Dokument: Natural and synthetic metabolism of plant photorespiration

Titel:	Natural and synthetic metabolism of plant photorespiration
Weiterer Titel:	Natürlicher und synthetischer Metabolismus der pflanzlichen Photorespiration
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=55283
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20220207-101223-3
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Röll, Marc-Sven [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 83,45 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 23.01.2021 / geändert 25.01.2021
Beitragende:	Prof. Weber, Andreas P.M. [Gutachter] Prof. Dr. Zurbriggen, Matias D. [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik)
Beschreibungen:	Photosynthese ist ein fundamentaler Prozess zur Sicherung des globalen Nahrungsbedarf einer wachsenden Weltbevölkerung. Das Enzym Ribulose-1,5-bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (Rubisco) ist verantwortlich für den Großteil der Kohlenstoff- fixierenden Reaktionen der Erde, aber ist gleichzeitig fehleranfällig. Im Mittel ist jede vierte durch Rubisco katalysierte Reaktion eine Oxygenierung, die den Stoffwechselweg der Photorespiration erfordert um den bereits fixierten Kohlenstoff wieder verfügbar zu machen. Bei der Photorespiration – auch „Lichtatmung“ genannt – können nur 75% des Kohlenstoffs wieder nutzbar gemacht werden. Dieser Aspekt führt zu einer Verringerung des pflanzlichen Wachstums um bis zu 30%. Synthetische biochemische Stoffwechselwege liefern Lösungsansätze für eine effizientere Photorespiration durch die Konservierung von Kohlen- und Stickstoff bei reduzierten Energiekosten. Dadurch gewonnene Kenntnisse können genutzt werden um zum einen die metabolischen Wechselwirkungen der Photorespiration zu verstehen und um zukünftige Verbesserungsansätze zu vereinfachen. Ziel dieser Arbeit war es, den grundlegenden Metabolismus der Photorespiration zu verändern und die Folgen auf den pflanzlichen primären Stoffwechsel und das Pflanzenwachstum zu untersuchen. Im Zuge dessen wurden die Effekte von zwei synthetischen Stoffwechselwegen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana analysiert. Der Einbau des β-Hydroxyaspartat Zyklus in pflanzliche Peroxisomen führt zu einer effizienteren Stickstoffnutzung und verändert die grundlegende Stöchiometrie der pflanzlichen Photorespiration durch die Bildung einer C4-Säure anstelle einer C3-Säure (Manuskript I). Als Teil dessen wurde die peroxisomale Lokalisierung der vier beteiligten Enzyme sowie deren Aktivität in der Pflanze validiert. Außerdem wurden die metabolischen Konsequenzen des Zyklus auf den pflanzlichen Primärstoffwechsel analysiert. Zum jetzigen Zeitpunkt, limitiert die Verwertung der produzierten C4-Säure in verschiedenen Stoffwechselwegen einen Wachstumszuwachs, jedoch kann dies über einen synthetischen C4-Photosynthese Zyklus adressiert werden. In einem alternativen Ansatz, wurde ein synthetischer Stoffwechselweg genutzt um eine zytosolische Alternative für die Bereitstellung von Einkohlenstoff Molekülen zu erzeugen, was eine Umgehung des Kohlenstoffdioxid freisetzenden Enzyms der Photorespiration ermöglicht (Manuskript II). Basierend auf der Analyse des primären Stoffwechsels konnten die limitierenden Schritte des synthetischen Stoffwechselweges identifiziert werden. Durch ein entwickeltes CRISPR/Cas9 System zur Erzeugung von Mutationen im photosynthetisch-aktiven Gewebe wurden die limitierenden Schritte addressiert und gleichzeitig die Kohlenstoffdioxid freisetzenden Reaktionen der pflanzlichen Photorespiration eliminiert. Als Teil dieser Arbeit, wurde die mitochondriale Formiat- Dehydrogenase charakterisiert (Manuskript III). Nach momentanem Stand hypothetisieren wir die Rolle der Formiat-Dehydrogenase als regulierendes Enzym des metabolischen Flusses von Einkohlenstoffverbindungen zwischen dem Mitochondrium und dem Zytosol. Zusammenfassend, tragen die hier verwendeten synthetischen biochemischen Stoffwechselwege und die Untersuchung der Formiat-Dehydrogenase zum grundlegenden Verständnis der Rolle der Photorespiration im pflanzlichen Metabolismus bei und ermöglichen weiterführende Verbesserungsansätze. The basis to meet the global food demands of a growing world population is the photosynthetic conversion of carbon dioxide into biomass. The enzyme ribulose-1,5- bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) accounts for the majority of all carbon fixing reactions on earth but remains error prone. On average, one of four Rubisco catalyzed reactions are oxygenations, that necessitate photorespiration to retain the photosynthetically fixed carbon. However, photorespiration recycles only 75% of carbon – a matter that diminishes plant yield by up to 30%. Synthetic biochemical bypasses hold the potential to facilitate efficient photorespiration by conserving carbon and nitrogen at reduced energetic costs. Deriving from this, elucidating the natural metabolic interactions profits the fundamental understanding and future engineering on photorespiration. The aim of this work was to understand the consequences on plant growth and metabolism of two synthetic bypasses that avoid the carbon-, nitrogen- and energy losses of canonical photorespiration. We established the β-hydroxyaspartate cycle in peroxisomes of the model plant Arabidopsis thaliana (Manuscript I). The pathway itself operates at lower energetic costs, without carbon or nitrogen losses and alters the carbon stoichiometry of photorespiration by producing a C4 acid instead of a C3 acid. We demonstrated peroxisomal targeting and enzyme functionality of all four enzymes. Further the functionality of the cycle as photorespiratory bypass was addressed. So far, the unconstraint conversion of the cycle’s product limited a positive growth effects but can be overcome via synthetic C4 photosynthesis. In an alternative approach to frame efficient photorespiration, we implemented the reductive glycine pathway in Arabidopsis thaliana to bypass the enzyme of photorespiratory carbon dioxide release by engineering a cytosolic one carbon unit sink (Manuscript II). We identified the metabolic bottlenecks and addressed these by a developed photosynthetic tissue specific genome editing tool to optimize flux and eliminate the carbon dioxide releasing reactions of photorespiration. Within this work, we characterized the mitochondrial formate dehydrogenase and propose a role as regulator of the one carbon shunt that connects mitochondrial and cytosolic one carbon metabolism (Manuscript III). The distribution of one carbon units from the mitochondria depending on cytosolic needs is a previously unknown mechanism in plants and unravels part of the interaction between photorespiration and one carbon metabolism. In summary, the used synthetic biochemical pathways and the characterization of formate dehydrogenase contribute to the understanding natural metabolic interactions and future engineering approaches of plant photorespiration.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Biochemie der Pflanzen
Dokument erstellt am:	07.02.2022
Dateien geändert am:	07.02.2022
Promotionsantrag am:	27.10.0020
Datum der Promotion:	18.12.0020