Function of the central metabolic kinase SnRK1 and on it dependent transcription factors in the mobilization of storage compunds during \(Arabidopsis\) seedling development

Pflanzen müssen sich während der Samenkeimung und Keimlingsentwicklung über eingelagerte Speicherstoffe heterotroph versorgen, bis sie, nach Etablierung ihres Photosyntheseapparats, einen autotrophen Lebensstil führen können. Diese Arbeit geht von der Hypothese aus, dass der evolutionär konservierten zentral-metabolischen Kinase Snf1-RELATED PROTEIN KINASE 1 (SnRK1) eine besondere Rolle bei der Mobilisierung von Speicherstoffen während der Keimlingsentwicklung zukommt. Während die Bedeutung von SnRK1 als zentraler Regulator katabolischer Prozesse unter Energiemangel- und Stresssituationen bereits gezeigt wurde, war die Funktion von SnRK1 im Zusammenhang mit der Samenkeimung weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass SnRK1 in Arabidopsis die Mobilisierung und Degradation von Speicherstoffen, insbesondere von Triacylglyceride (TAGs), Samenspeicherproteinen und Aminosäuren, steuert. Sowohl Studien zur Lokalisation von SnRK1:GFP-Fusionsproteinen als auch Kinaseaktivitätsassays unterstützen eine mögliche Funktion von SnRK1 während der Keimlingsentwicklung. Eine induzierbare snrk1-knockdown Mutante zeigt neben einem eingeschränkten Wurzel- und Hypokotylwachstum auch keine Ausbildung eines Photosyntheseapparats, was die zentrale Rolle der SnRK1 in diesem frühen Entwicklungsstadium untermauert. Durch Fütterungsexperimente mit Glukose konnte der Phänotyp einer snrk1 -Mutante in Keimlingen gerettet werden. Dies zeigt, dass der metabolische Block durch externe Gabe von Kohlenhydraten umgangen werden kann. Die zentrale Funktion von SnRK1 ist folgich der Abbau von Speicherstoffen und keine allgemeine Deregulation des pflanzlichen Stoffwechsels. Durch massenspektrometrische Untersuchungen von Keimlingen des Wildtyps und der snrk1-Mutante konnte gezeigt werden, dass TAGs in der Mutante in der spä- ten Keimlingsentwicklung ab Tag 4 langsamer abgebaut werden als im Wildtyp. Ebenso werden Samenspeicherproteine in der Mutante langsamer degradiert, wodurch die Verfügbarkeit von freien Aminosäuren in geringer ist. Entgegen der allgemeinen Annahme konnte gezeigt werden, dass während der Keimlingsentwicklung zumindest in Arabidopsis, einer ölhaltigen Pflanze, zunächst Kohlenhydrate in Form von Saccharose abgebaut werden, bevor die Degradation von TAGs und Aminosäuren beginnt. Diese Abbauprodukte können dann der Glukoneogenese zugeführt werden um daraus Glukose herzustellen. Mittels Transkriptom-Analysen konnten zentrale SnRK1-abhängige Gene in der Speicherstoffmobilisierung von TAG, beispielsweise PEROXISOMAL NAD-MALATE DEHYDROGENASE 2 (PMDH2) und ACYL-CoA-OXIDASE 4 (ACX4), und Aminosäuren identifiziert werden. Somit wurde ein Mechanismus der SnRK1-abhängigen Genregulation während der Samenkeimung in Arabidopsis gefunden. Bei der Degradation von Aminosäuren wird die cytosolische PYRUVATE ORTHOPHOSPHATE DIKINASE (cyPPDK), ein Schlüsselenzym beim Abbau bestimmter Aminosäuren und bei der Glukoneogenese, SnRK1-abhängig transkriptionell reguliert. Durch Koregulation konnte der Transkriptionsfaktor bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63) gefunden werden, dessen Transkription ebenfalls SnRK1-abhängig reguliert wird. Außerdem konnte die Transkription von cyPPDK in bzip63-Mutanten nur noch sehr schwach induziert werden. In Protoplasten konnte der cyPPDK-Promotor durch Aktivierungsexperimente mit bZIP63 und SnRK1α1 induziert werden. Durch Mutationskartierung und Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP)PCR konnte mehrfach eine direkte Bindung von bZIP63 an den cyPPDK-Promotor nachgewiesen werden. Zusammenfassend ergibt sich ein mechanistisches Arbeitsmodell, in dem bZIP63 durch SnRK1 phosphoryliert wird und durch Bindung an regulatorische G-Box cis-Elemente im cyPPDK- Promotor dessen Transkription anschaltet. Infolgedessen werden Aminosäuren abgebaut und wird über die Glukoneogenese Glukose aufgebaut. Dieser Mechanismus ist essentiell für die Übergangsphase zwischen heterotropher und autotropher Lebensweise, und trägt dazu bei, die im Samen vorhandenen Ressourcen dem Keimling zum idealen Zeitpunkt zugänglich zu machen. Darüber hinaus werden Gene im Abbau von verzweigtkettigen Aminosäuren ebenfalls durch bZIP63 reguliert. Dabei wird dem Keimling Energie in Form von Adenosin-Triphosphat (ATP) zur Verfügung gestellt. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Mobilisierung von Speicherstoffen auch während der Keimlingsentwicklung direkt von SnRK1 abhängig ist. Die umfangreichen Datensätze der RNA-Seq-Analysen bieten zudem die Möglichkeit, weitere SnRK1-abhängige Gene der Speichermobilisierung zu identifizieren und somit einem besseren Verständnis der Keimlingsentwicklung beizutragen. Aufgrund der zentralen Bedeutung der SnRK1-Kinase in diesem entscheidenden Entwicklungsschritt ist davon auszugehen, dass diese Erkenntnisse mittelfristig auch für bessere Keimungsraten und somit bessere Erträge in der Landwirtschaft genutzt werden können.During seed germination and seedling establishment, seedlings must live heterotrophically on the resources stored in the seed. Only after establishing a fully functional photosynthetic apparatus, the young plant can change to an autotrophic lifestyle - one of the key features of plant life and metabolism. This work is based on the hypothesis that the evolutionarily conserved central metabolic kinase Snf1-RELATED PROTEIN KINASE 1 (SnRK1) plays a crucial role in the mobilization of storage compounds during seedling establishment. Whereas the importance of SnRK1 as a central regulator of catabolic processes during energy deprication and stress situations has already been demonstrated, so far, the function of SnRK1 in connection with seed germination had remained largely unresolved. Here, we shown for the first time that SnRK1 in Arabidopsis controls the degradation of storage resources, especially triacylglycerides (TAG), seed storage proteins and amino acids. Studies on the localization of SnRK1:GFP fusion proteins and as well as kinase activity assays support a possible function of SnRK1 during seedling establishment. An inducible snrk1-knockdown mutant is strongly impaired in root and hypocotyl growth and the plant do not develop a photosynthetic apparatus. Feeding experiments with glucose rescued the snrk1-mutant phenotype, showing that the metabolic block can be bypassed by external administration of carbohydrates. Thus, the central function of SnRK1 is concluded to be the degradation of the storage resources and rather than a general deregulation of the plant metabolism. Mass spectrometric investigations have shown that TAG degradation and seed storage proteins breakdown are partially impaired in the mutant. Thus, the availability of free amino acids in snrk1 mutant seedlings is lower in comparison to wildtype. It could be shown that - despite the fact that Arabidopsis is an oil-seed plant - carbohydrates, especially sucrose, are the primary resource compound for the seedling before the degradation of TAGs and amino acids is initiated. These degradation products can then be used in gluconeogenesis to produce glucose. Transcriptome analyses have identified key SnRK1-dependent genes, that play a key role in the storage resource catabolism, for example ACYL-CoA-OXIDASE 4 (ACX4) and PMDH2 in TAG breakdown. As an example of an enzyme involved in amino acid catabolism, cyPPDK was further investigated in the course of this study. During the degradation of amino acids, cyPPDK, a key enzyme in the degradation of certain amino acids and gluconeogenesis, is transcriptionally regulated in a SnRK1-dependent manner. Furthermore, it was discoverd that the SnRK1-dependent transcription factor bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63) is involved in the regulation of amino acid breakdown: In qRT-PCR experiments, bzip63-mutants showed no induction of cyPPDK, and co-regulation studies showed that cyPPDK and bZIP63 are subject to the same SnRK1-dependet regulation pattern during early seedling development. Finally, by mutation mapping and chromatin immunoprecipitation (ChIP)PCR, a direct binding of bZIP63 to the promoter could be demonstrated. Based on these results, a mechanistic working model was established, proposing bZIP63 to be phosphorylated by SnRK1 to then activate transcription of the cyPPDK promoter via binding to regulatory G-box cis elements. As a consequence, amino acids are degraded and the metabolites are used to produce glucose via gluconeogenesis. This additional source of energy enables the seedling to make the transition from heterotrophy to autotrophy. Additionally, the degradation of branched-chain amino acids is also regulated by bZIP63. Thereby, ATP is generated to fuel the seedlings energy demands. In summary, this study shows that SnRK1 plays an essential role in the mobilization of storage compounds in seedlings during the transition from heterotrophic to autotrophic life by supplying the seedling with the much-needed additional energy gained from the breakdown of TAGs and amino acids. Mining the extensive RNA-Seq data sets provided by this study will allow the identification of further SnRK1-dependent genes to further unravel this crucial signaling network. Due to the crucial role that these proteins play in early seedling development, these findings will enable future research to increase seedling vigor and finally crop yield