Starch grain surface and starch degradation in turions of the duckweed Spirodela polyrhiza [Lemnaceae]

• Autorzy: Appenroth K J , Reimann R. , Krok F. , Szymonska J.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Turions are survival organs of aquatic plants such as the great duckweed {Spirodela polyrhiza). They consist of approximately 50% storage starch (per dry weight) used to support the growth of newly formed sprouts following germination. They could be employed as a good model system for investigations of the storage starch degradation in plants. To induce starch degradation in the plant cells turions must be irradiated for a few days with continuous light absorbed by the plant photoreceptor phytochrome. During such treatment changes in the profile of proteins associated with the starch grain surface have been observed. It was shown by in vitro binding studies that several proteins (α-amylase, starch dikinase R1, ß- amylase) are desorbed from the surface or lose the ability to bind to it. This effect was especially obvious when starch grains from turions irradiated for 4 days (irradiated samples) were compared to those from turions kept in darkness (dark control). A hypothesis was presented that unknown changes in the surface properties of starch grains might be very important in the mechanism of starch degradation, by altering the binding of proteins. The aim of the study was to investigate these properties immediately before and after the start of the starch degradation. Precise structural analysis of the starch grain surface was performed using a non- contact atomic force microscopy (nc-AFM). The grain surface revealed increasing roughness and a reduced density of the structural elements in the samples after irradiation. Two different kinds of randomly organized surface elements were detected by nc-AFM: the one type of a globular structure and the other one more oblong. They could be considered as the carbohydrate lamellas situated in the different way at the starch granule surface. Both were observed to become larger after irradiation. This might be a result of binding of water molecules to the carbohydrate lamellas or bending the surface carbohydrate helices into superhelices by new inter-carbohydrate hydrogen bonds. Such a modification of the starch granule surface could be a consequence of events started by the photoreceptor phytochrome involving starch phosphorylation / dephosphorylation, perhaps mediated by the newly discovered starch dikinase.

PL

Turiony są organami przetrwalnikowymi roślin wodnych, jak Spirodela polyrhiza Zawierają ok. 50% skrobi, która jest zużywana na wspomaganie rozwoju nowo powstających kiełków. Turiony mogą służyć jako modelowy system do obserwacji procesu degradacji skrobi w roślinach. Rozpoczęcie tej degradacji, po kilkudniowym naświetleniu turionów światłem ciągłym, absorbowanym przez fotoreceptor roślinny - fitochrom. Początek degradacji skrobi jest związany z desorpcją protein (alfa-amylaza, beta- amylaza czy skrobiowa dikinaza R1) z powierzchni granul skrobiowych. Efekt ten jest szczególnie wyraźny po porównaniu skrobi pochodzącej z turionów roślin naświetlanych przez 4 dni ze skrobią turionów roślin trzymanych w ciemności. Założono więc, że naświetlanie powoduje nieznane dotychczas zmiany na powierzchni granuli skrobiowej, które wpływając na wiązanie protein decydują o mechanizmie degradacji skrobi. Celem badań było obserwowanie powierzchni gałeczek skrobiowych przed i po naświetlaniu, czyli tuż przed i po starcie degradacji skrobi. Precyzyjna analiza powierzchni gałeczek skrobi była wykonana metodą bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych (nc-AFM). W próbkach skrobi naświetlanej stwierdzono większą chropowatość powierzchni gałeczki skrobiowej i luźniejsze upakowanie jej elementów. Na badanych powierzchniach zaobserwowano przypadkowo rozmieszczone elementy o dwu rodzajach kształtów: bardziej okrągłe lub podłużne. Można uważać je za węglowodanowe łańcuchy w różny sposób usytuowane na powierzchni granuli. Stwierdzono, że po naświetlaniu powierzchniowe „cegiełki" zwiększają swoje rozmiary. Może to być spowodowane przyłączaniem cząsteczek wody do łańcuchów glukozowych albo też efekt łączenia się tych łańcuchów w większe poprzez międzycząsteczkowe wiązania wodorowe. Obserwowana modyfikacja powierzchni jest prawdopodobnie skutkiem zdarzeń zapoczątkowanych przez fotoreceptor fitochromowy, a obejmujących fosforylację/defosforylację skrobi przy współudziale nowoodkrytej dikinazy skrobiowej.

Słowa kluczowe

EN

starch; Spirodela polyrhiza; grain surface; aquatic plant; turion; duckweed; plant; starch degradation

• Wydawca: -
• Czasopismo: Żywność Nauka Technologia Jakość. Suplement
• Rocznik: 2002
• Tom: 09
• Numer: 4
• Opis fizyczny: p.65-73,fig.

Twórcy

autor

Appenroth K J

• University of Jena, Dornburger Str.159, D-077743 Jena, Germany

autor

Reimann R.

autor

Krok F.

autor

Szymonska J.

Bibliografia

• [1] Appenroth K.-J., Bergfeld R.: Photophysiology of turion germination in Spirodela polyrhiza (L.) Schleiden. XI. Structural changes during red light induced responses. J. Plant Physiol., 1993, 141: 583-588.
• [2] Appenroth, K.-J., Teller S., Horn M.: Photophysiology ofvturion formation and germination in Spirodela polyrhiza. Biol. Plant., 1996, 38, 95-106.
• [3] Appenroth, K.-J. & Gabryś H.: Light-induced starch degradation in non-dormant turions of Spirodela polyrhiza. Photochem. Photobiol., 2001, 73, 77-82.
• [4] Dölger K., Tirlapur U.K., Appenroth K.-J.: Phytohrome-regulated starch degradation in germinating turions of Spirodela polyrhiza. Photochem. Photobiol., 1997, 66, 24-127.
• [5] Krok F., Szymońska J., Tomasik P., Szymoński M.: Non-contact AFM investigation of influence of freezing process on the surface structure of potato starch granule. Appl. Surf. Sci., 2000, 157, 382-386.
• [6] Landolt E., Kandeler R.: The family of Lemnaceae - a monographic study. Vol. 2. Veroff. Geobot. Inst. ETH Zurich. Stiftung Riibel, 95. Heft. Zurich, Switzerland 1987.
• [7] Ley S., Dölger K., Appenroth K.-J.: Carbohydrate metabolism as a possible modulator of dormancy in turions of Spirodela polyrhiza (L.) Schleiden. Plant Sci., 1997, 129, 1-7.
• [8] Lorberth R., Ritte G., Willmitzer L., Kossmann J.: Inhibition of starch-granule-bound protein leads to modified starch and repression of cold sweetening. Nature Biotechnol., 1998,16, 473-477.
• [9] Reimann R., Ritte G., Steup M., Appenroth K.-J.: Association of a-amylase and the R1 protein with starch granules precedes the initiation of net starch degradation in turions of Spirodela polyrhiza. Physiol. Plant., 2002, 114, 2-12.
• [10] Ritte G, Lorberth R, Steup M.: Reversible binding of the starch-related R1 protein to the surface of transitory starch granules. Plant J., 2000, 21, 387-391.
• [11] Ritte G., Lloyd JR., Eckermann N., Rottmann A., Kossmann J. & Steup M.: The starch related R1 protein is an alpha-glucan, water dikinase. Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 2002, 99 (10), 7166-7171.
• [12] Szymońska J., Krok F.& Tomasik P.: Deep freezing of potato starch. Int. J. Biol. Macromol., 2000, 27,307-314.