Biosynthesis and function of hydroxycinnamic acid amides in flowers of Arabidopsis thaliana - [kumulative Dissertation]

Abstract

Hydroxyzimtsäureamide (HCAAs) sind universelle pflanzliche Sekundärmetabolite, welche in vielen Pflanzenspezies nachgewiesen wurden. Obwohl sie bereits zahlreich beschrieben wurden und ihre chemische Struktur gut untersucht ist, war die HCAA Biosynthese, deren Regulation und physiologische Funktion in Pflanzen lange unklar. In Arabidopsis thaliana wurde das Vorkommen von HCAAs vor kurzem in Samen, Knospen und Pollen beschrieben. Die Identifizierung einer kationenabhängigen O-Methyltransferase (AtTSM1) im Tapetum der Staubblätter, ermöglichte den Nachweis weiterer HCAA synthetisierender Enzyme und deren kodierende Gene. Die Analyse entsprechender knockout Mutanten und Lokalisierungsstudien ergaben einen tapetum-spezifischen Stoffwechselweg, welcher in einer Vielfalt von HCAAs resultiert, die einen wesentlichen Bestandteil des Pollenkits darstellen. Die Biosynthese dieser HCAAs wird durch ein Zusammenspiel von je zwei Cytochrom P450 Hydroxylasen, Hydroxyzimtsäure- und Methyltransferasen generiert. Massenspektrometrische Analysen des A. thaliana Pollens ermöglichten zudem die Identifizierung 38 unterschiedlicher Hydroxyzimtsäure-Spermdinkonjugate. Gegenwärtig bleibt die biologische Funktion der HCAAs als Bestandteil der Pollenoberfläche, sowie eine Beteiligung an der Toleranz des männlichen Gametophyten gegen biotische und abiotische Stressoren, jedoch weiterhin rätselhaft.

Hydroxycinnamic acid amides (HCAAs) are a diverse group of plant secondary metabolites known from many higher plants. Although their highly variable chemical structures have been analyzed and their distributions in different plant organs have been described, HCAA biosynthesis, its regulation, and the physiological role of individual compounds remain largely unknown. Their presence in Arabidopsis thaliana has been established in seeds, flower buds and pollen grains. Annotation and location of a cation-dependent O-methyltransferase (AtTSM1) specifically in the tapetum of the anther resulted in the subsequent identification of several genes with a putative role in HCAA biosynthesis. Based on corresponding A. thaliana knockout mutants and localization studies, a tapetum specific pathway required for HCAA-deposition on the surface of pollen grains was proposed. This involves two methylation steps, catalyzed by two different cation-dependent O-methyltransferases, two cytochrome P450 enzymes dependent hydroxylation steps, and a conjugating acyl transfer performed by two BAHD-like hydroxycinnamate (HCA)-acyltransferases. Profiling of HCAAs on pollen grains by tandem mass spectrometry enabled the identification of at least 38 different spermidine conjugates in wild type pollen. The resulting metabolic plasticity appears as an important, yet poorly understood factor in biotic and abiotic stress tolerance of the male gametophyte.