On the role of sugar compartmentation and stachyose synthesis in symplastic phloem loading

Im Phloem werden Assimilate von den Source-Organen zu den Sink-Organen der Pflanze transportiert. Bei der Beladung des Phloems mit Assimilaten werden zwei mögliche Mechanismen unterschieden, die als apoplastische und symplastische Phloembeladung bezeichnet werden. Bei Pflanzenarten mit potentiell symplastischer Phloembeladung sind Mesophyllzellen und Phloem durch zahlreiche Plasmodesmata miteinander verbunden, welche einen symplastischen Übertritt der Assimilate erlauben. Diese morphologische Struktur ist korreliert mit dem Transport von Stachyose und Raffinose neben dem von Saccharose. Im Gegensatz dazu fehlen bei apoplastischen Phloembeladern diese symplastischen Verbindungen zwischen beiden Geweben. Die Anwesenheit von Plasmodesmata macht es für die symplastischen Phloembelader notwendig, einen effektiven Mechanismus zu entwickeln, der die Rückdiffusion der Kohlenhydrate aus dem Phloem ins Mesophyll verhindert. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war, die mögliche Rolle der Kompartimentierung der Kohlenhydrate und ihrer Synthese bei der Etablierung eines solchen Mechanismus zu untersuchen. Als erstes wurde die subzelluläre Verteilung der Kohlenhydrate in den Mesophyllzellen der Modell-Pflanzen, Alonsoa meridionalis und Asarina barclaiana (Scrophulariaceae) analysiert. Alonsoa ist ein symplastischer Phloembelader und Asarina ein apoplastischer. Im zweiten Teil wurde die Kapazität der Plasmamembran der Blattzellen, unterschiedliche Kohlenhydrate zwischen Apoplasten und Cytosol auszutauschen, in einer Reihe symplastischer und apoplastischer Phloembelader untersucht. Im dritten Teil wurde das Expressionsmuster der Stachyosesynthase in Blättern von Alonsoa meridionalis (AmSTS) auf zellulärer Ebene analysiert. Die Regulation der AmSTS-Expression wurde untersucht, indem der AmSTS Promotor isoliert und AmSTS-GUS Konstrukte in Arabidopsis thaliana exprimiert wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die subzelluläre Kompartimentierung der Kohlenhydrate in den Mesophyllzellen des symplastischen Phloembeladers Alonsoa und des apoplastischen Phloembeladers Asarina gleich waren. Auch in der Aufnahme-Kapazität für unterschiedliche Kohlenhydrate in Blättern der symplastischen und apoplastischen Phloembelader gab es keine Unterschiede zwischen den beiden Gruppen. Die Geleitzellen (Intermediärzellen) des Phloems in Alonsoa wurden als Ort der AmSTS-Expression und damit der Stachyosesynthese identifiziert. Es wurde weiterhin gezeigt, dass sich die Expression der AmSTS auf die Geleitzellen des Phloems von Source-Organen beschränkt und dass sie über Osmotika reguliert werden kann. Auf Basis dieser Ergebnisse wird diskutiert, ob Stachyose in den Intermediärzellen innerhalb des Endomembran-Komplexen lokalisiert ist, was ihre Rückdiffusion aus den Intermediärzellen ins Mesophyll und damit den Ausgleich des Konzentrationsgradienten zwischen Mesophyll und Phloem verhindern würde.