Influence of inorganic carbon and mutations in carbon-regulated pathways on metabolite pools and turnover in cyanobacteria
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes wurden Methoden etabliert, die an den Modellcyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 und S. elongatus PCC 7942 eine Untersuchung von „steady state“ Konzentrationen von bis zu 100 Metaboliten des zentralen C- und N-Stoffwechsels erlauben. Bei der Anpassung an CO2-Mangelbedingungen kommt es zur vermehrten Nutzung der Photorespiration, der Glykolyse sowie des TCA-Zyklus und zu einer stark verminderten N-Assimilation. Das drückt sich in der Akkumulation typischer C- Mangelmetabolite wie 2PG, PEP und 2-PGA aus. Diese Änderungen in den Pool-Größen wurden auch durch Flussmessungen mit anorganischem 13C prinzipiell bestätigt. Um die Aussagen der Metabolomuntersuchungen zu schärfen, wurden diese mit Transkriptomuntersuchungen kombiniert. In beiden Cyanobakterien war die verminderte Akkumulation von N-Assimilationsprodukten wie Glutamat mit einer koordinierten Verminderung der Transkription entsprechender Gene gekoppelt. Dagegen lässt sich die Verschiebung des C-Flusses kaum durch veränderte Transkription erklären, da nur wenige Gene für entsprechende Enzyme differentiell bei verschiedenen CO2-Konzentrationen reguliert werden. Somit scheint insbesondere der C-Stoffwechsel auf Ebene der Enzymaktivitäten und des metabolischen Phänotyps reguliert zu sein. Metaboliten dienen aber auch als Signal für die veränderte Genexpression. So verschiebt die Akkumulation von 2PG bzw. Glycolat in entsprechenden Mutanten von Synechocystis den Stoffwechsel und teilweise die Genexpression bereits unter Hoch-CO2 in Richtung eines Niedrig-CO2- Phänotpyes. Untersuchungen von Mutanten mit mutiertem PII-Protein, dem zentralen N/C-Sensor, zeigten, dass dieses Protein und damit assoziierte Elemente insbesondere für die CO2-induzierte Verminderung der N-Assimilation verantwortlich sind. In den entsprechenden Mutanten war die N-Assimilation stark deregulieret, während sich Intermediate des C-Metabolismus wie im Wildtyp verhielten. Zur Vermittlung der C-Mangelsituation bedarf es also eines zusätzlichen Sensorsystems. Auch führte die Derepression von Niedrig-CO2 induzierten Genen in der ndhR-Mutante nicht zu einer entsprechenden Umstellung des Stoffwechsels auf Niedrig-CO2. Das ist ein weiterer Hinweis für die Trennung von transkriptioneller und metabolischer Regulation des C-Stoffwechsels. Die zum Ende des Projektes etablierten Fütterungen mit 13C-markierten Intermediaten des C-Stoffwechsels haben die Basis geschaffen, in zukünftigen Experimenten die Regulation der C-Assimilation in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt weiter aufzuklären.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2008) Carbon acquisition by cyanobacteria: mechanisms, comparative genomics and evolution. Herrero, A. and Herrero, E. (Eds.), Caister Academic Press, Bodmin, pp.305-334
Kaplan A, Hagemann M, Bauwe H, Kahlon S, Ogawa T
- (2008) Metabolome phenotyping of inorganic carbon limitation in cells of the wild type and photorespiratory mutants of the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. Plant Physiol. 148:2109-2120
Eisenhut E, Huege J, Schwarz D, Bauwe H, Kopka J, Hagemann M
- (2011) Cyanobacterial lactate oxidases serve as essential partners in N2 fixation and evolved into photorespiratory glycolate oxidases in plants. Plant Cell 23:2978-2990
Hackenberg C, Kern R, Hüge J, Stal LJ, Tsuji Y, Kopka J, Shiraiwa Y, Bauwe H, Hagemann M
- (2011) Metabolic and transcriptomic phenotyping of inorganic carbon acclimation in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC 7942. Plant Physiol. 155: 1640-1655
Schwarz D, Nodop A, Hüge J, Purfürst S, Forchhammer K, Michel K-P, Bauwe H, Kopka J, Hagemann M
- (2011) Modulation of the major paths of carbon in photorespiratory mutants of Synechocystis. PLoS ONE 6: e16278
Huege J, Goetze J, Schwarz D, Bauwe H, Hagemann M, Kopka J
- (2012) Low-carbon acclimation in carboxysome-less and photorespiratory mutants of the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. Microbiology 158:398-413
Hackenberg H, Huege J, Engelhardt A, Wittink F, Laue M, Matthijs HCP, Kopka J, Bauwe H, Hagemann M
(Siehe online unter https://doi.org/10.1099/mic.0.054544-0) - (2013) Metabolic changes in Synechocystis PCC6803 upon nitrogen-starvation: NADPH overflow causes polyhydroxybutyrate accumulation. Metabolites 3:101-118
Hauf W, Schlebusch M, Hüge J, Kopka J, Hagemann M, Forchhammer K
- (2013) Recent applications of metabolomics toward cyanobacteria. Metabolites 3:72-100
Schwarz D, Orf I, Kopka J, Hagemann M
- (2013) The gene sml0013 of Synechocystis sp. strain PCC 6803 encodes for a novel subunit of the NDH1 complex that is ubiquitous distributed among cyanobacteria. Plant Physiol 163: 1991-1202
Schwarz D, Schubert H, Georg J, Hess WR, Hagemann M
- (2014) Effects of inorganic carbon limitation on the metabolome of the Synechocystis sp. PCC 6803 mutant defective in glnB encoding the central regulator PII of cyanobacterial C/N acclimation. Metabolites 4:232-247
Schwarz D, Orf I, Kopka J, Hagemann M
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.3390/metabo4020232)
