Investigations on specific functions of α- and γ-tocopherol during leaf senescence of higher plants

Ludwig, Sascha Ottmar

Although it is well-known that tocopherols are important for human nutrition and health, their functions in plants are not well understood until now. As α- and γ-tocopherol accumulate in senescent leaves of higher plants, specific functions of α- and γ-tocopherol during leaf senescence were investigated. To test the hypothesis, that tocopherol accumulation in an inevitable passive consequence of chlorophyll breakdown, tocopherols and chlorophylls were measured in stay-green organisms such as the transgenic SAG12-IPT tobacco and the Festuca/Lolium mutant. These analyses revealed that chlorophyll breakdown is no mandatory prerequisite for the accumulation of tocopherols, though it is possible that phytol used for tocopherol synthesis is derived from the chlorophyll catabolism. Experiments on leaves of the SAG12-IPT line and on rosette leaves of RILs of Arabidopsis thaliana demonstrated that the accumulation of α-tocopherol is dependent on leaf age. The measurement of α-tocopherol in the SAG12-IPT tobacco and the gln1.2 knock-out mutant of A. thaliana, both affected in nutrient remobilisation, elucidated that plants with an impairment of remobilisation exhibit an increased level of α-tocopherol. Furthermore, the tocopherol content was dramatically increased when plants were forced to remobilise by growing them under nutrient deficiency. These results indicate, that the accumulation of α-tocopherol plays a crucial role for the remobilisation, not only during senescence. The measurement of γ-tocopherol in leaves of Arabidopsis thaliana RILs and the SAG12-IPT line showed, that γ-tocopherol accumulation is restricted to later stages of the senescence. Gene expression analysis and the observation that γ-tocopherol content is significantly elevated in brown, senescent leaf tissue provide evidence, that γ-tocopherol is involved in cell death processes. Therefore, γ-tocopherol accumulation is discussed as a marker for the last phase of senescence which is characterised by cell death.

Tocopherole sind wichtig für die menschliche Ernährung und Gesundheit, ihre Funktionen in Pflanzen sind hingegen bis heute nahezu unverstanden. Es war bekannt, dass α- und γ-Tocopherol während der Blattseneszenz Höherer Pflanzen akkumulieren. Aufgabe der vorliegenden Arbeit war daher, mögliche Funktionen von α- und γ-Tocopherol während dieser letzten Phase der Blattentwicklung aufzuzeigen und zu prüfen. Zunächst sollte geklärt werden, ob die Akkumulation der Tocopherole während der Seneszenz durch einen erhöhten Chlorophyllabbau bedingt wird. Hierzu wurden Tocopherole und Chlorophylle in stay-green Pflanzen quantifiziert, die sich durch eine verzögerte oder ausbleibende Degradierung von Chlorophyllen auszeichnen. Diese Analysen an der SAG12-IPT Tabaklinie als auch an der Festuca/Lolium Mutante zeigten eindeutig auf, dass Tocopherole auch akkumulieren, wenn kein gleichzeitiger Abbau von Chlorophyllen stattfindet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der Phytolrest, der zur Biosynthese von Tocopherolen benötigt wird, aus dem Chlorophyllabbau stammt. Ferner wurde durch Untersuchungen an Blättern der SAG12-IPT Tabaklinie sowie an Rosettenblättern von Arabidopsis thaliana RILs demonstriert, dass die Akkumulation von α-Tocopherol mit steigendem Blattalter zunimmt. Die gemessenen α-Tocopherolgehalte in der SAG12-IPT Tabaklinie und der gln1.2 Mutante von Arabidopsis thaliana lassen weiterhin vermuten, dass Pflanzen, die eine Störung bezüglich der Remobilisierung von Nährstoffen aufweisen, α-Tocopherol vermehrt anreichern. Ein Zusammenhang zwischen der Akkumulation von α-Tocopherol und der Remobilisierung von Nährstoffen wurde zudem dadurch bestätigt, dass Pflanzen, die aufgrund von Nährstoffmangel vermehrt remobilisieren müssen, ebenfalls stark erhöhte Gehalte an Tocopherole besitzen. Die Quantifizierung von γ-Tocopherol in Blättern der SAG12-IPT Tabaklinie sowie in Rosettenblättern der A. thaliana RILs zeigten auf, dass die Akkumulation von γ-Tocopherol auf eine späte Phase der Blattseneszenz beschränkt ist. Auch konnte bestätigt werden, dass die Expression von Genen, die an der γ-Tocopherolbiosynthese beteiligt sind, in braunem, nahezu totem Blattgewebe besonders hoch ist. Diese Daten weisen darauf hin, dass γ-Tocopherol eine Bedeutung für Zelltodprozesse besitzt, welche die die Blattseneszenz terminieren. Hohe Gehalte an γ-Tocopherol sind demnach ein Kennzeichen der letzten Phase der Seneszenz.

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Ludwig, Sascha: Investigations on specific functions of α- and γ-tocopherol during leaf senescence of higher plants. 2009.

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