Shuai Chen

Role and significance of sucrose-6-phosphate phosphatase in regulating sucrose biosynthesis and carbon partitioning in photosynthetic and non-photosynthetic tissues

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 29.08.2005

Abstract
Ziel dieser Arbeit war es die Rolle der Saccharose-6-phosphat Phosphatase (SPP) bei der Regulation von Saccharose-Synthese und Kohlenhydratverteilung in photosynthetisch aktivem source-Gewebe und in heterotrophen sink-Geweben zu untersuchen. Darüber hinaus sollte eine mögliche Funktion von Saccharose-6-phosphat (Suc6P) als regulatorischer Metabolit in Pflanzen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurden die Gene für die SPP aus Tabak und Kartoffel kloniert. Anschließen wurde die Expression der SPP in transgenen Tabak- und Kartoffelpflanzen durch RNA-Interferenz (RNAi) inhibiert, wobei neben konstitutiver RNAi auch gewebespezifische bzw. Chemisch induzierbare Repression der SPP Aktivität erreicht wurde. Eine detaillierte molekulare und physiologische Analyse dieser Pflanzen zeigte, dass die SPP Aktivität in source-Blättern nicht limitierend für die Saccharose-Synthese ist und erst eine Reduktion um ca. 80% führt zu phenotypischen Veränderungen und zu Änderungen im Kohlenhydratstoffwechsel. Die Verteilung von Kohlenhydraten in konstitutive reprimierten Pflanzen war stark zugunsten von Stärke verschoben. Ethanol-induzierbare Repression der SPP in transgenen Tabakpflanzen führte zu starken phenotypischen Veränderungen nach Behandlung mit Ethanol. Für Kartoffelknollen konnte gezeigt werden, dass die Re-Synthese von Saccharose offensichtlich keine Rolle bei der Regulation der Stärkesynthes während des Knollenwachstums hat. Kältebehandlung von SPP-reprimierten Kartoffelknollen führte zur Akkumulation von Suc6P dessen Gehalt wiederum negativ mit der Kälteinduktion der vakuolären Invertase korreliert war. Dieses Ergebnis gibt erste Hinweise auf eine Rolle von Suc6P bei der transkriptionellen Regulation bestimmter Gene in Pflanzen.

The aims of this work were, on one hand, to examine the in planta role of sucrose-6-phosphate phosphatase (SPP) in regulation of sucrose synthesis and carbon partitioning in photosynthetically active source tissues and heterotrophic sink tissues; on the other hand, to investigate the potential impact of sucrose-6-phosphate (Suc6P) on plant metabolisms. To this end, the genes encoding SPP were cloned from tobacco and potato and down-regulation of SPP expression was achieved via an RNA interference approach in transgenic tobacco and potato in a constitutive, or tissue-specific, or inducible way. Molecular, biochemical and physiological analyses were subsequently carried out. The results showed that in tobacco leaves SPP can be "lost" up to 80 % before strong effects on sucrose synthesis and plant growth can be observed. Carbon partitioning was redirected to starch synthesis in the constitutively silenced SPP transgenic tobacco plants. Ethanol inducible silencing of SPP in transgenic tobacco plants resulted in rapid phenotypical alterations after ethanol induction. In potato tubers, the results showed that sucrose cycling in growing tubers does not possess any regulatory function in the control of starch accumulation and tuber yield under normal growth conditions. Studies with 35SPPi tubers showed that the levels of Suc6P in the cold-stored tubers were negatively correlated with the cold induction of vacuolar invertase, providing first evidence of a potential signaling function for Suc6P in the regulation of gene expression in plants.

Keywords:
Saccharose-Synthese, Saccharose-6-phosphat Phosphatase, vakuoläre Invertase, Signaltransduktion, Kartoffelknolle, induzierbare RNAi, Ethanol-induzierbares System, cold-sweetening

cold sweetening, ethanol inducible system, inducible RNAi, potato tuber, signalling, starch, sucrose synthesis, sucrose-6-phosphate phosphatase, vacuolar invertase

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Inhaltsverzeichnis
Title page, Contents
1 Introduction (1-17)
2 Materials and Methods (18-26)
3 Results (27-82)
4 Discussion (83-105)
5 Summary (106-108)
6 Zusammenfassung (109-111)
7 Abbreviations (112-113)
8 References (114-128)
9 Appendix (i-v)
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