Ortwin Guhling

• Triterpene finden sich in großer struktureller Vielfalt als Sekundärmetabolite in Form von glycosylierten Verbindungen, aber auch als Aglykone, in zahlreichen Pflanzen. In einigen Arten akkumulieren Triterpene in großen Mengen als kutikuläre Wachsbestandteile im primären Abschlussgewebe und beeinflussen auf diese Weise die Grenzflächeneigenschaften der oberirdischen Pflanzenorgane. In der vorliegenden Arbeit wurde die kutikulaspezifische Biosynthese von Triterpenen durch die Kombination molekulargenetischer und analytischer MethodenTriterpene finden sich in großer struktureller Vielfalt als Sekundärmetabolite in Form von glycosylierten Verbindungen, aber auch als Aglykone, in zahlreichen Pflanzen. In einigen Arten akkumulieren Triterpene in großen Mengen als kutikuläre Wachsbestandteile im primären Abschlussgewebe und beeinflussen auf diese Weise die Grenzflächeneigenschaften der oberirdischen Pflanzenorgane. In der vorliegenden Arbeit wurde die kutikulaspezifische Biosynthese von Triterpenen durch die Kombination molekulargenetischer und analytischer Methoden exemplarisch an Ricinus communis eingehend untersucht. Die Rizinus-Pflanze tritt in zwei Sprossachsenphänotypen in Erscheinung: Der Glossy-Phänotyp ist frei von epikutikulären Wachskristallen, wohingegen die Sprossachsen von Individuen des Glaucous-Phänotyps von fadenförmigen epikutikulären Wachskristallen bedeckt sind. Eine vergleichende chemische Analyse zeigte, dass 67 Tage alte Hypokotyle der Individuen des Glossy-Phänotyps mit etwa 12,5 µg/cm^2 kutikulärem Wachs bedeckt sind, die Zusammensetzung des kutikulären Wachsgemisches wird von VLC-aliphatischen Verbindungen dominiert. Hypokotyle der Individuen vom Glaucous-Phänotyp weisen mit 51,9 µg/cm^2 dagegen eine weit höhere Wachsbelegung auf, wobei das Wachsgemisch von Triterpen-Verbindungen, vor allem durch die Hauptkomponente Lupeol mit 56% der Gesamtwachsmenge dominiert wird. Um die Akkumulation von Lupeol im Laufe der frühen Sprossachsenentwicklung des Glaucous-Phänotyps zu dokumentieren, wurden entsprechende wachsanalytische Beprobungen an Hypokotylen durchgeführt. Es zeigte sich, dass Lupeol bereits in einer frühen Entwicklungsphase mit hohen Raten in die Kutikula eingelagert wird: zwischen Tag 6 und Tag 25 nach der Keimung der Pflanzen nimmt die Lupeolwachsbelegung mit einer Rate von 1,2 µg cm^2 und Tag zu; dies entspricht einer täglichen Lupeol-Zunahme von 0,013 ng/Zelle zwischen Tag 11 und Tag 18. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen belegten, dass die Lupeolakkumulation von einer starken Zunahme der fadenförmigen Wachskristalle in der frühen Hypokotylentwicklung begleitet wird. Vor dem Hintergrund der wachsanalytischen und mikromorphologischen Daten war es von zentraler Bedeutung, die für die Biosynthese des kutikulären Lupeols verantwortliche Triterpensynthase zu klonieren. Mit Hilfe des entwickelten Primerdesigns zur homologiebasierten Klonierung pflanzlicher 2,3-Oxidosqualenzyklasen wurden zwei Epoxysqualenzyklasen aus Ricinus communis kloniert und durch heterologe Expression in der Lanosterolsynthase-defizienten Hefemutante GIL 77 jeweils als Cycloartenolsynthase (RcCAS1) und monofunktionale Lupeolsynthase (RcLUS1) charakterisiert. Die auf den Glaucous-Phänotyp beschränkte sprossachsenspezifische Expression und die hohe Expressionsrate von RcLUS1 in der frühen Entwicklungsphase mit einem Peak an Tag 12 nach der Keimung stimmte exakt mit der zeitlichen Akkumulation von Lupeol in der Sprossachsenkutikula bei Individuen des Glaucous-Phänotyps überein. Damit handelt es sich bei RcLUS1 um die erste charakterisierte Triterpensynthase, die für die Bildung kutikulärer Triterpene verantwortlich gemacht werden kann. Die Untersuchungen an R. communis zeigen, dass die Biosynthese von kutikulären Triterpenen über die enzymatisch gesteuerte Zyklisierung von 2,3-Oxidosqualen bewerkstelligt wird. Offensichtlich spielt eine Transkriptionsregulation auf der Ebene der jeweiligen Triterpensynthase dabei eine zentrale Rolle. Phylogenetische Vergleiche zeigten, dass RcLUS1 nur relativ geringe Sequenzähnlichkeiten zu den bisher charakterisierten Lupeolsynthasen aufzeigt und somit als Vertreter einer bisher nicht beschriebenen Klasse pflanzlicher Triterpensynthasen angesprochen werden muss. Durch gerichtete Mutagenisierung wurde die RcLUS1-Mutante F257W hergestellt und funktionell charakterisiert. Das Produktspektrum der mutagenisierten Lupeolsynthase verschob sich von Lupeol nach β-Amyrin und bestätigte damit die Bedeutung des dem Phenylalanin in Amyrinsynthasen korrespondierenden Tryptophans für die katalytische Funktionalität dieser Enzyme. Mit der Klonierung der Triterpensynthasen LeTTS1 und LeTTS2 aus Lycopersicon esculentum wurde der erste wichtige Schritt für ein tieferes Verständnis der Biosynthese kutikulärer Triterpene in dieser Pflanze getan. LeTTS1 konnte als β-Amyrinsynthase charakterisiert werden. Im Gegensatz zur Stammkutikula des Glaucous-Phänotyps von Ricinus communis werden in die Fruchtkutikula von Tomate nicht nur ein, sondern mit α-, β- und δ-Amyrin gleich drei Triterpene in größeren Mengen eingelagert. Der Nachweis einer tatsächlichen Relevanz der klonierten OSCs für die Biosynthese dieser kutikulären Triterpene muss durch Untersuchungen zur Expression dieser Gene erbracht werden.…
• Triterpenoids are a large group of secondary metabolites found in different plant species, either as glycoside conjugates or as aglycones. The latter in many cases accumulate to high amounts in the cuticular wax and hence the primary surface of above-ground plant organs, influencing their surface properties. In the present work, the cuticle-specific formation of triterpenoids was investigated in Ricinus communis stems, combining analytical and molecular genetic methods. Two phenotypes of castor bean could be distinguished based on theTriterpenoids are a large group of secondary metabolites found in different plant species, either as glycoside conjugates or as aglycones. The latter in many cases accumulate to high amounts in the cuticular wax and hence the primary surface of above-ground plant organs, influencing their surface properties. In the present work, the cuticle-specific formation of triterpenoids was investigated in Ricinus communis stems, combining analytical and molecular genetic methods. Two phenotypes of castor bean could be distinguished based on the appearance of the surface of all stem portions including the hypocotyls: The stems of the glossy phenotype are devoid of wax crystals. In contrast, the stems of the glaucous phenotype are covered by a layer of thread-like epicuticular wax crystals. Comparative studies by GC-FID analysis revealed that the cuticles of 67-day old hypocotyls of the glossy and the glaucous phenotypes contained 12.5 and 51.9 µg/cm^2, respectively. The wax mixture of the glossy phenotype was dominated by VLC aliphatic compounds. In the cuticular wax of the glaucous phenotype, VLC aliphatics were found in similar absolute amounts as in the glossy phenotype, whereas the triterpene loads were significantly higher. Here, the wax mixture was dominated by lupeol, making it the single most abundant component (56% of the total wax). To monitor the accumulation of cuticular lupeol during ontogenesis, the chemical composition of the wax mixture was studied at different stages of hypocotyl growth. In these investigations, lupeol was found to accumulate rapidly during early development at the surface of glaucous hypocotyls: between day 6 and day 25 the lupeol load increased by a daily rate of 1.2 µg/cm^2. During the period of highest lupeol increase from day 11 to day 18, a daily rate of 0.013 ng/cell could be calculated. Within that early time period a sharp increase in the number of epicuticular wax crystals on the surface of glaucous hypocotyls was observed by SEM. Based on the cuticular wax analyses of both stem phenotypes, it was hypothesized that a triterpene synthase should exist in castor bean responsible for the biosynthesis of cuticular lupeol in the glaucous phenotype. In a homology-based cloning approach two epoxysqualene cyclases were cloned from R. communis, functionally expressed in the yeast strain GIL 77 and characterized as a cycloartenol synthase (RcCAS1) and a lupeol synthase (RcLUS1). Both the organ-specific expression of RcLUS1 (with an expression exclusively in stems of the glaucous phenotype) and the expression pattern during hypocotyl development (with a peak at day 12) exactly matched the accumulation of cuticular lupeol in the plant. From the strong correlation of the organ specific and time dependent accumulation of lupeol in the cuticle of glaucous hypocotyls on the one hand, and the expression patterns of the RcLUS1 gene on the other, it can be concluded that the lupeol synthase RcLUS1 from castor bean is the central enzyme responsible for the biosynthesis of cuticular lupeol. This is the first report on a cuticle-relevant triterpene synthase. Based on the studies on castor bean, it can be concluded that the biosynthesis of cuticular triterpenoids is accomplished by enzymatic cyclisation of the substrate 2,3-oxidosqualene and obviously controlled by a transcription regulation of the corresponding epoxysqualene cyclase. Phylogenetic analyses revealed that RcLUS1 exhibits only weak sequence similarities to the two clades of so far known lupeol synthases and was thus interpreted as a first member of a new class of lupeol synthases in higher plants. The RcLUS1 mutant F257W was created by a site-directed mutagenesis approach and the mutated enzyme was functionally characterized in yeast. The mutation resulted in an altered product pattern, switching from lupeol to β-amyrin, thus confirming the importance of the corresponding Trp in amyrin synthases for the catalytical function of these enzymes. Besides Ricinus communis, Lycopersicon esculentum was chosen as a model plant to study the biosynthesis of cuticular triterpenes. The implementation of the homology-based primer design and cloning strategy developed for castor bean led to the successful cloning of two triterpene synthases from L. esculentum. One of these enzymes, LeTTS1, was characterized as a monofunctional β-amyrin synthase. In contrast to the glaucous stems of R. communis, with α-, β- and δ-amyrin, more then one single triterpene compound accumulates to high amounts in the tomato fruit cuticle. The evidence of the cuticle-relevance of the cloned epoxysqualene cyclases LeTTS1 and LeTTS2 has to be proven in accompanying experiments by determination of the expression patterns of these genes.…