Manipulation of malate biosynthesis and exudation in Arabidopsis thaliana

Abstract

Die Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat zu Oxalacetat durch Phosphoenolpyruvatcarboxylasen (PPCs) und die Reduktion von Oxalacetat zu Malat durch Malatdehydrogenasen ist eine Möglichkeit der Malatbiosynthese. Die Regulation erfolgt u.a. durch die Aufhebung der Malathemmung der PPCs durch Phosphorylierung der PPCs, die durch Phosphoenolpyruvatcarboxylase Kinasen katalysiert werden. Diese Studie zeigt, dass Phosphatmangel die Genexpression der PPC und PPCK Isoformen differentiell induziert. Die Induktion der PPCK Isoformen in Wurzelspitzen überlappt räumlich mit der Lokalisation der lokalen Phosphatmangelantwort. Ebenso konnte die zytosolische Lokalisierung der PPCKs auch in vivo bestätigt werden. Zusätzlich lokalisierten beide PPCKs an punktförmigen Strukturen, deren Identität weiterer Analysen bedarf. Der PPC/PPCK Stoffwechselweg konnte erfolgreich verändert werden, indem durch PPCK Überexpression mehr Malat generiert und exudiert wurde. Erste Analysen weisen darauf hin, dass dadurch die Phosphataufnahme gesteigert wird.

Malate biosynthesis can proceed by carboxylation of phosphoenolpyruvate to oxaloacetate by phosphoenolpyruvate carboxylases (PPCs), and subsequent reduction of oxaloacetate to malate by malate dehydrogenases. Phosphorylation of PPCs by phosphoenolpyruvate carboxylase kinases (PPCKs) alleviates the feedback inhibition of PPCs by malate. This study revealed that Pi-starvation differentially induces the expression of individual PPC and PPCK isoforms. Induction in expression of PPCKs in root-tip overlaps with the site where low Pi induced local response occurs. The cytosolic localization of PPCKs was confirmed in vivo. Moreover, PPCKs were also localized to punctate structures, the identity of which need further investigations. The PPC/PPCK pathway was successfully engineered for increased malate generation and exudation by overexpression of PPCKs. Initial investigation revealed a positive correlation between malate exudation and Pi content in seedlings.