Contributions to Betalain Biochemistry
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Contributions to Betalain Biochemistry New structures, condensation reactions, and vacuolar transport Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät (mathematisch-naturwissenschaftlicher Bereich) der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg von Naoko Kobayashi geb. am 21.11.1967 in Toronto Gutachter: 1. Prof. D. Strack 2. Prof. T. Hartmann 3. Prof. T. M. Kutchan Halle (Saale), 20. 11. 2002 urn:nbn:de:gbv:3-000004594 [http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3Ade%3Agbv%3A3-000004594] Danksagung Diese Arbeit wurde im Institut für Pflanzenbiochemie (IPB) in Halle (Saale) in der Abteilung Sekundärstoffwechsel unter der Anleitung von Herrn Prof. Dr. Dieter Strack angefertigt. Ich möchte mich bei Herrn Prof. D. Strack sehr herzlich für die Überlassung des interessanten Themas, die gute Betreuung und das Interesse am Forschritt der Arbeit bedanken. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. Willibald Schliemann (IPB) für die engagierte Betreuung meiner Arbeit und die vielen wertvollen Diskussionen. Herrn Prof. Dr. Enrico Martinoia und Herrn Dr. Markus Klein, Institut de Botanique, Laboratoire de Physiologie Végétale, Université de Neuchâtel, Neuchâtel (Schweiz), danke ich für die Betreuung der Arbeit zum Vakuolentransport. Mein Dank gilt Herrn Prof. Dr. Nicolaus Amrhein, ETH Zürich (Schweiz), und Herrn Dr. Alfred Baumert (IPB), die mir AIP, ein PAL-Inhibitor, und (S)-4-Thiaprolin zur Verfügung stellten. Herrn Dr. Hartmut Böhm, Deutsches Institut für Ernährungsforschung, Bergholz-Rehbrücke, danke ich für die Überlassung von Hairy-Root-Kulturen der Gelben Rübe. Frau Dr. Inna Kuzovkina, K. A. Timiryasev Institut für Pflanzenphysiologie, Russische Akademie der Wissenschaften, Moskau (Russland), danke ich für die Überlassung von Hairy- Root-Kulturen der Roten Bete. Herrn Dr. Lothar Frese, Bundesanstalt für Züchtungsforschung an Kulturpflanzen, Braunschweig, danke ich für Samen der Gelben Rübe und Herrn Ralf Dehn, Botanischer Garten, Martin-Luther-Universität, Halle, für Blüten und Früchte verschiedener Kakteen. Herrn Dr. Jürgen Schmidt (IPB) danke ich für die LC-MS Analysen. Herrn Dr. Victor Wray, Herrn Dr. Manfred Nimtz und Herrn Dr. Michael Kiess (GBF, Braunschweig) danke ich für die 1H-NMR-, die Zucker- und Aminosäure-Analysen. Bei allen Mitarbeitern der Abteilung Sekundärstoffwechsel bedanke ich mich für die freundliche Arbeitsatmosphäre und die Unterstützung im Labor. Mein besonderer Dank gilt Frau Barbara Kolbe für die Unterstützung und die Toleranz. Ebenso möchte ich mich bei Herrn Dr. Thomas Fester, Herrn Dr. Thomas Vogt und Dr. Bettina Hause für wertvolle Diskussionen bedanken. Frau Christine Kaufmann danke ich für die Unterstützung bei grafischen Arbeiten und Frau Annette Kohlberg für die fotografischen Arbeiten. Den Mitarbeitern der Gärtnerei danke ich für die Anzucht und Pflege meiner Versuchspflanzen. Mein Forschungsaufenthalt in IPB wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Stelle und Sachmittel) dankenswerker Weise unterstützt. Parts from this thesis has been published and presented in lectures and posters above all in securing the priority. Publications SCHLIEMANN, W., KOBAYASHI, N., STRACK, D. (1999) The decisive step in betaxanthin bio- synthesis is a spontaneous reaction. Plant Physiol. 119, 1217-1232. KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., NIMTZ, M., WRAY, V., SCHLIEMANN, W. (2000) Betalains from Christmas cactus. Phytochemistry 54, 419-426. KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., WRAY, V., SCHLIEMANN, W. (2001) Formation and occurrence of dopamine-derived betacyanins. Phytochemistry 56, 429-436. YAMAMOTO, K., KOBAYASHI, N., YOSHITAMA, K., TERAMOTO, S., KOMAMINE, A. (2001) Isolation and purification of tyrosine hydroxylase from callus cultures of Portulaca grandiflora. Plant Cell Physiol. 42, 969-975. Lectures KOBAYASHI, N., SCHLIEMANN, W., STRACK, D. Betaxanthin biosynthesis in the hairy root culture of Beta vulgaris L. subsp. vulgaris ‘Golden Beet’ (Garden Beet Group) Laboratoire de Physiologie végétale, Université de Neuchâtel (Switzerland), May 14, 1998 SCHLIEMANN, W., KOBAYASHI, N., STEINER, U., STRACK, D. Spontaneous reactions in betalain biosynthesis 4th Dutch-German Workshop on Regulation of Secondary Metabolism, Bad Herrenalb, September 27-29,1998 KOBAYASHI, N., SCHLIEMANN, W., STRACK, D. Betaxanthin formation in plants and hairy root cultures of Beta vulgaris L. Chiba University, Faculty of Pharmaceutical Sciences, Laboratory of Molecular Biology and Biotechnology, Research Center of Medicinal Resources, Chiba (Japan), December 18, 1998 KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., NIMTZ, M., WRAY, V., SCHLIEMANN, W. Betalains from Christmas cactus (Schlumbergera x buckleyi) XXth International Conference on Polyphenols, Freising-Weihenstephan, September 11-15, 2000 Posters SCHLIEMANN, W., KOBAYASHI, N., STEINER, U., STRACK, D. Non-enzymic steps in betalain biosynthesis Botanical Congress, Bremen, August 30 - September 6, 1998 KOBAYASHI, N., SCHLIEMANN, W., STRACK, D. Is the last step in betalain biosynthesis an enzymic or a spontaneous process? 4th Dutch-German Workshop on Regulation of Secondary Metabolism, Bad Herrenalb, September 27-29,1998 SCHLIEMANN, W., KOBAYASHI, N., STEINER, U. S., VOGT, T., STRACK, D. Enzymic and molecular analysis of betalain biosynthesis 75th Annual Meeting of the American Society of Plant Physiologists, Baltimore, MD, USA, July 24-28,1999 KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., SCHLIEMANN, W. Metabolic formation and occurrence of dopamine-derived betacyanins Symposium „Secondary plant products. Botany - Natural Product Chemistry - Technology“. Vereinigung für Angewandte Botanik und Sektion Pflanzliche Naturstoffe der Deutschen Botanischen Gesellschaft, Universität Jena, September 30 - October 2, 1999 KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., STRACK, D., SCHLIEMANN, W. A new biosynthetic pathway leading to dopamine-derived betacyanins DECHEMA-Symposium „Aktuelle Entwicklungen in der Naturstofforschung“, 12. Irseer Naturstofftage der DECHEMA e.V., Irsee, February 23-25, 2000 KOBAYASHI, N., SCHMIDT, J., NIMTZ, M., WRAY, V., SCHLIEMANN, W. Betalains from Schlumbergera x buckleyi Meeting „Biosynthesis and Accumulation of Secondary Products“, Martin-Luther- University Halle-Wittenberg, Halle (Saale), September 24-27, 2000 SCHLIEMANN, W., KOBAYASHI, N., STEINER, U.S., VOGT, T., STRACK, D. Advances in betalain biosynthesis of higher plants Meeting „Biosynthesis and Accumulation of Secondary Products“, Martin-Luther- University Halle-Wittenberg, Halle (Saale), September 24-27, 2000 Content Content 1 Introduction…………………………………………………………………………..1 1.1 Plant pigments……………………………………………………………………….1 1.2 Betalains……………………………………………………………………………..3 1.3 Aim of the study……………………………………………………………………..6 2 Materials………………………………………………………………………………8 2.1 Plants………………………………………………………………………………….8 2.1.1 Beets…………………………………...………………………………………….8 2.1.2 Cactaceae…………………………………………………………………………8 2.1.3 Plants……………………………..…………………………………………….…9 2.2 Cell cultures…………………………………………………………………………..9 2.2.1 Hairy root cultures of beets………………….…………………………….……...9 2.2.2 Other cell cultures……………………………………………………………….10 2.3 Chemicals……………………………………………………………………………11 2.4 Equipments…………………………………………………………………………..11 3 Methods………………………………………………………………………………12 3.1 Isolation and purification of betalains……………………………………………….12 3.1.1 Isolation and purification of dopamine-derived betacyanins……………...…….12 3.1.2 Isolation and purification of betalains from Christmas cactus..…...…………….12 3.1.3 Isolation of miraxanthin V (dopamine-betaxanthin) and betalamic acid………..12 3.1.4 Partial synthesis of (R)-Phe-betaxanthin and vulgaxanthin I [(S)-Gln-betaxanthin]……………………………………………………………13 3.2 Accumulation and occurrence of betalains……………..………………………...…13 3.2.1 Short-term dopamine feeding experiment…………………………………...…..13 3.2.2 Identification and quantification of dopamine-derived betacyanins by co-injection analyses………………………………..………………………..14 3.2.3 Betacyanin compositions during flower development and in different flower organs of Christmas cactus…………………………….………………………...14 3.2.4 Betacyanin compositions in fruits and flowers from different species of Cactaceae………..……………………………………………………………15 3.3 Feeding experiments………………………………………………………………...15 3.3.1 Feeding of amino acids and amines to hairy root cultures of yellow beet and seedlings of fodder beet…………………………………………………………15 Content 3.3.2 Feeding of (S)-Phe, (R)-Phe and (S)/(R)-Phe to different cultures and fodder beet seedlings…………………………..……………………………15 3.3.3 Uptake kinetics of (S)-Phe, (R)-Phe and (S)/(R)-Phe by hairy root cultures of yellow beet………………………………………………………………………16 3.3.4 Feeding of amino acids and (NH4)2SO4 to hairy root culture of yellow beet……………………………………………………………………16 3.3.5 Feeding of 2-aminoindan 2-phosphonic acid (AIP) to hairy root cultures of yellow beet and seedlings of fodder beet………………………………………..17 3.3.6 Feeding of betalamic acid to broad bean and pea seedlings…………………….17 3.4 Extraction of betalains………………………………………………………………17 3.5 Preparation of protein extracts and assays for the condensation of betalamic acid with amino acids…………………………………………………………………….17 3.6 Uptake of betaxanthins to red beet vacuoles………………...………………………18 3.6.1 Preparation of protoplasts and vacuoles from red beet hypocotyls…….…...……18 3.6.2 Marker enzymes………………………………………………………………….19 3.6.3 Transport studies……………...………………………………………………….20 3.6.4 Preparation of mini-protoplasts and uptake experiments………………………...20 3.7 High performance liquid chromatography (HPLC)………………………………….21 3.8