Martin Klebsattel

Blütenspezifische Modifikation der Carotinoidbiosynthese in Tagetes erecta

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 08.07.2004

Abstract
Die Petalen von Tagetes akkumulieren bis zu 10mg/g Frischgewicht des -Carotinoids Lutein aber nur kleinere Mengen an -Carotinoiden. -Carotinoide werden durch Cyclisierung des linearen Carotinoids Lycopin, katalysiert durch die Lycopin-- und Lycopin--Cyclase, synthetisiert. Für die Synthese von -Carotinoiden ist hingegen nur die Lycopin--Cyclase erforderlich. Insbesondere -Carotinoide wie -Carotin, Zeaxanthin und Astaxanthin sind kommerziell interessant, da sie als Farbstoffe und Antioxidantien verbreitet eingesetzt werden.
Um den Metabolitenfluss in der Blüte von den - zu den -Carotinoiden umlenken zu können wurden mit Hilfe von Arabidopsis Transposoninsertionsmutanten neue blütenspezifische Promotoren identifiziert. Unter Kontrolle eines neuen, blütenspezifischen und während der Blütenentwicklung regulierten Promotors wurde eine zusätzliche Lycopin--Cyclase aus Tomate in Tagetes exprimiert. Der -Carotinoidgehalt in den Blüten der transgenen Pflanzen konnte dadurch verdoppelt werden, während der Gesamtcarotinoidgehalt durch eine überproportionale Reduktion des Luteingehaltes reduziert wurde. Die Reduktion des Carotinoidgehaltes konnte nicht auf eine transkriptionelle Repression von Carotinoidbiosynthesegenen zurückgeführt werden.

The petals of T. erecta accumulate up to 10mg/g fresh weight of the -carotenoid lutein but only minor amounts of -carotenoids. -Carotenoids are produced from cyclisation of the linear carotenoid lycopene by the action of the lycopene-- and the lycopene--cyclase. For the synthesis of -carotenoids only the lycopene--cyclase is required. -carotenoids like -carotene, zeaxanthin or astaxanthin are high-value compounds, widely used as colorants and antioxidants.
To be able to redirect the metabolic flux from the - to the -carotenoids in a flower-specific way, novel flower specific promoters were identified using transposon-tagged Arabidopsis mutants. Under control of a novel, developmentally regulated and flower-specific promoter an additional lycopene--cyclase from tomato was expressed in Tagetes. In the petals of the transgenic plants the -carotenoid-content was more than doubled while the total carotenoid content was decreased on the expense of Lutein. The reduced carotenoid content could not be correlated with a transcriptional repression of carotenoid biosynthesis genes.

Keywords:
Tagetes erecta, Studentenblume, Arabidopsis thaliana, Carotinoide, Lycopin--Cyclase, Blütenentwicklung, real time PCR, Promotor, transposon-tagging, metabolic engineering

Tagetes erecta, marigold, Arabidopsis thaliana, carotenoids, lycopene--cyclase, flower development, real time PCR, promoter, transposon-tagging, metabolic engineering

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Inhaltsverzeichnis
1. Zusammenfassung (1)
2. Einleitung (2-15)
3. Material und Methoden (16-35)
4. Ergebnisse (36-70)
5. Diskussion (71-85)
6. Abkürzungsverzeichnis (86)
7. Literatur (87-97)