Einfluß erhöhter atmosphärischer CO2-Konzentrationen auf den Sekundärstoffwechsel und Pathogenabwehrmechanismen von Nicotiana tabacum

Abstract

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Kultivierung von Tabakpflanzen unter erhöhtem atmosphärischem [CO2] bei ausreichender Stickstoffversorgung zu einer signifikanten Verschiebung im Metabolismus zugunsten der Phenylpropanoidbiosynthese führt, und dass der Gehalt an N-haltigen Alkaloiden vermindert ist unter Hoch-[CO2] in Abhängigkeit von der angebotenen N-Konzentration. Insbesondere wurden unter erhöhtem [CO2] höhere Konzentrationen für die Hauptkomponente Chlorogensäure und die Coumarine Scopolin und Scopoletin ermittelt. Inokulationsexperimenten mit dem Kartoffelvirus Y (PVY) zeigten, dass die höheren Gehalte an C-haltigen Phenylpropanen mit der verminderten Ausbreitung des Virus in den unter Hoch-[CO2] kultivierten Tabakpflanzen korrelieren. Um die Funktion der Coumarine Scopolin und Scopoletin in der Pathogenabwehr zu prüfen wurde eine UDPGlucose:Scopoletin Glucosyltransferase-Aktivität (SGT) aus einer Tabakzellkultur aufgereinigt. Parallel zur Reinigung der SGT wurde eine bereits beschriebene Salizylsäure-induzierbare Glucosyltransferase (IS5a) aus der Tabakzellkultur kloniert und im heterologen System exprimiert. Die Identität beider Proteine wurde durch den Vergleich der Peptidmassen mittels MALDI/TOF-MS gezeigt. Zur Modulation der SGT-Aktivität mit Hilfe von Sense-Konstrukten wurde der erhaltene cDNA-Klon stabil in Tabak transformiert. Inokulationsexperimente mit den transgenen Sense-Linien zeigten, dass die Aktivität der SGT und damit die Kapazität zur Bildung von Scopolin oder anderen glucosidierten Phenylpropanen zur Resistenz gegen PVY beiträgt.

It could be shown in this work that the cultivation of tobacco plants at elevated atmospheric [CO2] and sufficient nitrogen supply leads to a significant shift in plant metabolism to higher amounts of phenylpropanoids and lower levels of N-containing alkaloids dependent on the N-supply. Increased levels at high-[CO2] were observed especially for the main constituent chlorogenic acid and the coumarins scopolin and scopoletin. Inoculation experiments with the potato virus Y (PVY) showed, that the higher content of C-containing phenylpropanoids correlates to a decreased spread of this virus at high-[CO2]. To investigate the function of the coumarins scopolin and scopoletin in plant defence a UDPGlucose:Scopoletin glucosyltransferase activity (SGT) was purified from a tobacco cell culture. In parallel a known salicylic acid inducible glucosyltransferase (IS5a) was cloned from the tobacco cell culture and expresse heterologously. By comparison of the peptide masses obtained via MALDI/TOF-MS the identity of both proteins could be confirmed. To modify the SGT-activity using sense-constructs, the obtained cDNA-clon was transformed in tobacco. Infection experiments with the transgenic SGT-sense plants showed that the enhanced capacity for the production of scopolin or other glucosylated phenylpropanoids is involved in defence mechanisms leading to resistance against PVY.