Lipidomic and transcriptomic analysis of glycerolipid metabolism in phosphate-starved Solanum lycopersicum

• Lipidom- und Transkriptomanalysen des Glycerolipidstoffwechsels in Phosphatmangel-induzierten Solanum lycopersicum

Pfaff, Julia; Usadel, Björn (Thesis advisor); van Dongen, Joost Thomas (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Kurzfassung

Phosphor ist ein essentieller Makronährstoff, der sowohl die Pflanzenentwicklung als auch das Wachstum beeinflusst. Deshalb haben Pflanzen Mechanismen entwickelt, um sich an Phosphatmangel anzupassen, zum Beispiel durch die Adaption des Lipidmetabolismus. Phospholipide können als interne Phosphatquelle dienen und durch Galactolipide ersetzt werden, um die Funktionalität der Membran aufrechtzuerhalten. Vor allem in Arabidopsis thaliana wurde dieser Prozess auf Lipid- und Transkriptebene untersucht. Einige phosphatmangelinduzierte Gene wurden identifiziert, welche für die Glyerolipidremodellierung verantwortlich sind. Im Detail ist bisher jedoch wenig über die transkriptionelle Regulierung des Lipidmetabolismus bekannt. Zudem treten Umwandlungsprozesse in den Membranlipiden, neben Arabidopsis thaliana, auch in einer Vielzahl anderer Pflanzen auf. Daher ist es wichtig diesen Prozess auch in agrarwirtschaftlich relevanten Spezies zu untersuchen. Um den Einfluss von Phosphatmangel in den Blättern und Wurzeln von Solanum lycopersium zu bewerten, wurde die Glyerolipidremodellierung in einem kombinierten Ansatz auf Lipid- und Transkriptebene, mittels Massenspektrometrie und RNA-Sequenzierung, analysiert. Als Reaktion auf Phosphatmangel verringerte sich der Phospholipidgehalt, während der Galactolipidgehalt anstieg. Zusätzlich konnte eine frühe Zunahme der Triacylglyeride, parallel zur Akkumulierung von Galactolipiden, beobachtet werden. Weiterhin zeigte die Analyse wesentliche Unterschiede in der Adaption von Tomatenblättern und -wurzeln. Tomatenblätter akkumulierten hauptsächlich mehrfach ungesättigte Triacylglyceride, während in den Wurzeln ein massiven Anstieg an Galactolipiden zu beobachten war. Differentielle Expressionsanalysen deuteten auf eine Induzierung des Phospholipidabbaus und der Galactolipidbiosynthese hin, verdeutlichten aber auch Unterschiede in der transkriptionellen Antwort. Insbesondere im Phospholipidabbau, der Triacylglyceridbiosynthese und der ER-lokaliesierten Fettsäuredesaturierung, unterschieden sich Blätter und Wurzeln der Tomatenpflanzen unter Phosphatmangel. Der Umwandlungsprozess von degradierten Phospholipiden hin zu Triacylglyceriden und Galactolipiden scheint sich in den beiden Pflanzengeweben zu unterscheiden. Möglicherweise bedingen die Verfügbarkeit und Zusammensetzung des Acyl-CoA Pools sowie der ER-synthetisierten Vorläufermoleküle den Fluss der abgebauten Phospholipide hin zu Triacylglyceride bzw. Galactolipiden. Diese Ergebnisse erweitern nicht nur das Wissen über die molekularen Prozesse in der Pflanze im Zusammenhang mit Phosphatmangel, sondern ermöglichen auch die Identifizierung weiterer molekulare Schlüsselkomponenten. Zudem fördert, die Kombination aus Lipidomics und Transkriptomics in zwei verschieden Organen der Tomatenpflanze das Verständnis wie Pflanzen auf Phosphatmangel reagieren und wie die Triacylglycerid-Akkumulierung in vegetativem Pflanzengewebe reguliert ist.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehrstuhl für Molekulare Botanik [161110]