Phosphoglucomutase is not the target for galactose toxicity in plants
Resumo
As plantas sintetizam vários açúcares oligoméricos ou poliméricos diferentes contendo galactose. Durante o crescimento e desenvolvimento, alguns desses carboidratos são metabolizados ou remodelados, liberando galactose como produto de degradação. Todas as fábricas estabeleceram vias de reciclagem para esses açúcares, para os quais parecem ter uma capacidade limitada de lidar. Exceder estes limites resulta na toxicidade do açúcar, que já é observada em concentrações tão baixas quanto 1 mmol·l-1 para galactose. O mecanismo de toxicidade da galactose é pouco compreendido, mas parece plausível que as enzimas envolvidas no metabolismo dos hidratos de carbono também possam ser os alvos responsáveis pelos efeitos adversos. Dados de leveduras e bactérias sugerem que a enzima fosfoglucomutase (PGM) é inibida pela galactose-1-fosfato. Para testar esta hipótese para plantas, expressamos PGM3 citosólico recombinante de Arabidopsis em E. coli. Curiosamente, a enzima não foi inibida pela galactose-1-fosfato em concentrações fisiológicas. Além disso, o PGM3 não converteu galactose-1-fosfato em galactose-6-fosfato, que foi sugerido como modo de ação inibitório em leveduras. Além disso, os níveis de metabólitos nas raízes de Arabidopsis foram analisados quanto à concentração de galactose-1-fosfato por meio de GC-MS. Mudas cultivadas em meio MS com sacarose continham menos de 10 nmol·g FW-1 de galactose-1-fosfato. Entretanto, mudas provenientes de placas, nas quais a sacarose foi substituída por galactose, apresentaram forte aumento de Gal-1-P para níveis de até 200 nmol·g FW−1.
Abstract
Plants synthesize a number of different oligomeric or polymeric sugars containing galactose. During growth and development some of these carbohydrates are metabolized or remodeled releasing galactose as a breakdown product. All plants have established recycling pathways for such sugars, for which they seem to have a limited capacity to cope with. Exceeding these limits results in sugar toxicity, which is observed already at concentrations as low as 1 mmol·l−1 for galactose. The mechanism of galactose toxicity is poorly understood but it seems plausible that the enzymes involved in carbohydrate metabolism also might be the targets responsible for the adverse effects. Data from yeast and bacteria suggests that the enzyme phosphoglucomutase (PGM) is inhibited by galactose-1-phosphate. To test this hypothesis for plants we expressed recombinant cytosolic PGM3 from Arabidopsis in E. coli. Intriguingly, the enzyme was not inhibited by galactose-1-phosphate at physiological concentrations. Furthermore, PGM3 did not convert galactose-1-phosphate to galactose-6-phosphate, which was suggested as the inhibitory mode of action in yeast. In addition, metabolite levels in Arabidopsis roots were analyzed for their galactose-1-phosphate concentration by means of GC–MS. Seedlings grown on MS-media with sucrose contained less than 10 nmol·g FW−1 of galactose-1-phosphate. However, seedlings from plates, in which the sucrose was replaced by galactose, showed a strong increase of Gal-1-P to levels of up to 200 nmol·g FW−1.
Martina Althammer
Constantin Blöchl
Roland Reischl
Christian G. Huber
Raimund Tenhaken
2020 - Frontiers in Plant Science
