Calystegine in Solanum tuberosum L. - Biosynthese und physiologische Bedeutung im Kohlenhydratstoffwechsel

Abstract

Calystegine sind polyhydroxylierte Nortropanalkaloide. In Solanum tuberosum L. akkumulieren hauptsächlich Calystegin A3, B2 und B4 in allen Pflanzenorganen. Biochemisch wirken Calystegine als Glycosidasehemmstoffe. Calystegine leiten sich von der Tropanalkaloidbiosynthese ab. Biosyntheseenzyme (PMT, TRII) wurden in calysteginbildenden Pflanzen charakterisiert. Die zentrale Frage dieser Arbeit war die physiologische Bedeutung der Calystegine in der Pflanze. Kartoffeln mit verändertem Kohlenhydratstoffwechsel und deren parallele Analyse von Calysteginen und Stoffwechselmetaboliten waren der Ansatzpunkt für die Untersuchungen. Kartoffeln mit apoplastisch überexprimierter Invertase, Kartoffeln mit cytosolisch überexprimierter Invertase und Kartoffeln mit supprimierter Saccharosesynthase wurden auf Calystegine und auf an der Bildung beteiligte Enzyme untersucht. Hohe Calystegingehalte akkumulierten in der Schale, in dormanten Augen, in Keimen, in Wurzeln und Stolonen. In einigen Kartoffeln mit verändertem Kohlenhydratstoffwechsel akkumulierten mehr Calystegine direkt nach der Ernte, während der Lagerung und in Kartoffelpflanzen. pmt-Transkript wurde ausschließlich in Wurzeln detektiert. Transkript, Protein und Enzymaktivität der TRII war hauptsächlich außerhalb der Knolle und in Knollenkeimen zu finden. Die Biosyntheseenzyme zeigten bei verändertem Kohlenhydratstoffwechsel veränderte Expressionsstärken. Mit der Metabolitenprofilanalyse (metabolic profiling) wurden Calystegin A3, B2 und B4 in Keimen und Schale zusammen mit Primärstoffwechselmetaboliten gemessen. Hierbei korrelierte Calystegin A3 mit Calystegin B2 aber nicht mit Calystegin B4. Weiter korrelierten die Calystegine A3, B2und B4mit der biosynthetischen Vorstufe Putrescin in Keimen. In Keimen wurde auch die vermutete Korrelationen zwischen Calysteginen und Disacchariden sowie zwischen Calysteginen und Zuckerphosphaten bestätigt. Außerdem führte die Applikation von Kohlenhydraten an isolierte Kartoffelgewebe zu erhöhten Calystegingehalten. Ein weiterer Zusammenhang zwischen Kohlenhydraten und Calysteginen wurde in der Hemmung von zentralen Kohlenhydratstoffwechselenzymen durch Calystegine gesucht. UDPGlucose-Pyrophosphorylase war nicht durch Calystegin B2 hemmbar, aber es gab Hinweise auf eine Hemmung der Phosphoglucomutase.

Calystegines are polyhydroxylated nortropane alkaloids. In Solanum tuberosum L. calystegine A3, B2, and B4 accumulate in all plant tissues. Calystegines are inhibitors of glycosidases and derive from tropane alkaloid biosynthesis. Enzymes of the biosynthesis (PMT, TRII) were characterized from calystegine forming plants. A central question of this thesis was the physiologically role of calystegines in plants. Potatoes with altered carbohydrate metabolism presented ideal starting material for simultaneous analysis of calystegines and primary metabolites. Potatoes with invertase overexpressed in the apoplastic or in the cytosole and potatoes with suppressed sucrose synthase were analyzed for their calystegine biosynthesis. Calystegines accumulated in tuber peel, in dormant tuber eyes, in tuber sprouts, in roots, and in stolons. Some potato lines with altered carbohydrate metabolism accumulated more calystegines after harvest, during storage, and in potato plants. pmt-transcript was only detected in roots. Transcript, protein, and enzyme activity of TRII was found predominantly in plant tissues except the tuber and in tuber sprouts. Biosynthetic enzymes showed different expression levels in potatoes with altered carbohydrate metabolism. Calystegines A3, B2, and B4 were measured together with primary metabolites by metabolic profiling in tuber sprouts and tuber peel. Calystegine A3 correlated with calystegine B2, but not with calystegine B4. Calystegines A3, B2, and B4 further correlated with the biosynthetic precursor putrescine in tuber sprouts. The hypothesised correlation between calystegines and disaccharides and between calystegines and sugar phosphates were confirmed in sprouts. Application of carbohydrates to isolated potato tissues led to more calystegines. Among those carbohydrate metabolism enzymes that were tested for inhibition by calystegine B2 UDPglucose pyrophosphorylase was not inhibited, but inhibition of phosphoglucomutase was observed.