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Metabolic Pathway Confirmation and Discovery Through <sup>13</sup>C-labeling of Proteinogenic Amino Acids

Microbes have complex metabolic pathways that can be investigated using biochemistry and functional genomics methods. One important technique to examine ...

The unicellular diazotrophic cyanobacterium Cyanothece sp. ATCC 51142 (Cyanothece 51142) is able to grow aerobically under nitrogen-fixing conditions with alternating light-dark cycles or continuous illumination. This study investigated the effects of carbon and nitrogen sources on Cyanothece 51142 metabolism via (13)C-assisted metabolite analysis and biochemical measurements. Under continuous light (50 mumol photons m(-2) s(-1)) and nitrogen-fixing conditions, we found that glycerol addition promoted aerobic biomass growth (by twofold) and nitrogenase-dependent hydrogen production [up to 25 mumol H(2) (mg chlorophyll)( -1) h(-1)], but strongly reduced phototrophic CO(2) utilization. Under nitrogen-sufficient conditions, Cyanothece 51142 was able to metabolize glycerol photoheterotrophically, and the activity of light-dependent reactions (e.g. oxygen evolution) was not significantly reduced. In contrast, Synechocystis sp. PCC 6803 showed apparent mixotrophic metabolism under similar growth conditions. Isotopomer analysis also detected that Cyanothece 51142 was able to fix CO(2) via anaplerotic pathways, and to take up glucose and pyruvate for mixotrophic biomass synthesis.

Mixotrophic and photoheterotrophic metabolism in Cyanothece sp. ATCC 51142 under continuous light.

Die einzelligen Diazotrophic Cyanobacterium Cyanothece SP. ATCC 51142 (Cyanothece 51142) ist in der Lage zu wachsen aerob unter Stickstoff-Fixierung Bedingungen mit abwechselnd hell-dunkel-Zyklen oder Dauerleuchten. Diese Studie untersuchte die Stoffwechselwirkungen von Kohlenstoff und Stickstoff Quellen Cyanothece 51142 via (13) C-assistierte Metabolit Analyse und biochemische Messungen. Unter Dauerlicht (50 Mumol Photonen m(-2) s(-1)) und Stickstoff-Fixierung Bedingungen, fanden wir, dass Glycerin-Zusatz aerobe Biomasse Wachstum (von zwei) und Nitrogenase-abh&auml;ngige Wasserstoffproduktion gef&ouml;rdert [bis zu 25 Mumol H(2) (mg Chlorophyll) (1) h(-1)], aber stark reduziert phototrophe CO(2) Auslastung. Unter Stickstoff-hinreichende Bedingungen Cyanothece 51142 konnte Glycerin Photoheterotrophically metabolisieren und die Aktivit&auml;t der Licht-abh&auml;ngige Reaktionen (z. B. Sauerstoff-Entwicklung) war nicht deutlich reduziert. Im Gegensatz dazu zeigte Synechocystis sp. PCC 6803 scheinbare Mixotrophic Stoffwechsel unter &auml;hnliche Wachstumsbedingungen. Isotopomer-Analyse hat auch festgestellt, dass Cyanothece 51142 CO(2) &uuml;ber Anaplerotische Wege zu beheben, und Glukose und Pyruvat f&uuml;r Mixotrophic Biomasse Synthese aufnehmen konnte.

Stoffwechsel der Mixotrophic und Photoheterotrophic in Cyanothece SP. ATCC 51142 unter Dauerlicht.

Recent reports suggest that early sensing of soil water stress by plant roots and the concomitant reduction in stomatal conductance may not be mediated by root-sourced abscisic acid (ABA), but that other xylem-borne chemicals may be the primary stress signal(s). To gain more insight into the role of root-sourced ABA, the timing and location of the expression of genes for key enzymes involved in ABA biosynthesis in Zea mays roots was measured and a comprehensive analysis of root xylem sap constituents from the early to the later stages of water stress was conducted. Xylem sap and roots were sampled from plants at an early stage of water stress when only a reduction in leaf conductance was measured, as well as at later stages when leaf xylem pressure potential decreased. It was found that the majority of ABA biosynthetic genes examined were only significantly expressed in the elongation region of roots at a later stage of water stress. Apart from ABA, sulphate was the only xylem-borne chemical that consistently showed significantly higher concentrations from the early to the later stages of stress. Moreover, there was an interactive effect of ABA and sulphate in decreasing maize transpiration rate and Vicia faba stomatal aperture, as compared to ABA alone. The expression of a sulphate transporter gene was also analysed and it was found that it had increased in the elongation region of roots from the early to the later stages of water stress. Our results support the suggestion that in the early stage of water stress, increased levels of ABA in xylem sap may not be due to root biosynthesis, ABA glucose ester catabolism or pH-mediated redistribution, but may be due to shoot biosynthesis and translocation to the roots. The analysis of xylem sap mineral content and bioassays indicate that the anti-transpirant effect of the ABA reaching the stomata at the early stages of water stress may be enhanced by the increased concentrations of sulphate in the xylem which is also transported from the roots to the leaves.

Sulphate as a xylem-borne chemical signal precedes the expression of ABA biosynthetic genes in maize roots.

J&uuml;ngste Berichte deuten darauf hin, diese fr&uuml;hen Abtasten von Boden-Wasser-Stress durch Pflanze Wurzeln und die damit einhergehende Reduzierung stomatal Leitwert durch Wurzel-Quellen Abscisic S&auml;ure (ABA) nicht vermittelt werden k&ouml;nnen, sondern dass andere Xylem &uuml;bertragene Chemikalien k&ouml;nnen die prim&auml;re Stress Er&ouml;ffnungsdialog. Um mehr Einblick in die Rolle der Stamm-Quellen ABA, Zeitpunkt und Ort der Ausdruck der Gene f&uuml;r wichtige Enzyme, die ABA-Biosynthese in Zea Mays Wurzeln beteiligt wurde gemessen und eine umfassende Analyse der Wurzel Xylem Sap Bestandteile vom fr&uuml;hen zu den sp&auml;teren Phasen der Wasserstress wurde durchgef&uuml;hrt. Xylem Sap und Wurzeln wurden Stichprobe aus Pflanzen fr&uuml;hzeitig Wasserstress, wenn nur eine Verringerung Blatt Leitwert gemessen wurde, als auch in sp&auml;teren Lebensphasen wenn Blatt Xylem Druck Potenzial verringert. Es wurde festgestellt, dass die Mehrheit der ABA biosynthetischen Gene untersucht nur deutlich in der Region Dehnung Wurzeln zu einem sp&auml;teren Zeitpunkt von Wasserstress ausgedr&uuml;ckt wurden. Abgesehen von ABA war Sulfat nur Xylem &uuml;bertragene Chemikalie, die durchweg deutlich h&ouml;here Konzentrationen vom fr&uuml;hen zu den sp&auml;teren Phasen des Druckes zeigte. Dar&uuml;ber hinaus gab es eine interaktive Wirkung von ABA und Sulfat in abnehmender Mais Transpiration Rate und Vicia Faba stomatal Blende, verglichen mit ABA allein. Der Ausdruck eines Sulfat-Transporter-Gens wurde auch analysiert, und es wurde festgestellt, dass es in der Region Dehnung Wurzeln vom fr&uuml;hen zu den sp&auml;teren Phasen der Wasserstress gestiegen war. Unsere Ergebnisse unterst&uuml;tzen den Vorschlag, dass in der fr&uuml;hen Phase der Wasserstress, erh&ouml;hte Konzentrationen von ABA in Xylem Sap k&ouml;nnen nicht aufgrund Stamm-Biosynthese, ABA Glukose Ester Katabolismus oder pH-Wert-vermittelte Umverteilung, aber m&ouml;glicherweise aufgrund Shoot-Biosynthese und Translokation zu den Wurzeln. Die Analyse der Xylem Sap Mineralstoffgehalt und Bioassays zeigen, dass der Anti-transpirant-Effekt der ABA die Spalt&ouml;ffnungen in den fr&uuml;hen Stadien der Wasserstress zu erreichen durch die erh&ouml;hten Konzentration von Sulfat in das Xylem verbessert werden kann, die auch von den Wurzeln zu den Bl&auml;ttern transportiert werden.

Article	Year
Mixotrophic and photoheterotrophic metabolism in Cyanothece sp. ATCC 51142 under continuous light. Microbiology (Reading, England)\| PubMed ID: 20430816	2010
Sulphate as a xylem-borne chemical signal precedes the expression of ABA biosynthetic genes in maize roots. Journal of experimental botany\| PubMed ID: 20566566	2010

Bert Berla

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