 6x = 42, AACCDD genome composition) or common oat is the cereal grain possessing the highest levels of water-soluble seed (1-3,1-4)-β-D-glucan (β-glucan), a hemicellulose important to human health due to its ability to lower serum LDL cholesterol levels. Understanding the mechanisms of β-glucan accumulation in oat endosperm is, consequently, of great interest. We report a genome-wide association study (GWAS) to identify quantitative trait loci (QTLs) controlling β-glucan production in oat, identifying 58 significantly associated markers. Synteny with the barley (Hordeum vulgare L.) genome identified four major regions of interest, the CslF and CslH gene families along with UGPase and AGPase as candidate genes. Subgenome-specific expression of the A, C, and D homoeologs of major β-glucan synthase AsCslF6 revealed that AsCslF6_C is the least expressed in all tissue types and time points, with low-β-glucan varieties recording the highest proportion of AsCslF6_C expression. In order to further investigate the candidate genes identified in our GWAS study and gain a greater understanding of the other cell wall polysaccharides that comprise the total fiber content in oat we sought to characterize five additional genes. Accordingly, we cloned and sequenced the three homoeologs of AsUGP and AsAGPS1. AsAGPS1 is the small subunit 1 gene of the enzyme ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), which is responsible for catalyzing the first committed step in the starch biosynthesis pathway through the production of ADP-glucose. AsUGP is the gene the codes for UDP-glucose pyrophosphorylase (UGPase) an enzyme responsible for the reversible production of UDP-glucose (UDPG). UDPG is used directly or indirectly as a precursor for the biosynthesis of cell wall polysaccharides. In high β-glucan mutant line ‘OT3044’ we observed increased expression of AsUGP with a corresponding reduction of AsAGPS1 expression. Similarly, we observed an inverse expression pattern in low-fiber mutant line ‘OT3018’, wherein AsUGP expression was decreased in favor of AsAGPS1 expression. Further, we also found evidence that these changes in both AsUGP and AsAGPS1 expression are due primarily to up- or down-regulation in the A-genome homoeoalleles. Additionally, we characterized genes in the CslC family (CslC4, CslC9) and CslA family (CslA7) responsible for xyloglucan and glucomannan synthesis, respectively. High-fiber line ‘HiFi’ showed the least amount of overall expression of these three genes, raising the possibility that the increased β-glucan is due to a reduction in other hemicelluloses. After analyzing homoeolog-specific expression in multiple genes we observed that the A genome consistently had the most highly expressed homoeoallele, hinting at a universal preference for expression of this subgenome. We present hypotheses regarding multiple points in carbohydrate metabolism having the potential to alter β-glucan content in oat.

Während der Entwicklung von Früchten der Tomate (Sorte Micro-Tom) wurde der Kohlenhydrat-Stoffwechsel untersucht. Es wurde ein Unterschied zwischen dem Metabolismus im Perikarp und dem des Plazenta-Gewebes gefunden. Stärke wurde in der Plazenta langsamer abgebaut als im Perikarp, während lösliche Zucker im Perikarp stärker akkumulierten. Die Aktivitäten der glykolytischen Enzyme tendierten zu einem Maximum 40 Tage nach der Blüte. Weiterhin wurde die Expression einiger plastidärer Transporter untersucht. Sowohl der Triosephosphat-Tranporter (TPT) als auch der Glucose-6-phosphat-Transporter wurden am stärksten in grünen Früchten exprimiert, während der Reife nahm die Expression ab. Der ATP/ADP-Transporter wurde während der Fruchtentwicklung nur schwach exprimiert.Es besteht die Hypothese, daß die Rolle der drei Enzyme plastidäre Fructose-1,6-Bisphosphatase (cp-FBPase), ADP-Glucose Pyrophosphorylase (AGPase) und Glucan Wasser Dikinase (GWD) darin besteht, die Stärke-Akkumulation in der frühen Entwicklung der Tomaten-Frucht zu beeinflussen. Diese Hypothese wurde unter Verwendung der Antisense-Technik für die plastidären FBPase (unter der Kontrolle des B33 Promoters), sowie für die AGPase und die GWD (beide unter der Kontrolle des CaMV 35S-Promoters) in der Tomaten-Kultivar Moneymaker untersucht. Die Repression von plastidärer FBPase oder AGPase in der Frucht der Tomate scheint die Metaboliten-Konzentrationen nicht so stark wie in den Blättern zu beeinflussen. Der Grund hierfür ist wahrscheinlich, daß jede Veränderung durch die Fähigkeit der Frucht, Zucker zu importieren, abgepuffert wird. Auf der anderen Seite hatte die Repression des GWD Proteins in der Frucht der Tomate starke Effekte auf die Metaboliten-Konzentrationen. / Carbohydrate metabolism was studied during the development of fruits of the tomato cultivar Micro-Tom. The metabolism of the pericarp and placental tissues was found to be different. Starch being degraded more slowly in the placenta than in the pericarp, while soluble sugars accumulated to a greater extent in the pericarp. The activities of glycolytic enzymes tended to peak at 40 days after flowering. The expression of some plastidial transporters was also studied. Both the triose phosphate transporter (TPT) and Glucose-6-Phosphate (Glc-6-P) transporter were expressed greatest in green fruits, before declining. The expression of the triose phosphate transporter (TPT) was greater than that of Glc-6-P transporter. The ATP/ADP transporter was expressed to a low level throughout fruit development. The role of three enzymes Chloroplastic Fructose-1,6-bisphosphatase (cp-FBPase), ADP-glucose Pyrophosphorylase (AGPase) and Glucan Water Dikinase (GWD) protein are thought to influence the accumulation of starch in early development in tomato fruit were studied in normal sized tomatoes of the cultivar Moneymaker using antisense technique under the control of the patatin B33 promoter in the case of cp-FBPase, and the CaMV 35S promoter in the case of AGPase and GWD protein. It appears that repression of cp-FBPase and AGPase in tomato fruits does not influence metabolite levels as greatly as it does in leaves, possibly because any alterations are buffered by the ability of the fruit to import sugars. On the other hand, the repression of GWD protein in tomato fruits has a strong effect on metabolite levels.

Das Polysaccharid-Glykogen ist aus vielen Bakterien wie auch Eukaryoten bekannt. Es enthält ausschließlich über α1-4 Bindungen verknüpfte Glucoseeinheiten, die über α1-6-Bindungen verzweigt sind. Generell ist es als ein Speichermolekül anzusehen, das sowohl Kohlenstoff- als auch Energiequelle unter Stressbedingungen darstellt. Es ermöglicht die Aufrechterhaltung der Integrität der Zelle und die Erhaltung der notwendigen Stoffwechselvorgänge und führt zum Schutz einiger Zellbestandteile. In Bakterien ist die Regulation der Glykogen-Biosynthese durch die Kontrolle der Expression der Gene glg möglich. Der erste Schritt der Synthese ist die Bildung von ADP-Glucose aus Glucose-1-Phosphat durch ADP-Glucose-Pyrophosphorylase (ADP-Glc-PPase; ATP: α-d-glucose-1-Phosphat adenylyltransferase, EC 2.7.7.27), kodiert vom Gen glgC, gefolgt von den Reaktionen der Glykogen-Synthase (EC 2.4.1.21) und des Verzweigungsenzyms (EC 2.4.1.18), von dem die Genen glgA und glgB Genen kodiert sind. Der entscheidende Regulierungsschritt der Glykogen-Biosynthese in prokaryotischen Organismen, ist die durch ADP-Glc-PPase katalysierte Reaktion, die zur Bildung von ADP-Glukose und Pyrophosphat aus ATP und D-Glucose-1-Phosphat führt. Eine vergleichende Analyse des Glykogen-Biosynthese-Genclusters in Gram-negativen und Gram-positiven Bakterien zeigte, dass einige Gram-positive Spezies aus der Gattung Bacillus und Clostridium und den Milchsäurebakterien zwei Gene (glgC und glgD) besitzen. Sie kodieren für Proteine, die der ADP-Glc PPase ähnlich sind. Es wurde dokumentiert, dass GlgC und GlgD die Untereinheiten eines α2β2-Typ heterotetrameren Struktur bilden. Allerdings ist die Rolle von glgD bei Gram-positiven Bakterien noch unklar. Nur eine regulatorische Rolle des glgD in Bacillus stearothermophilus, ohne erkennbare enzymatische Aktivität des Protein-Produkts von GlgD ist bisher bekannt. In Bacillus subtilis und Streptomyces coelicolor hängt die Glykogen-Synthese mit der Sporulation und der Versorgung mit notwendigen Ressourcen zur Differenzierung zusammen. Die enzymatischen Aktivitäten der Glg Proteine, vor allem die Funktion von GlgD, welches Ähnlichkeiten in der Aminosäurensequenz mit GlgC zeigt, sind nicht charakterisiert. Demzufolge war der Schwerpunkt dieser Arbeit auf die Untersuchung der Funktion des glgC-homologen glgD Gens in einigen Michsäurebakterien (lactic acid bacteria, LAB) gerichtet. LAB sind eine Gruppe von fakultativ anaeroben, nicht pathogenen, nicht sporenbildenden grampositiven Bakterien mit wichtigen Funktionen für die menschliche Gesundheit und die Lebensmittelindustrie. Die vorliegende Arbeit ist auf die detaillierte funktionelle Analyse der beiden Gene glgC und glgD konzentriert, welche in den glgCDAP-B bzw. glgBCDAP Operons von Lactococcus lactis subsp. cremoris MG1363 und Lactobacillus plantarum WCFS1 liegen. Insbesondere war die Untersuchung der Funktion des glgC-homologen glgD Gens in LAB von Interesse für das Verständnis der Funktion des Speicher-Polysaccharids in dieser Organismengruppe. Mehr Informationen über die Funktion von glgD könnten dazu beitragen, den Mechanismus der Synthese und / oder Regulierung von Glykogen in dieser Bakteriengruppe zu verstehen und möglicherweise intrazelluläre Polysaccharidbildung (IPS) mit probiotischen Eigenschaften bestimmter Arten von LAB zu verknüpfen. Versuche zur funktionellen Charakterisierung dieser Gene schlossen derer Expression in verschiedenen E. coli Stämmen ein, dies gelang für alle Zielproteine in Form von unlöslichen Inclusion-bodies. Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Bildung von Inclusion-bodies zu verhindern und eine größere Menge an löslichem Protein zu erhalten. Verschiedene Ansätze, wie Expression bei niedrigen Temperaturen, Wachstum unter Stress und Co-Expression mit verschiedenen Chaperonen sowie die Rückfaltung des Proteins aus Inclusion-bodies, waren nicht erfolgreich. Es war jedoch möglich, mittels einer Fusionsexpressionsuntersuchung der Gene glgC und glgD von Lb. plantarum WCFS1zu zeigen, dass es unter speziellen Wachstumsbedingungen eine Zunahme der Löslichkeit der Proteinfraktion um bis zu 50% im Vergleich zu den Standard-Zustand gab. Experimentell wurde nachgewiesen, dass die Proteine GlgC und GlgD stark miteinander interagieren. Beide Proteine scheinen Untereinheiten zu sein, die das voll aktive Enzym bilden. Das führt zum Modell bei dem α-und β-Untereinheiten eine heterotetrameren Struktur bilden, wie es schon zuvor im Gram-positiven Bakterium Bacillus stearothermophilus beschrieben worden ist. In dieser Studie konnte erstmals gezeigt werden, dass die GlgC und GlgD Proteine von Milchsäurebakterien miteinander interagieren. Außerdem wurde in dieser Studie auch eine niedrige, ATP-abhängige enzymatische Aktivität der GlgD Protein in Abwesenheit von GlgC beobachtet. Die Fähigkeit des GlgD Proteins ADP-Glc zu produzieren deutet auf eine mögliche auch katalytische und regulatorische Funktion des Proteins hin. Die ADP-Glc-PPase Aktivität wird offenbar in bestimmten LAB durch einen Protein-Komplex gebildet, der durch die Gene glgC und glgD kodiert wird. Diese Gene sind in folgenden LAB-Stämmen konserviert: Lactococcus lactis subsp. cremoris MG1363 und Lactobacillus plantarum WCFS1. Darüber hinaus weisen erfolglose Versuche zur von glgD getrennten Expression von glgC auf die Wichtigkeit von GlgD für die stabile und lösliche Expression von GlgC hin, der genaue Grund dafür ist unbekannt. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die vielen regulatorischen Aspekte des Glykogen Metabolismus in LAB sowohl auf Transkriptions- wie auch auf Translationsebene zu verstehen. Es könnte auch möglich sein, dass diese beiden Gene essentiell für das Wachstum dieser Arten sind, da sie trotz verschiedener Versuche mit verschiedenen Vektoren nicht deletiert werden konnten. Eine weitere wichtige Beobachtung dieser Studie wies darauf hin, dass UTP als Substrat für das gereinigte GlgD ist, ein Anzeichen für eine alternative Reaktion zur Produktion von UDP-Glucose. Dies könnte ein Hinweis für einen alternativen Weg der Glykogen-Biosynthese sein. Die Beobachtung, dass die glgC- und glgD-Gene offenbar essentiell sind und dass es möglicherweise einen alternativen Weg für die Glykogen-Biosynthese gibt, deutet darauf hin, dass Glykogen eine wichtige Rolle für das Überleben dieser LAB-Stämme spielt.