Interaktion von erhöhten CO2 Konzentrationen und Stickstoff Metabolismus in Pflanzen

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurde die Interaktion von erhöhter CO2 (eCO2) Konzentration und Stickstoff Metabolismus untersucht. Für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana wurde zunächst nachgewiesen, dass eine mindestens sechswöchige Exposition gegenüber eCO2 zu einem Rückgang der Photosyntheseleistung führt, der für andere Spezies beschrieben war und als Akklimatisierung der Photosynthese bezeichnet wird. Deren Ursache ist unbekannt; es wird aber vermutet, dass eine Beziehung zum Stickstoffmetabolismus besteht. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit stellt die Hypothese auf, dass dieser Zusammenhang über den Stoffwechselweg der Photorespiration gebildet wird. Ausgang der Photorespiration ist die Oxigenierung von Ribulosebisphosphat im Calvin-Benson Zyklus, die unter eCO2 vermindert abläuft. Um der Hypothese nachzugehen, wurden Metabolitprofile für akklimatisierte und nicht akklimatisierte Pflanzen des Wildtyps Col-0 und der hpr1-1 Mutante aufgenommen. Die hpr1-1 Mutante weist einen Defekt im Gen der peroxisomalen Hydroxy-Pyruvat-Reduktase auf und ist daher nur bedingt in der Lage, im Rahmen der Photorespiration anfallendes Hydroxy-Pyruvat zu metabolisieren. Die tageszeitlichen Verläufe der Metabolitprofile und Aktivitäten ausgewählter Enzyme, die im Primärstoffwechsel zentrale Positionen einnehmen, wurden einer simulationsgestützten Datenanalyse unterzogen, um Parameter relevanter Stoffwechselwege zu identifizieren. Dadurch konnte nachgewiesen werden, dass die verringerte Photorespiration unter eCO2 verantwortlich für die Akklimatisierung ist. PR fungiert als Speicher für assimilierten Stickstoff und liefert Kohlenstoff-Gerüste für dessen de novo Assimilation. In der hpr1-1 Mutante ist der Rückfluss von Kohlenstoffverbindungen aus dem PR in den Calvin-Benson Zyklus gestört, wodurch es zu einer starken Akkumulation von Aminosäuren kommt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurde die Interaktion zwischen PR und N Assimilation weiter untersucht. Ausgangspunkt dieser Untersuchungen war die Beobachtung, dass im Rahmen der PR frei gesetztes Ammonium mit Nitrat um die Kohlenstoffquelle für die Aminosäure-Synthese konkurriert und so möglicherweise die Aktivität der hierfür relevanten Enzyme Glutaminsynthetase (GS) und Glutamin- Oxoglutarat-Aminotransferase (GOGAT) stimuliert. für Pflanzen, die mit Nitrat als einziger N-Quelle versorgt wurden, konnte nachgewiesen werden, dass PR den Umsatz im GS/GOGAT Zyklus tatsächlich erhöht. Darüber hinaus zeigte das Model, dass die Biomassebildung aus Hexosephosephosphaten im Vergleich zur Nitrat Assimilation unter eCO2 bei reduzierter PR erhöht ist. Dies weist nach, dass unter eCO2 in der pflanzlichen Biomasse Stickstoffverbindungen durch vermehrt assimilierten Kohlenstoff verdünnt werden. Weiterhin zeichnete sich ab, dass ein gesteigerter Bedarf an Zellenergie für die Verarbeitung der PR-Zwischenstufen das Wachstum der hpr1-1 Mutante beeinträchtigen könnte. Um die systembiologischen Modellierungen durchführen zu können, wurde das Software-Paket paropt entwickelt, das es ermöglicht, Optimierungen von Parametern von ODE-Systemen schnell und in hoher Qualität durchzuführen. Die Software wurde in der Programmiersprache C++ geschrieben. Als package für die Programmierumgebung R ist paropt öffentlich verfügbar, um die Software einem breiten Publikum in der Biologie zugänglich zu machen und eine verbesserte Nutzerfreundlichkeit zu erreichen. Besonders hervor zu heben ist, dass der ODE-Solver und der implementierte Optimierer auf dem neusten Stand sind. Um dem Anwender zu ermöglichen, das ODE-System in R zu schreiben ohne auf die Geschwindigkeit von C++ verzichten zu müssen, wurde ein weiteres R package mit dem Namen ast2ast entwickelt. Diese Software übersetzt einen Teil von R in C++. Dadurch ist es möglich, ohne Kenntnisse in der Programmiersprache C++ die gesamte Simulation in R durchzuführen, was sehr benutzerfreundlich ist.