Phosphoenolpyruvate carboxylase (EC 4.1.1.31; PEPC) is one of the carbon dioxide- fixing enzymes, which yields oxaloacetate from phosphoenolpyruvate and bicarbonate. Regulation of PEPC activity occurs at many levels. In addition to pH and concentration of activators and inhibitors, it is phosphorylation as well. Phosphorylation of PEPC causes a change of kinetic parameters, such as maximal reaction rate, sensitivity to activation or inhibition. Considering that, there is still little information like this about C3 plants and that regulation is in various plant species different, I have dealt with monitoring of the kinetic parameters and regulation possibilities of PEPC isolated from C3 plant sources (Cannabis sativa L., Chenopodium quinoa, Pisum sativum L., Lens culinaris). While the activity of PEPC from leaves of Cannabis sativa L. was decreased by alkaline phosphatase, the activity of PEPC from seeds of Chenopodium quinoa, Pisum sativum L., Lens culinaris was not affected by alkaline phosphatase. The affinity of PEPC from seeds Chenopodium quinoa, Pisum sativum L., Lens culinaris to the substrate PEP was higher than in the case of PEPC from leaves of Cannabis sativa L.. For PEPC from Cannabis sativa L. was found that the apparent dephosphorylation leads to decrease of sensitivity to the...

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Las especies vegetales están continuamente desafiadas por un extenso número de microorganismos patógenos en su ambiente natural, principalmente bacterias, hongos y virus. Las plantas cuentan con un amplio arsenal de mecanismos de defensa tanto constitutivos como inducibles frente a estos patógenos. Los mecanismos inducibles incluyen el estadillo oxidativo, muerte celular rápida y localizada, acumulación de fitoalexinas y la síntesis de proteínas relacionadas con la patogénesis (Proteínas PR). Centrándose en las fitoalexinas, estas son compuestos antimicrobianos de bajo peso molecular producidos por las plantas en respuesta a estrés biótico y abiótico. Las fitoalexinas poseen un amplio rango de propiedades antifúngicas en varias especies de plantas. Debido a esto, estos compuestos han sido objeto de numerosos estudios en los últimos 20 años. En la Vid, Vitis vinífera L., la respuesta mejor caracterizada y más frecuente frente a la infección fúngica es la extensa acumulación de fitoalexinas y de proteínas relacionadas con la patogénesis. Entre la gran diversidad de compuestos naturales bioactivos producidos por las especies de Vitis sp. las fitoalexinas están formadas por un grupo reducido de moléculas que pertenecen a la familia de los estilbenos. Las células de vid son capaces de acumular estilnenos en respuesta a estrés biótico y abiótico. Los estilbenos de la vid derivan primariamente del trans-resveratrol (tR) (3,4`,5 -trihidroxiestilbeno), el cual puede sufrir modificaciones químicas, como glicosilación, metilación, hidroxilación y oligomerización, dando lugar a varios derivados bioactivos. tR es producido como producto final de la ruta fenilpropanoide mediante la condensación de tres moléculas de malonil-CoA con una molécula de 4-cumaroil-CoA en una reacción catalizada por la Estilbeno Sintasa (STS). Los estilbenos de la vid han sido ampliamente estudiados ya que poseen unas propiedades en la salud humana sorprendentes. Se han observado beneficios del tR en las principales enfermedades humanas, como agente cardioprotector, como inhibidor de la carcinogénesis, neuro protector y antienvejecimiento entre otros, ya que tR posee un alto efecto antioxidante. Por lo tanto, el interés farmacéutico, nutracéutico y biotecnológico del tR y por tanto de la vid, han ido en aumento desde los últimos 20 años. De la misma manera, la respuesta de defensa ha sido estudiada en cultivos celulares de vid utilizando inductores naturales de esta respuesta. En este sentido, la 2,6 dimetil-ꞵ-ciclodextrina (MBCD) ha demostrado poseer un gran poder elicitor, promoviendo la producción de tR y su acumulación extracelular. Estos estudios han permitido profundizar en los diferentes mecanismos de regulación de la producción de estos compuestos a través de análisis transcriptómicos y proteómicos. Sin embargo, estos análisis revelaron algunos genes y proteínas cuyo papel en esta respuesta es desconocida hasta hoy. Este es el caso de dos parálogos de Fosfoenolpiruvato carboxilasa quinasa (PPCK). La presente tesis doctoral está centrada en el estudio del posible papel regulador de la enzima fosfoenolpiruvato carboxilasa quinasa (PPCK) en la producción de resveratrol y otros metabolitos secundarios en cultivos celulares de vid. La hipótesis principal de esta tesis es que dicha enzima podría estar regulando el flujo del carbono entre el metabolismo primario y secundario, con la finalidad de potenciar este último en condiciones de estrés. Para demostrar esta hipótesis, el contenido de la tesis se divide en 4 capítulos principales. El primer capítulo consiste en el desarrollo de un método analítico basado en espectrometría de masas de triple cuadrupolo para la detección precisa y la cuantificación exacta de resveratrol y sus derivados bioactivos, producidos por la vid. El segundo capítulo es un estudio transcripcional de 2 isoformas de la enzima PPCK, así como el sustrato de esta última (la enzima fosfoenolpiruvato carboxilsa, PPC), en condiciones de estrés, además de estudiar la coexpression con enzimas y factores de transcripción cuyo papel en la producción de resveratrol se conoce con anterioridad. En este capítulo se demuestra tanto en cultivos celulares de vid, como en hojas intactas, que los genes PPCK son fuertemente reprimidos en condiciones de estrés, mientras que los genes PPC permanecen invariables. En cambio se produce un descenso en torno al 20-30% en la actividad específica de la enzima PPC en tales condiciones. Por otro lado, en tales condiciones se observa la correlación entre la represión de los genes PPCK y el incremento en la producción de resveratrol y otros estilbenos. Es conocido que los cambios de actividad en la enzima PPC son debidos a cambios en la fosforilación de la misma, los cuales a su vez son regulados por la PPCK. Por lo tanto el capítulo 3 consiste en el desarrollo de un método para detectar y cuantificar cambios en el patrón de fosforilación de la enzima PPC, adoptando una estrategia de proteómica dirigida. El desarrollo de esté método para la proteína PPC ha permitido observar como el estrés inducido por MBCD provoca un descenso en el grado de fosforilación de la enzima PPC, lo cual correlaciona directamente con el descenso en su actividad específica, y ambos efectos a su vez están correlacionados con la represión génica de su proteína reguladora PPCK. Por último el capítulo 4 es el análisis funcional de los genes PPCK, a través de transformación genética estable de cultivos celulares de vid, con la finalidad de sobreexpresar los genes PPCK, y del silenciamiento genético de los mismos. Los cultivos celulares transformates que sobreexpresaban alguno de los dos parálogos de PPCK resultaron acumular menos resveratrol en condiciones de estrés en comparación con la estirpe silvestre (WT) avalando de esta manera nuestra hipótesis inicial. Además, este efecto no afectaba únicamente a la producción de resveratrol, si no a una gran variedad de metabolitos secundarios producidos en la ruta fenilpropanoide (Flavonoides, taninos condensados, ácidos hidroxicinámicos etc.) sugiriendo que el papel de la enzima PPCK está implicado en la regulación del suministro de carbono hacia esa vía en condiciones de estrés. Por último, el silenciamiento genético tuvo una eficiencia inadecuada, sugiriendo que los genes PPCK pueden ser esenciales, y difícilmente manipulables por en la región metabólica en la que participan. / La presente tesis doctoral ha sido financiada gracias a la subvención de Ministerio de economía y competitividad (BIO2014-51861-R) y (BIO2017- 82374-R). Así mismo, las dos estancias de investigación realizadas en el Integrative Biology Institute, Liverpool University, (Liverpool) han sido financiadas por la Escuela de Doctorado de la Universidad de Alicante, a través del programa de subvenciones para facilitar la obtención de la mención de Doctorado internacional en el título de Doctor y por la European Molecular Biology Organization (EMBO) a través de su programa Short-term Fellowships (ASTF No 7754).

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Succinat und ihre Derivate werden in vielfältiger Weise in den Bereichen Tenside, Lebensmittel, Pharmazeutika und Polymere angewendet. Aufgrund der derzeit kostenintensiven petrochemischen Synthese ist die aerobe nicht-konventionelle Hefe Yarrowia (Y.) lipolytica für die biotechnologische Succinatsynthese von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential dieser Hefe für eine industrielle Succinatproduktion unter Betrachtung des Einflusses der enzymatischen Aktivitäten von Succinyl-CoA Synthetase und Pyruvat-Carboxylase auf die Succinatsynthese untersucht. Es wurde eine Steigerung der Succinatausbeute um 40 % durch die Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 7-8 gemeinsam mit der Deletion des Gens der β Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase im genetisch veränderten Y. lipolytica Stamm H222-AK10 (mcPYC Δscs2) erzielt. Unter Verwendung von Glycerol als C-Quelle wurde eine Erhöhung der Succinatbildung der Transformande H222 AK10 im Vergleich zum Wildtyp von 5,1 ± 0,7 g/l auf 8,7 ± 1,6 g/l nachgewiesen. Die Raum-Zeit-Ausbeute dieses Hefestammes verdoppelte sich von 11,9 ± 1,3 mg/l*h auf 21,9 ± 2,5 mg/l*h. Eine Erhöhung der Sekretion organischer Säuren gelang hingegen nicht durch den alleinigen Verlust der Succinyl-CoA Synthetase Aktivität in den Stämmen H222-AK4 (scs1::URA3), H222-AK8 (scs2:.URA3) und H222-AK9 (scs1::URA3 Δscs2) oder durch die alleinige Aktivitätserhöhung der Pyruvat-Carboxylase in H222-AK1 (mcPYC). Des Weiteren wurde ein Y. lipolytica Stamm erzeugt, der durch die Überexpression der für die Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene SCS1 und SCS2 charakterisiert ist. Die Transformande H222 AK2 (mcSCS1 mcSCS2) bildete unter den gleichen Kultivierungsbedingungen durchschnittlich 2 g/l weniger Succinat als der Wildtyp (5,1 ± 0,7 g/l). Auch die zusätzliche Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 4 in der Transformande H222 AK3 (mcPYC mcSCS1 mcSCS2) konnte den negativen Effekt der erhöhten Gen-Dosen von SCS1 und SCS2 auf die Succinatsynthese nicht aufheben. Dementsprechend wurden für H222-AK3 eine Succinatausbeute von 3,1 ± 0,3 g/l bestimmt.

Succinat und ihre Derivate werden in vielfältiger Weise in den Bereichen Tenside, Lebensmittel, Pharmazeutika und Polymere angewendet. Aufgrund der derzeit kostenintensiven petrochemischen Synthese ist die aerobe nicht-konventionelle Hefe Yarrowia (Y.) lipolytica für die biotechnologische Succinatsynthese von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde das Potential dieser Hefe für eine industrielle Succinatproduktion unter Betrachtung des Einflusses der enzymatischen Aktivitäten von Succinyl-CoA Synthetase und Pyruvat-Carboxylase auf die Succinatsynthese untersucht. Es wurde eine Steigerung der Succinatausbeute um 40 % durch die Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 7-8 gemeinsam mit der Deletion des Gens der β Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase im genetisch veränderten Y. lipolytica Stamm H222-AK10 (mcPYC Δscs2) erzielt. Unter Verwendung von Glycerol als C-Quelle wurde eine Erhöhung der Succinatbildung der Transformande H222 AK10 im Vergleich zum Wildtyp von 5,1 ± 0,7 g/l auf 8,7 ± 1,6 g/l nachgewiesen. Die Raum-Zeit-Ausbeute dieses Hefestammes verdoppelte sich von 11,9 ± 1,3 mg/l*h auf 21,9 ± 2,5 mg/l*h. Eine Erhöhung der Sekretion organischer Säuren gelang hingegen nicht durch den alleinigen Verlust der Succinyl-CoA Synthetase Aktivität in den Stämmen H222-AK4 (scs1::URA3), H222-AK8 (scs2:.URA3) und H222-AK9 (scs1::URA3 Δscs2) oder durch die alleinige Aktivitätserhöhung der Pyruvat-Carboxylase in H222-AK1 (mcPYC). Des Weiteren wurde ein Y. lipolytica Stamm erzeugt, der durch die Überexpression der für die Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene SCS1 und SCS2 charakterisiert ist. Die Transformande H222 AK2 (mcSCS1 mcSCS2) bildete unter den gleichen Kultivierungsbedingungen durchschnittlich 2 g/l weniger Succinat als der Wildtyp (5,1 ± 0,7 g/l). Auch die zusätzliche Erhöhung der Pyruvat-Carboxylase Aktivität um den Faktor 4 in der Transformande H222 AK3 (mcPYC mcSCS1 mcSCS2) konnte den negativen Effekt der erhöhten Gen-Dosen von SCS1 und SCS2 auf die Succinatsynthese nicht aufheben. Dementsprechend wurden für H222-AK3 eine Succinatausbeute von 3,1 ± 0,3 g/l bestimmt.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis VI Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI 1. Einleitung 1 1.1. Bernsteinsäure, Succinat 1 1.2. Succinat als Zwischenprodukt des Tricarbonsäurezyklus 3 1.2.1. Die Enzyme des TCC in Saccharomyces cerevisiae 5 1.2.2. Succinatbildung im TCC durch die Succinyl-CoA Synthetase 6 1.2.3. Pyruvat-Carboxylase 7 1.3. Succinat als Endprodukt des Glyoxylatzyklus 9 1.4. Biotechnologische Herstellung von Succinat 10 1.4.1. Succinatproduktion mit Actinobacillus succinogenes und Anaerobiospirillum succiniproducens 11 1.4.2. Succinatproduktion mit Corynebacterium glutamicum 12 1.4.3. Succinatproduktion mit Escherichia coli 12 1.4.4. Yarrowia lipolytica als potentieller Succinatproduzent 15 1.5. Yarrowia lipolytica 15 1.6. Zielstellung 18 2. Material und Methoden 20 2.1. Geräte 20 2.2. Chemikalien, Biochemikalien und Nukleinsäuren 21 2.2.1. Feinchemikalien 21 2.2.2. Enzyme 22 2.2.3. Verbrauchsmaterialien und Kitsysteme 23 2.3. Verwendete Plasmide 23 2.4. Konstruierte Plasmide 24 2.5. Oligonukleotide 25 2.6. Mikroorganismen 26 2.6.1. Escherichia coli 26 2.6.2. Yarrowia lipolytica 27 2.7. Kultivierung 27 2.7.1. Kultivierung von Escherichia coli 27 2.7.2. Kultivierung von Yarrowia lipolytica 28 2.8. Gentechnische Methoden 29 2.8.1. Genomische DNA-Isolierung 29 2.8.2. Agarose-Gelelektrophorese 29 2.8.3. Polymerase Kettenreaktion 30 2.8.4. Verdau der DNA mit Restriktionsendonukleasen 31 2.8.5. DNA-Aufreinigung 31 2.8.6. Plasmidisolierung aus Escherichia coli 31 2.8.7. Dephosphorylierung 31 2.8.8. Ligation 32 2.8.9. Transformation elektrokompetenter Escherichia coli Zellen 32 2.9. Plasmidkonstruktion 33 2.9.1. Konstruktion der Expressionskassette für die Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 33 2.9.2. Konstruktion der Expressionskassetten für die Überexpression der Gene der α- und β-Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase 34 2.9.3. Konstruktion der Deletionskassette des für die α-Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gens 35 2.9.4. Konstruktion der Deletionskassette des für die β-Untereinheit der Succinyl CoA Synthetase kodierenden Gens 36 2.9.5. Sequenzierung konstruierter Plasmide 36 2.10. Transformation von Yarrowia lipolytica Zellen 37 2.10.1. Transformation von Yarrowia lipolytica mittels der LiAc-Methode 37 2.10.1.1. Herstellung chemisch kompetenter Yarrowia lipolytica Zellen 37 2.10.1.2. Transformation chemisch kompetenter Hefezellen 37 2.10.2. Herstellung elektrokompetenter Yarrowia lipolytica Zellen 38 2.10.3. Elektrotransformation von Yarrowia lipolytica 38 2.11. Southern Blot 39 2.11.1. Transfer der DNA auf eine Nylonmembran 39 2.11.2. Sondenherstellung 39 2.11.3. Immunologische Detektion 40 2.11.4. Strippen der Southern Blot Membran 40 2.12. Biochemische Methoden 41 2.12.1. Ernte und Aufschluss der Hefezellen 41 2.12.2. Aktivitätsbestimmung der Citrat-Synthase 41 2.12.3. Aktivitätsbestimmung der Aconitase 41 2.12.4. Aktivitätsbestimmung der NADP-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase 42 2.12.5. Aktivitätsbestimmung der NAD-abhängige Isocitrat-Dehydrogenase 42 2.12.6. Aktivitätsbestimmung der α-Ketoglutarat-Dehydrogenase 43 2.12.7. Aktivitätsbestimmung der Succinyl-CoA Synthetase 43 2.12.8. Enzymatische Mitochondrienpräparation 46 2.12.9. Aktivitätsbestimmung der Succinat-Dehydrogenase 47 2.12.10. Aktivitätsbestimmung der Fumarase 47 2.12.11. Aktivitätsbestimmung der Malat-Dehydrogenase 48 2.12.12. Aktivitätsbestimmung der Isocitrat-Lyase 48 2.12.13. Aktivitätsbestimmung der Pyruvat-Carboxylase 48 2.12.14. Proteinbestimmung 49 2.13. Mikroskopische Bestimmung der Zellmorphologie 49 2.14. Kultivierung 49 2.14.1. Bestimmung der optischen Dichte 50 2.14.2. Animpfen der Hauptkultur 50 2.14.3. Succinatproduktionsmedium 50 2.14.4. Kultivierung unter Thiaminlimitation 51 2.14.5. Kultivierung unter Stickstofflimitation 52 2.14.6. Bestimmung organischer Säuren mittels Ionenchromatographie 52 2.15. Bioinformatik 53 3. Ergebnisse 54 3.1. Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 54 3.2. Überexpression der Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene 58 3.2.1. Bestimmung der Succinyl-CoA Synthetase Enzymaktivität 61 3.2.2. Bestimmung der spezifischen Aktivität weiterer Enzyme 61 3.3. Überexpression der für die Pyruvat-Carboxylase und Succinyl-CoA Synthetase kodierenden Gene 63 3.3.1. Bestimmung der spezifischen Aktivitäten der Enzyme des TCC und der PYC sowie der ICL 66 3.4. Deletion der Succinyl-CoA Synthetase Gene 68 3.4.1. Bestimmung der Succinyl-CoA Synthetase Enzymaktivität 72 3.4.2. Bestimmung weiterer spezifischer Enzymaktivitäten 73 3.5. Überexpression des Gens der Pyruvat-Carboxylase gemeinsam mit der Deletion des Gens für die β Untereinheit der Succinyl-CoA Synthetase 74 3.5.1. Bestimmung der spezifischen Aktivitäten von Enzymen des TCC, sowie der PYC und ICL 76 3.6. Morphologische Veränderungen der Transformanden 78 3.7. Produktion organischer Säuren im Succinatproduktionsmedium 80 3.9.1 Bestimmung der PYC-, ICL- und SDH-Aktivitäten während der Kultivierung im Succinatproduktionsmedium 87 3.8. α-Ketoglutarat-, Pyruvat- und Fumaratproduktion unter Thiaminlimitation 90 3.9. Citrat- und Isocitratproduktion unter Stickstofflimitation 96 4. Diskussion 100 4.1. Auswahl einer geeigneten C-Quelle für die Succinatproduktion 101 4.2. Reduktion der Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica 102 4.3. Genetische Veränderungen, für die kein Einfluss auf die Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica nachgewiesen wurde 106 4.3.1. Überexpression des Pyruvat-Carboxylase kodierenden Gens 107 4.3.2. Deletion der Succinyl-CoA Synthetase Gene 108 4.4. Erhöhung der Succinatproduktion von Yarrowia lipolytica 112 4.5. Auswirkungen auf die Produktion anderer organischer Säuren 119 4.5.1. α-Ketoglutarat-, Pyruvat- und Fumaratproduktion unter Thiaminlimitation 119 4.5.2. Citrat- und Isocitratproduktion unter Stickstofflimitation 121 4.6. Morphologische Veränderungen 122 4.6.1. Koloniemorphologie 122 4.6.2. Zellmorphologie 124 Literaturverzeichnis 126

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Plants exhibit a flexible array of morphological, physiological and biochemical adaptations during phosphorous limitation. Legumes are vulnerable to P deficiency, because it affects their ability to fix atmospheric nitrogen (N2). In particular, legumes from nutrient-poor ecosystems, such as the Fynbos in the Cape Floristic Region (CFR) evolved on P deficient soils and may therefore display unique adaptations to soil P stress. In general, very few studies on legumes have focussed on the belowground structures of nodules as a plant organ. Moreover, even less is known about the P stressed responses in nodules from legumes in nutrient-poor ecosystems. The aim of this research was to investigate the metabolic flexibility of organic acid and amino acid metabolism in the nodulated root system of the Fynbos legume Virgilia divaricata, during low P stress. Virgilia divaricata, which grows in the Cape Floristic Region, was used in this study to enhance our knowledge regarding the vital role that the cytosolic enzyme, phosphoenol pyruvate carboxylase (PEPC) plays in phosphoenol pyruvate (PEP) metabolism, in roots and nodules of this legume during phosphate stress. V. divaricata was grown under glasshouse conditions (20 - 25°C) in sterilized quartz sand for 2-3 months whilst being inoculated with the nitrogen fixation bacteria, Burkholderia phytofirmans, which was isolated from V. divaricata nodules grown in fynbos soil. Two phosphate treatments, 5 μM and 500 μM, were applied simulating low-phosphate and high phosphate conditions respectively using a modified Long Ashton Nutrient Solution to simulate a low nutrient ecosystem such as the Cape Floristic Region. Roots and nodules were then analysed for growth kinetics, nutrient acquisition and distribution, enzyme activity and genetic responses. It was shown that during phosphate deficiency, V. divaricata nodules experienced less Pi stress than roots, due to increased metabolic phosphate conservation reactions during organic acid synthesis via an increased PEPC activity. The increased PEPC activity resulted in an increase in downstream metabolic products such as organic acids, (malic acid and citric acid), and amino acids (glutamate, aspartate and asparagine). Although the biological nitrogen fixation (BNF) declined, the high efficiency of BNF may be underpinned by these altered phosphate conservation pathways and enhanced resource allocation during growth particularly under low phosphate (LP) conditions. Therefore, it can be concluded that the efficiency of the nodules via an increased allocation of resources and P acquiring mechanisms in V. divaricata may be the key to the plant’s ability to adapt to poor P environments and thus sustaining its reliance on BNF. From the data obtained as well as previous findings, it has been established that the phosphate conservation mechanisms in roots and nodules, involve the non-adenylate requiring PEPC-bypass route. 13C Nuclear magnetic resonance (NMR) gave us a better understanding regarding the incorporation rates of the PEPCderived C into malate, α-ketoglutarate and asparagine. It therefore is suggested that V. divaricata nodules may use their large PEPC-derived malate pool to prevent large declines in BNF under low phosphate conditions. The nodules of V. divaricata were able to offset an excessive drop in BNF, despite a decline in inorganic phophosphate (Pi) levels. It therefore appears that nodules have evolved to acquire different mechanisms than roots to adapt to phosphate deficiency in order to maintain their function. This was achieved via increased regulation of nodule PEPC and its downstream products. This implies that compared to roots under low P, nodules alter the metabolism of PEPC derived C, in order to maintain nodule respiration and amino acid synthesis. This trait could be observed in the synthesis of larger 13C malate pools of nodules compared to roots, from PEPC, which was underpinned by their different regulation mechanisms of enzyme activity, of the same protein isoform. Since malate is a potent inhibitor of PEPC activity, roots appear to have invested in more PEPC protein compared to nodules. In contrast, nodules with lower PEPC protein, achieved greater enzyme activity than roots, possibly due to higher phosphorylation in order to reduce the malate effect. The subsequent metabolism of this PEPCderived malate, caused roots and nodules to synthesise asparagine via different pathways. These findings imply that roots and nodules under P stress, synthesise their major export amino acid, asparagine, via different routes. This research has generated new knowledge regarding the physiological impact of the organic and amino acid metabolism, derived from PEPC-C in the roots and nodules of legumes growing in nutrient poor ecosystems. It has demonstrated for the first time that the nodules of legume from a nutrient-poor ecosystem rely on improved resource allocation, Pi distribution, and PEPC-derived organic acids to maintain the efficient functioning of N assimilation under P stress. This may be a consequence of having evolved in a nutrient-poor ecosystem, so that nodule-bacteroid respiration and N metabolism can be maintained in P-poor soils such as the Fynbos. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Tydens fosfaat stremming maak plante gebruik van buigsame kombinasies van morfologiese, fisiologiese en biochemiese aanpassings. Peulplante is sensitief vir fosfaat tekorte omdat dit die vermoë om atmosferiese stikstof te kan fikseer, grootliks beïnvloed. Peulplante vanuit ekosisteme met mineraal-arme gronde, soos Fynbos binne die Kaapse Blommeryk, het ontwikkel in grond met lae fosfaatvlakke en mag dus unieke aanpassings tot fosfaat tekorte toon. Oor die algemeen is daar baie min peulplant studies wat fokus op die ondergrondse strukture van wortelknoppies as ‘n plant orgaan. Nog minder inligting is beskikbaar oor wortelknoppies, van peulplante, vanuit mineraalarme ekosisteme, se reaksie teenoor ‘n fosfaat tekort. Die doel van hierdie navorsing was om die metaboliese buigsaamheid van organiese- en aminosuur metabolisme in die (nodulated) wortelknoppie-wortelstelsel van die Fynbos peulplant Virgilia divaricata, tydens fosfaat tekort te ondersoek. Virgilia divaricata wat voorkom in die Kaapse Blommeryk, was gebruik in hierdie studie om die huidige kennis te verbeter van die essensiële rol wat die sitisoliese ensiem, fosfo-enol piruvaat karboksilase (PEPC) in fosfo-enol piruvaat metabolisme tydens ‘n fosfaat tekort speel binne die wortels en wortelknoppies van hierdie peulplant. V. divaricata was gegroei onder glashuis toestande (20 - 25°C) in gesteriliseerde kwartssand vir 2-3 maande. Die plante was geïnokuleer met die stikstoffikserende bakterie, Burkholderia phytofirmans, wat geïsoleer is vanaf V. divaricata wortelknoppies wat in Fynbos grond gegroei is. Twee fosfaatbehandelings, 5μM and 500μM, was toegedien om lae en hoë fosfaat toestande, onderskeidelik, na te boots deur gebruik te maak van ‘n aangepasde Long Ashton voedingstofmengsel om ‘n ekosisteem, soos die Kaapse Blommeryk, met lae voedingstofvlakke na te boots. Die wortels en knoppies was geanaliseer ten opsigte van die groeikinetika, opname en verspreiding van voedingstowwe, ensiemaktiwiteit en genetiese aanpassings. Dis is bewys dat tydens fosfaat tekort V. divaricata wortelknoppies minder fosfaat stres ervaar as die wortels, as gevolg van die verhoogde metaboliese fosfaat bewaringsreaksies tydens organise suur sintese via die styging in PEPC aktiwiteit. Die styging in PEPC aktiwiteit lei tot ‘n verhoging in stroomaf metaboliese produkte soos organiese- (appel- en sitroënsuur) en aminosure (glutamaat, aspartaat en asparagien). Alhoewel biologiese stikstoffiksering verlaag het, kan die hoë doeltreffendheid daarvan ondersteun word deur díe aangepasde fosfaat bewarings weë asook verhoogde hulpbron toekenning tydens groei onder lae fosfaat omstandighede. Dit kan dus afgelei word dat die doeltreffendheid van die wortelknoppies via die verhoging in belegging van hulpbronne en fosfaat opname meganismes in V. divaricata moontlik die sleutel is tot die plant se vermoë om aan te pas tot omgewings met lae fosfaatvlakke en sodoende die afhanklikheid van biologiese stikstofbinding te kan onderhou. Data in hierdie as ook vorige studies, wys dat die fosfaat bewaringsmeganismes in wortels en wortelknoppies die PEPC-ompad roete, wat nie adenilaat benodig nie, gebruik. 13C NMR het meer lig gewerp aangaande die vaslegging van koolstof vanaf PEPC na malaat, α-ketoglutaraat en asparagien. Dit word voorgestel dat V. divaricata knoppies ‘n groot hoeveelheid malaat, afkomstig van PEPC-werking, gebruik om groot dalings in biologiese stikstofbinding tydens fosfaat tekort, te verhoed. Die wortelknoppies van V. divaricata kon ‘n oormatige verlaging in biologiese stikstofbinding voorkom ten spyte van die verlaging in fosfaatvlakke. Dit wil voorkom dat wortelknoppies ander meganismes as die wortels ontwikkel het om aan te pas tot fosfaat tekort en sodoende dus hul funksie behou. Dit word bereik deur ‘n verhoging in die regulering van PEPC en die stroomaf produkte in die wortelknoppies. Dit blyk dat wortelknoppies tydens fosfaat te kort, in vergelyking met wortels, die metabolisme van die koolstof vanaf PEPC verander om sodoende respirasie en aminosuursintese te onderhou. Dit wil voorkom dat hierdie meganismes verskil van die van wortel meganismes. Hierdie eienskap kan toegeskryf word aan die produksie van ‘n groter hoeveelheid van 13C malaat vanaf PEPC in die wortelknoppies teenoor die wortels, wat ondersteun word die verskillende reguleringsmeganismes van ensiemaktiwiteit van dieselfde proteïen isoform. Malaat is ‘n kragtige inhibeerder van PEPC-aktiwiteit, dus blyk dit dat die wortels belê in meer PEPC proteïene as die wortelknoppies. In teenstelling, toon die wortelknoppies met laer PEPC proteïene, ‘n hoër ensiem aktiwiteit as die wortels. Dit kan wees as gevolg van hoër fosforilasie om die effek van malaat te verlaag. Die metabolisme van die malaat vanaf PEPC het die sintese van asparagien in die wortels en wortelknoppies via verskillende roetes tot gevolg gehad. Dit impliseer dat tydens ‘n tekort aan fosfaat, wortels en wortelknoppies hul hoof uitvoer aminosuur, asparagien, deur verskillende roetes sintetiseer. Hierdie studie het nuwe kennis aangaande die fisiologiese impak van organiese- en aminosuur metabolisme met koolstof vanaf PEPC in die wortels en wortelknoppies van peulplante wat voorkom in ekosisteme met lae voedingstofvlakke, voortgebring. Vir die eerste keer is dit bewys dat die wortelknoppies vanaf peulplante wat voorkom in mineraal-arme ekosisteme, staatmaak op verbeterde hulpbron beleggings, fosfaat verspreiding en organiese sure vanaf PEPC om die doeltreffendheid van funksionele stikstofassimilasie tydens fosfaat tekort, te onderhou. Dit mag die gevolg wees van, om in ‘n voedingstof arme ekosisteem te ontwikkel sodat die wortelknoppiebakteroïed respirasie en stikstofmetabolisme onderhou kan word in fosfaat arme grond soos die Fynbos.

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Abstract
 Acetyl-CoA
carboxylase
(ACC)
is
a
key
enzyme
of
fatty
acid
metabolism
with
multiple
 isozymes
often
expressed
in
different
eukaryotic
cellular
compartments.

 In
agriculture,
inhibitors
of
plastid
ACC
are
used
as
efficient
herbicides
against
grass
 weed.
However,
grass
weed
populations
resistant
to
aryloxyphenoxypropionate
(APP)
and
 cyclohexanedione
(CHD)
herbicides
represent
a
major
problem
for
sustainable
agriculture.
 Using
PCR
and
sequencing
it
was
found
out
that
five
amino
acid
substitutions
in
plastid
ACC
 were
 correlated
 with
 herbicide
 resistance
 of
 Avena
 sterilis
 ssp.
 ludoviciana
 Durieu
 populations
from
the
northern
grain-growing
region
of
Australia:
Trp-1,999-Cys,
Trp-2,027- Cys,
 Ile-2,041-Asn,
 Asp-2,078-Gly
 and
 Gly-2,096-Ala.
 We
 showed,
 using
 a
 yeast
 gene- replacement
 system,
 that
 these
 single-site
 mutations
 also
 confer
 herbicide
 resistance
 to
 wheat
plastid
ACCase:
Asp-2,078-Gly
confers
resistance
to
APPs
and
CHDs,
Trp-2,027-Cys
 and
Ile-2,041-Asn
confer
resistance
to
APPs,
and
Trp-1,999-Cys
confers
resistance
only
to
 fenoxaprop.
These
mutations
are
very
likely
to
confer
resistance
to
any
grass
weed
species
 under
selection
imposed
by
the
extensive
agricultural
use
of
the
herbicides.

...