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Lowered sulfite reduction affects metabolism and seed composition in Arabidopsis thaliana

Allboje Samami, Arman

German Title: Verringerte Sulfitreduktion beeinflusst den Metabolismus und die Samenzusammensetzung in Arabidopsis thaliana

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Abstract

Sulfite reductase (SiR) plays an exclusive role in the assimilatory sulfur reduction pathway by catalyzing the reduction of sulfite to sulfide. The T-DNA insertion mutant line sir1-1 shows lower amounts of SiR transcript, protein and lower activity in vegetative and generative tissues and is severely affected in growth. However, sir1-1 plants flower and set viable seeds, albeit later than wild-type plants and with lower yield. A T-DNA insertion with even less SiR transcript (sir1-2) causes early seedling lethality. It was found that sir1-1 is less tolerant to sulfite treatment. Death of sir1-2 plants and the severe growth phenotype of sir1-1 could be caused by the lack of reduced downstream products (cysteine, GSH) or/and the accumulation of toxic sulfite. Mutant plants could be partially complemented by cysteine and GSH. Despite the earlier observation of reduced flux of sulfur into cysteine and GSH the steady state concentration of sulfide was found to be unchanged in sir1-1. In addition to chlorosis observed in sir1-1 the contents of sugars and starch were reduced. The large scale quantification of metabolites in sir1-1 leaf and root compared to wild-type revealed that sir1-1 resides in a sulfur deprivation stage. However, the response of sir1-1 in leaves to sulfur deprivation was different from wild-type, whereas in roots the response of both sir1-1 and wild-type plants were similar. The consequences of the severe changes in leaf growth and metabolism prompted the investigation of the transcriptome using Affymetrix arrays. sir1-1 plants of the same age and the same size as compared wild-type revealed numerous changes in expression of several functional groups of genes. Gene set enrichment analysis revealed up-regulation of pathways related to DNA damage. In seeds of sir1-1 the transcription of the SiR gene and levels and activity of the SiR protein were even more reduced compared to leaves, resulting in severe effects on seed production. With respect to seed composition protein and free amino acid contents were increased while oil contents were decreased. The seeds were found to respond to this limitation of sulfate assimilation by comprehensive changes in their proteome. Precursors of sulfur-poor globulins accumulated but not the mature forms, while a sulfur-rich albumin decreased in content. Thus, reduced expression of sulfite reductase has profound consequences for primary metabolism of vegetative and generative organs.

Translation of abstract (English)

Sulfite-Reductase (SiR) spielt eine exklusive Rolle in der assimilatorischen Schwefelreduktion, indem sie die Reduktion von Sulfit zu Sulfid katalysiert. Die T-DNA-Insertionsmutante sir1-1 hat weniger SiR-Transkript, -Protein und -Aktivität sowohl in vegetativem als auch in generativem Gewebe und ist in ihrem Wachstum stark beeinträchtigt. Allerdings blühten die sir1-1-Pflanzen und produzierten Samen, wenn auch später als Wildtyppflanzen und in geringeren Mengen. Eine T-DNA-Insertion, die noch weniger SiR-Transkription zulässt (sir1-2), hat zu Folge, dass die Pflanzen bereits im Keimling-Stadium sterben. Es wurde festgestellt, dass sir1-1-Pflanzen weniger tolerant gegenüber Sulfit- Behandlung sind. Der Tod der sir1-2-Pflanzen und der schwerwiegende Wachstumsphänotyp von sir1-1-Pflanzen könnten durch den Mangel der reduzierten Folgeprodukten (Cystein, GSH) und/oder die Anhäufung von toxischem Sulfit verursacht worden sein. Trotz früherer Beobachtung der reduzierten Flussrate von Schwefel zu Cystein und GSH war die Steady-state- Konzentration von Sulfid in sir1-1 unverändert. Zusätzlich zur beobachteten Chlorose in sir1-1 waren die Zucker- und Stärke-Mengen reduziert. Umfangreiche Metabolitanalysen aus sir1-1-Blättern und -Wurzeln im Vergleich zum Wildtypen zeigten, dass sir1-1 sich in einem Zustand des Schwefelmangels befindet. Allerdings war die Reaktion der sir1-1-Pflanzen auf Schwefelentzug in Blättern unterschiedlich von der der Wildtyp-Pflanzen, während die Reaktionen in den Wurzeln von sir1-1- und Wildtyp-Pflanzen ähnlich waren. Die Folgen der gravierenden Veränderungen in Blattwachstum und -Stoffwechsel veranlassten die Untersuchung des Transkriptoms mit Hilfe von Affymetrix-Arrays. sir1-1-Pflanzen des gleichen Alters und der gleichen Größe im Vergleich zum Wildtypen zeigten zahlreiche Veränderungen in der Expression von Genen aus mehreren funktionellen Gruppen. Gene set enrichment analysis zeigte eine Hochregulation der Signalwege, die im Zusammenhang mit DNASchäden stehen. In sir1-1-Samen waren SiR-Transkript, -Protein und -Aktivität noch stärker reduziert als in den Blättern. Dies hatte schwere Auswirkungen auf die Samenproduktion. Die Zusammensetzung der Samen veränderte sich: Die Menge der Proteine und der freien Aminosäuren wurde erhöht, während der Ölanteil verringert wurde. Auf diese Einschränkung von Sulfatassimilation reagierten die sir1-1-Samen durch umfangreiche Änderungen in ihrem Proteom. Vorstufen von schwefelarmen Globulinen sammelten sich an, nicht aber die reifen Formen, während die Menge eines schwefelreichen Albumins vermindert war. Die verringerte Expression von Sulfit-Reduktase hat tiefgreifende Konsequenzen für den Primärmetabolismus in vegetativen und generativen Organen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hell, Prof. Dr. Rüdiger
Date of thesis defense: 15 December 2011
Date Deposited: 12 Jan 2012 10:55
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Molekularbiologie , Arabidopsis , SchwefelMolecular biology , Arabidopsis , sulfur
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