Phytol aus dem Chlorophyllabbau ist limitierend für die Tocopherol (Vitamin E)-Synthese
Als Bestandteil von Chlorophyll ist Phytol das am häufigsten vorkommende Isoprenoid in der Biosphäre. Große Mengen an Chlorophyll werden jährlich degradiert und dabei wird Phytol freigesetzt, über dessen Verbleib jedoch wenig bekannt ist. Es sollte der Nachweis erbracht werden, dass im Zuge des Chlorophyllabbaus hydrolysiertes Phytol Eingang in die Synthese anderer Phytylderivate findet.
Während der Gehalt an Tocopherol, Chlorophyll und Fettsäurephytylester entwicklungs- bzw. seneszenzabhängig ist, bleibt der Gehalt an Phyllochinon etwa gleich. Auch in Samen ist der Gehalt von Tocopherol, Chlorophyll und Fettsäurephytylester entwicklungsabhängig. Es wurde gefolgert, dass nur die Synthesen von Tocopherol und Fettsäurephytylester während des Chlorophyllabbaus stimuliert werden. Daher sollten Mutanten analysiert werden, welche im Chlorophyllabbau inhibiert sind. Da Chlorophyllase den ersten Schritt des Chlorophyllabbaus katalysiert, wurden zwei unabhängige T-DNA-Insertionsmutanten für Chlorophyllase1 (CHL1) und eine T-DNA-Insertionsmutante für Chlorophyllase2 (CHL2) identifiziert und eine chl1-1chl2-Doppelmutante erzeugt. Die Analyse der Chlorophyllidanteile ergab eine im Vergleich zum Wildtyp starke Reduktion in den chl1-Mutanten, während der Chlorophyllidanteil von chl2 ähnlich hoch dem Wildtyp ist. Der Chlorophyllidanteil sich entwickelnder chl1-1chl2-Pflanzen nahm in der Seneszenz zu. Die Chlorophyllasemutanten zeigten kein verändertes Seneszenzverhalten im Vergleich zu den Wildtypen. Ferner konnte in den chl1-Linien nur geringfügig weniger Tocopherol und Fettsäurephytylester als in den Wildtypen nachgewiesen werden. Auch der Tocopherolgehalt der Samen war in den Chlorophyllasemutanten unverändert zu den Wildtypen. Aufgrund dessen wurde gefolgert, dass neben den Chorophyllasen CHL1 und CHL2 weitere Chlorophyllhydrolasen in Samen und Blättern von Arabidopsis existieren.
Daher wurde auf andere Mutanten zurückgegriffen, in denen der Chlorophyllabbau stark inhibiert ist und die Seneszenz nach Dunkelinkubation im Vergleich zum Wildtyp deutlich verzögert ist. Eine deutliche Korrelation zwischen vermindertem Chlorophyllabbau und Gehalt an Tocopherol und Fettsäurephytylester konnte in den staygreen-Mutanten pao1 und zwei unabhängigen SGR (staygreen)-RNAi-Linien nachgewiesen werden. Damit konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Synthese von Tocopherol und der Fettsäurephytylester durch die Chlorophyllhydrolyse induziert wird. Es wurde gefolgert, dass vor allem unter Seneszenz- bzw. Stressbedingungen dieser alternative Syntheseweg von Phytol eine Rolle spielt. Dennoch kommt der Phytylsynthese durch die de novo-Isoprenoidsynthese auch eine Bedeutung zu. Nach Behandlung von stickstoffmangelgestressten Wildtyppflanzen mit dem Inhibitor Fosmidomycin, welcher die plastidäre de novo-Isoprenoidsynthese hemmt, war der Tocopherolgehalt gegenüber stickstoffmangelgestressten Kontrollpflanzen stark reduziert.
Ferner konnte eine T-DNA-Insertionsmutante der Geranylgeranylreduktase (GGR) identifiziert werden. Diese Mutante kann nur auf Nährmedium überleben, hat nur wenige grüne Blätter und bildet keine Samen. Es konnte kein Phyllochinon, Chlorophyll und keine Fettsäurephytylester, jedoch geringe Mengen Tocopherol nachgewiesen werden. Der Resttocopherolgehalt wird auf die Nebenaktivität einer anderen Reduktase zurückgeführt. Weiterhin wurde nur das Geranylgeranylderivat des Chlorophylls identifiziert. Diese Ergebnisse erlauben den Schluss, dass die phytylgruppenübertragenen Enzyme der Tocopherol-, Phyllochinon- und Fettsäurephytylestersynthese eine hohe Substratspezifität für die Phytylgruppe aufweisen. Nach Fütterung von Phytol konnte in ggr Tocopherol und Chlorophyll bestimmt werden. Aufgrund dessen kann gefolgert werden, dass Chlorophyllsynthetase aus Arabidopsis sowohl Geranylgeranyl-, als auch Phytylpyrophosphat als Substrat nutzen kann und damit ein breiteres Substratspektrum aufweist. / Phytol from chlorophyll degradation is limiting for tocopherol (vitamin E)-synthesis
As a part of the chlorophyll molecule phytol belongs to the most abundant isoprenoid of the biosphere. Huge amounts of chlorophyll are degraded annually. During this process phytol is released, but only little is known about the fate of phytol. The goal of the project was to provide evidence that during chlorophyll degradation released phytol enters the pathway of the synthesis of further phytyl derivatives.
While the content of tocopherol, chlorophyll and fatty acid phytyl esters are growth and stress related the content of phylloquinone does not change during development or under stress conditions. Also in seeds the content of these phytyl derivates are dependent on development. Hence only tocopherol and fatty acid phytyl ester synthesis are induced during chlorophyll degradation. Therefore mutants were analysed that are inhibited in chlorophyll degradation. Chorophyllase catalyses the first step during chlorophyll degradation. Two independent T-DNA insertion mutants of Chlorophyllase1 (CHL1) and one for Chlorophyllase2 (CHL2) were identified. Furthermore chl1-1 and chl2 were crossed to produce the chl1-1chl2 double mutant. The mutation resulted in a strong reduction of the chlorophyllide fraction in chl1 mutants while the chlorophyllide fraction of chl2 was similar to wild type. The chlorophyllide fraction in developing chl1-1chl2 plants increased during senescence. For all chlorophyllase mutants no retardation of senescence was observed. Compared to wild type only marginal reductions in tocopherol and fatty acid phytyl ester contents could be observed for the chl1 mutants. The seed tocopherol content of the chlorophyllase mutants was similar to wild type. Therefore, it was concluded that in leaves and seeds of Arabidopsis besides CHL1 and CHL2 further chlorophyll hydrolases exist that induce chlorophyll degradation.
Thus, staygreen mutants exhibiting strongly inhibited chlorophyll degradation were analysed. Compared to wild type the staygreen mutants pao1 and two independent SGR (staygreen)-RNAi-lines show a strong retardation of senescence under dark incubation. A clear correlation between reduced chlorophyll degradation and tocopherol and fatty acid phytyl ester content could be demonstrated. With this it was possible to verify that tocopherol and fatty acid phytyl ester synthesis are induced by chlorophyll hydrolysis. This alternative pathway seems to play an important role in particular under stress and senescence conditions. Nevertheless, after application of Fosmidomycin, an inhibitor of the plastidic de novo isoprenoid synthesis pathway, to nitrogen starved wild type plants the tocopherol content was strongly reduced compared to nitrogen starved control plants. Therefore, also the plastidic de novo isoprenoid synthesis plays a significant role for tocopherol synthesis.
Moreover, a T-DNA insertion mutant for Geranylgeranyl reductase (ggr) was identified and isolated. This mutant can survive only on nutrition medium, contains only a few green leaves and produces no seeds. There was no phylloquinone, chlorophyll and fatty acid phytyl ester detectable, but minor amounts of tocopherol. The residual amounts of tocopherol were attributed to side activities of another reductase. Obviously, the phytyl transferring enzymes of tocopherol, phylloquinone and fatty acid phytyl ester synthesis exhibit a strong substrate specificity of the phytyl group. After feeding phytol to ggr tocopherol and chlorophyll were detectable in this mutant. Therefore, it was concluded that chlorophyll synthetase from Arabidopsis can use geranylgeranyl pyrophosphate as well as phytyl pyrophosphate as substrates.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:1595 |
| Date | January 2007 |
| Creators | Kanwischer, Marion |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/de/ |
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