Project

Discipline

redox regulation; b-amylase; Drought stress; ABA; starch-maltose; Arabidopsis thaliana

Lead
Als Antwort auf Trockenstress können Pflanzen Stärkereserven der Blätter in lösliche Zucker umwandeln. Dies erzeugt Energie und führt zur Akkumulation von osmoprotektiven Substanzen, was zusammen die negativen Effekte von Trockenheit auf Wachstum und Ertrag verringert. Die b-amylase 1 (BAM1) von Arabidopsis ist ein Schlüsselenzym dieses stress-induzierten Stärkeabbaus. Das Forschungsziel ist die Identifikation der Kontrollmechanismen der BAM1 Aktivität als Antwort auf Trockenstress.
Lay summary
Transkriptionelle und post-translationale Regulation der b-Amylase 1 aus Arabidopsis unter Trockenstress Eines der grössten Probleme der Landwirtschaft ist die globale Wasserknappheit, die durch die wachsende Weltbevölkerung und dem Klimawandel verschärft wird. Damit Erträge stabil bleiben ist daher die Entwicklung von salz- und trockenstress resistenten Kulturpflanzen notwendig. Um die negativen Effekte von Stress auf Wachstum und Ertrag zu vermindern, können Pflanzen Stärkereserven in lösliche Zucker umwandeln, was den zentralen Kohlenstoffmetabolismus aufrecht erhält und so zum einen osmoprotektive Substanzen (vor allem Saccharose und Maltose) generiert und zum anderen den pflanzlichen Energiebedarf deckt. Vor kurzem konnten wir zeigen dass die b-Amylase 1 (BAM1) von Arabidopsis, welche Maltose vom nichtreduzierten Ende der Glucanketten der Stärke abspaltet ein Schlüsselenzym im Stress-induzierten Abbau von Stärke ist. Die molekularen Mechanismen, die die BAM1 Aktivität unter Stressbedingungen induzieren sind allerdings weiterhin unbekannt. Unser Fokus liegt auf der Identifizierung der Kontrollmechanismen der BAM1 Aktivität unter Stressbedingungen. Dabei werden wir die Signalkaskade, die die BAM1 Transkription aktiviert, sowie post-translationale Regulierungsmechanismen untersuchen. Weiterhin werden wir die funktionelle Interaktion mit anderen Enzymen des Stärkeabbaus untersuchen. Diese Untersuchungen haben das Potenzial neue Faktoren zu identifizieren die Stresssignale mit der Kontrolle des Kohlenhydratstoffwechsels verknüpfen. Veränderungen dieser Faktoren können ein Werkzeug sein um komplexe Stoffwechselwege zu beeinflussen. Mit diesen Untersuchungen an der Modellpflanze Arabidopsis wird es möglich sein auch wirtschaftlich interessante Pflanzen zügig zu verbessern.

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Last update: 30.04.2013

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One of the major challenges facing agriculture today is the global water shortage caused by increasing world population and worldwide climate change. The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) has concluded that elevated greenhouse gas concentrations are likely to lead to the general drying of the subtropics by the end of this century, creating widespread drought stress in agriculture (IPCC, 2007). Drought and salinity stress threaten the productivity of most field crops. In general, the primary response of plants to water deficit is the inhibition of shoot growth, allowing cellular essential solutes to be diverted from growth requirements to stress-related functions. However, since this growth arrest decreases plant size and hence limits yield potential, the development of crop plants able to withstand salt and drought stress is critical for yield stability.There is increasing evidence that the rapid mobilization of the starch reserve in the leaves in response to stress represents a short-term mechanism of survival, which aids plant fitness. The degradation of starch into soluble sugars sustains the central carbon metabolism in the production of osmoprotectans (sucrose and maltose) and energy generation, limiting the negative effects of stress on plant growth and yield. Thus, the pathway of starch degradation represents an emerging target for genetic engineering of drought stress tolerance. We have recently obtained solid evidence that the Arabidopsis ß-amylase 1 (BAM1), which releases maltose from the exposed nonreducing ends of glucan chains in starch, is a key enzyme involved in the stress-induced degradation of starch in the light. On the contrary, BAM1 is not required for normal nighttime leaf starch degradation when plants are grown under standard conditions. Among the different Arabidopsis ß-amylase isoforms (nine in total), BAM1 is unique in that it displays a very peculiar gene expression profile and is the only one to be redox regulated, possibly explaining why BAM1 has a critical role in starch metabolism only under certain conditions. Up till now, however, the molecular mechanisms that integrate such a multiple level of regulation are poorly characterized and their physiological relevance for BAM1 function in planta has not been investigated. The research we propose will focus on the characterization, at the molecular and biochemical level, of the mechanisms driving BAM1 activity in response to stress, including transcriptional regulation, post-translational modifications, and the functional interaction of BAM1 with other proteins of the starch degradation pathway. The work described in this proposal will take a combination of in vivo and in vitro approaches. The identification of Trans-regulatory elements involved in BAM1 transcriptional regulation will mainly take advantage of the Arabidopsis protoplasts transactivation assay, in combination with other standard methods, such as electrophoresis mobility shift assay and chromatin immunoprecipitation. In addition, we will generate a set of transgenic plants and multiple bam1 mutant combinations for in depth molecular phenotyping, including the analysis of carbon partitioning by “pulse-chase” 14CO2-labelling experiments, starch and sugars accumulation, gene expression levels and enzyme activities. These investigations have the potential to identify, for the first time, novel factors linking stress signaling and the control of carbohydrate metabolism. The manipulation of these factors is a powerful tool for bioengineering complex metabolic pathways in plants.