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.

Ulm, Univ., Diss., 1999. / http://vts.uni-ulm.de/query/longview.meta.asp?documentid=351.

Techn. University, Diss., 2003--Berlin.

Mit dem Kartoffelanbau in Hanglagen sind erhebliche Erosionsgefahren verbunden. Insbesondere die Dammformung, das Absieben und der späte Bestandsschluss sind dafür verantwortlich. Zur Beurteilung der Erosionsgefährdung von Kartoffelflächen wurde ein Zusatzmodul für das Modell Erosion-3D entwickelt. Mit diesem Modul lassen sich besonders gefährdete Flächen identifizieren sowie Schutzmaßnahmen wie Hanglängenverkürzung durch Grünstreifen, Schlagteilung und Richtungsänderung der Kartoffeldämme vorab in ihrer Wirksamkeit bewerten. Der Bericht erläutert die Funktionsweise des Zusatzmoduls und seine beispielhafte Anwendung in Praxisbetrieben.

Im Bericht wird das Anbauverfahren für den ökologischen Speisekartoffelanbau komprimiert dargestellt. Eingeschlossen sind Angaben zur verlustarmen Lagerung und Aufbereitung sowie eine wirtschaftliche Bewertung des gesamten Anbauverfahrens. Ein Kapitel ist auch der Pflanzkartoffelerzeugung gewidmet.

In Haus- und Kleingärten ist die Kartoffel eine weit verbreitete Kulturpflanze. Die Broschüre bietet Hinweise zur Sortenwahl, zum Anbau und zur Lagerung der Kartoffel sowie zu wichtigen Krankheiten, Schädlingen und Qualitätsmängeln. Interessierte Leser finden auch Angaben zu Botanik und Geschichte.

Transgenic plants expressing a foreign gene are a suitable system for the production of relevant immunogens in high amounts that can be used for the development of a new generation of vaccines against a variety of infectious diseases. In the present study, the expression of the nucleocapsid (N) protein of hantavirus serotype Puumala in tobacco and potato plants was investigated. Transgenic tobacco and potato plants were generated and established. These transgenic plants expressed the N protein of Puumala virus strain CG-1820. No major differences were observed when the phenotype and growth rates of transgenic plants were compared to those of normal plants. However, it was found that the leaves of transgenic tobacco plants were more slender and the tubers of transgenic potato plants were smaller than those in normal plants. In order to investigate the distribution of the expression of the foreign gene in transgenic plants, the proteins of leaves and roots of the individual transgenic tobacco and potato plants were examined by Western blot analyses. It was found that all transgenic tobacco and potato plants expressed the N protein in the leaves, whereas transgenic potato plants are able to significantly express the viral proteins also in the tubers and roots. The antigens were expressed at a level of 1 ng of protein/5 μg of dried leaves. The hantaviral recombinant N proteins obtained from transgenic tobacco and potato plants were able to elicit specific humoral and mucosal immune responses when administered intraperitoneally or orally to rabbits and mice. The expression of viral proteins in plants has two major advantages compared to other expression systems: firstly, there is no risk of contamination with mammalian viruses or other pathogens, and secondly, the production of high amounts of antigens is cheap and therefore of great economic interest. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die Kartoffel, eines der wichtigsten Nahrungsmittel weltweit, wird unter anderem von dem Erreger Rhizoctonia solani Kühn befallen. Durch dieses Pathogen hervorgerufene Qualitäts- und Ertragsverminderungen können zu erheblichen ökonomischen Verlusten führen. Da derzeitig verfügbare Bekämpfungsmaßnahmen nur eine eingeschränkte Effektivität aufzeigen, sind alternative Bekämpfungsstrategien dringend notwendig. Der Einsatz resistenter Sorten stellt eine effektive, umweltfreundliche Alternative dar, jedoch ist derzeit nur wenig über die der Resistenz der Kartoffel gegenüber R. solani zugrundeliegenden Mechanismen bekannt. Ziel dieser Arbeit war es, Merkmale aufzufinden, die mit einer erhöhten Feldresistenz der Kartoffel gegenüber R. solani korrelieren und zukünftig als Marker in der Züchtung zur Einschätzung des Resistenzgrads von Sorten genutzt werden können. Auf der Grundlage von Feldversuchen wurden zwei Kartoffelgenotypen mit einem unterschiedlichen Grad der Feldresistenz gegenüber R. solani für vergleichende molekularbiologische und biochemische Analysen ausgewählt. Die Analyse des Expressionsniveaus ausgewählter Abwehrgene zeigte, dass die Kartoffelsorte mit geringerer Anfälligkeit ein konstitutiv höheres Expressionsniveau aufweist als die Sorte mit einer höheren Anfälligkeit. Im Gegensatz zur stärker anfälligen Sorte wurde in Wurzeln und Stängeln der weniger anfälligen Sorte kein erhöhtes Expressionsniveau der Abwehrgene infolge der Infektion mit R. solani festgestellt. Zudem wies die weniger anfällige Sorte höhere Gehalte an α-Chaconin and α-Solanin sowie Nicotiflorin auf. Anhand von in vitro Untersuchungen wurde ein wachstumshemmender Effekt dieser Komponenten auf R. solani festgestellt. Weiterhin wurde ein geringerer Gehalt an R. solani-DNA in den Wurzeln der weniger anfälligen Sorte determiniert. Demnach scheint eine geringere Anfälligkeit der Kartoffel gegenüber diesem Erreger mit einer höheren, präformierten pflanzlichen Immunabwehr korreliert zu sein. / Potato, the fourth most important food crop worldwide, is also target of many pests and microbial pathogens including the fungus Rhizoctonia solani Kühn. The infection of potato with this pathogen leads to considerable economic losses. The soil-borne nature, the formation of melanised sclerotia, and the limited efficacy of fungicides impair the control of this pathogen and strengthen the necessity for alternative control measures. A very effective alternative is the use of resistant cultivars. Quantitative differences in the degree of resistance of potato to R. solani have been repeatedly observed in the field. However, until now there is no information available regarding the underlying mechanisms contributing to the resistance level. This thesis aimed at revealing mechanisms in potato which contribute to the manifestation of a certain degree of field resistance to R. solani. Based on the screening of various potato genotypes in field trials, two potato cultivars distinctly differing in the level of resistance to R. solani were selected for further molecular and biochemical analyses. The cultivar with a higher degree of resistance showed higher constitutive expression of defence-related genes. In contrast to the less resistant cultivar, no distinct increase of the defence-gene expression level was detectable upon pathogen infection in this cultivar. Moreover, contents of the glycoalkaloids α-chaconine and α-solanine and of the flavonol nicotiflorin were higher compared to the less resistant cultivar. Using in vitro culture tests, a growth-reducing effect of these compounds on R. solani was confirmed. Concluding, a higher resistance of potato cultivars to R. solani seems to be related to a higher expression level of defence-related genes and to a higher content of plant secondary metabolites. This enhanced constitutive defence level resulted in a lower pathogen colonisation of the plant, thus contributing to a reduced disease severity in the field.

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Transgenic plants expressing a foreign gene are a suitable system for the production of relevant immunogens in high amounts that can be used for the development of a new generation of vaccines against a variety of infectious diseases. In the present study, the expression of the nucleocapsid (N) protein of hantavirus serotype Puumala in tobacco and potato plants was investigated. Transgenic tobacco and potato plants were generated and established. These transgenic plants expressed the N protein of Puumala virus strain CG-1820. No major differences were observed when the phenotype and growth rates of transgenic plants were compared to those of normal plants. However, it was found that the leaves of transgenic tobacco plants were more slender and the tubers of transgenic potato plants were smaller than those in normal plants. In order to investigate the distribution of the expression of the foreign gene in transgenic plants, the proteins of leaves and roots of the individual transgenic tobacco and potato plants were examined by Western blot analyses. It was found that all transgenic tobacco and potato plants expressed the N protein in the leaves, whereas transgenic potato plants are able to significantly express the viral proteins also in the tubers and roots. The antigens were expressed at a level of 1 ng of protein/5 μg of dried leaves. The hantaviral recombinant N proteins obtained from transgenic tobacco and potato plants were able to elicit specific humoral and mucosal immune responses when administered intraperitoneally or orally to rabbits and mice. The expression of viral proteins in plants has two major advantages compared to other expression systems: firstly, there is no risk of contamination with mammalian viruses or other pathogens, and secondly, the production of high amounts of antigens is cheap and therefore of great economic interest. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.