Astrid Bachmann

Jasmonat-induzierter Lipidkatabolismus im Gerstenblatt (Hordeum vulgare L. cv. Salomé)

Kumulative Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.03.2003

Abstract
Lipoxygenasen (LOXs) katalysieren die regio- und stereospezifische Umsetzung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren zu den entsprechenden Hydroperoxiden. Anhand der rekombinanten Lipidkörper-LOX aus Keimblättern der Gurke wurde ein Testsystem etabliert, mit dem die biochemischen Eigenschaften (pH-Optima, Produkt- und Substratspezifität) verschiedener pflanzlicher LOXs analysiert und miteinander verglichen werden konnten. Dabei wurden bei den untersuchten 13-LOXs deutliche Unterschiede in der Fähigkeit der Umsetzung komplexer Substrate wie Trilinolein beobachtet, was auf eine unterschiedliche physiologische Funktion dieser verschiedenen 13-LOXs zurückzuführen sein könnte. Um erste Hinweise auf mögliche physiologische Funktionen von Jasmonat-induzierten LOXs aus Gerstenblättern zu erhalten, wurde ein "Metabolic Profile" von Oxylipinen in Jasmonsäuremethylester (JM)- und Sorbit-behandelten Gerstenblättern erstellt. Dies diente dem Nachweis der in vivo Aktivität der verschiedenen Enzyme des LOX-Reaktionsweges. In JM-behandelten Gerstenblättern wurde eine deutliche Zunahme der unmittelbar aus der LOX-Reaktion gebildeten LOX-Produkte, Hydroperoxy-octadecadiensäure aus Linolsäure und Hydroperoxyoctadecatriensäure (HPOT) aus -Linolensäure (-LeA), beobachtet. Die bevorzugte Bildung von 13-HPOT spiegelt dabei das vorrangige Auftreten von -LeA in den Chloroplastenmembranen wider und ist ein Zeichen für die Aktivität der JM-induzierten 13-LOX-Formen, die bereits vor und in dieser Arbeit charakterisiert wurden. Weiterhin wurde eine Zunahme an 13-Hydroxyoctadecatriensäure (Produkt des Reduktase-Reaktionsweges) und (2E)-Hexenal (Produkt des Hydroperoxidlyase-Reaktionsweges) beobachtet, d. h. Reduktase- sowie Hydroperoxidlyase-Reaktionsweg sind nach JM-Behandlung aktiv. Die Bildung anderer Oxylipine wurde nicht beobachtet. In dieser Arbeit wurde erstmalig das Vorkommen von durch 13-LOX-gebildeten nicht-veresterten Lipidhydroperoxiden in Subfraktionen von Chloroplasten aus Gerstenblättern gezeigt. Diese Tatsache könnte die Vermutung zulassen, dass die Akkumulation von 13-HPOT ein Hauptgrund für den Seneszenz verstärkenden Effekt von JM in diesem System sein könnte.

Lipoxygenases (LOXs) catalyse the regio- and stereo-specific oxygenation of polyunsaturated fatty acids to their corresponding hydroperoxy derivatives. Using the recombinant lipid body LOX from cucumber cotyledons, a test system was established to analyse and compare biochemical properties (pH optima, product and substrate specificity) of different plant LOXs. Differences were found between the tested linoleate 13-LOXs with respect to their capability of oxygenating complex substrates such as trilinolein. This might be due to different physiological functions of these linoleate 13-LOXs. In order to follow the question of a physiological function of jasmonate-induced LOXs from barley leaves, metabolite profiles of oxylipins upon treatment with methyl jasmonate (JM) or sorbitol were recorded as an indicator of the in vivo action of the different enzymes within the LOX pathway. JM treatment led to a pronounced accumulation of the initial LOX products, the hydroperoxy octadeca-dienoic acid derived from linoleic acid and the hydroperoxy octadecatrienoic acid (HPOT) derived from -linolenic acid (-LeA). Here the 13-isomer of HPOT was preferentially detectable. This reflects the preferential occurrence of -LeA in chloroplast membranes and illustrates the activity of the JM-induced 13-LOX forms characterised before and in this work. The accumulation of 13-hydroxy octadecadienoic acid, the product of the reductase branch, and of (3Z)-hexenal, a product of the hydroperoxide lyase branch upon JM treatment clearly indicates the activation of the hydroperoxide lyase branch of the LOX pathway exceeding that of the reductase branch. The formation of other oxylipins was not observed. The data presented here for barley leaves show for the first time the occurrence of 13-LOX-derived lipid hydroperoxides as non-esterified constituents even in the chloroplast subfractions. It is tempting to assume that the preferential accumulation of 13-HPOT may be a main reason for the senescence-promoting effect of JM in this system.

Keywords:
Hordeum vulgare L. cv. Salomé, Lipoxygenase-Reaktionsweg, Oxylipine, Metabolic Profiling, Lipidperoxidation

Hordeum vulgare L. cv. Salomé, Lipoxygenase pathway, Oxylipins, Metabolic Profiling, Lipid peroxidation

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