Title (eng)
Characterising strategies of biochemical regulation in higher plants
patterns in the diurnal regulation of the primary metabolism in Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Charakterisierung von biochemischen Regulationsstrategien in höheren Pflanzen ; tageszeitabhängige Regulationsmuster im Primärstoffwechsel von Arabidopsis thaliana
Author
Jakob Weiszmann
Advisor
Wolfram Weckwerth
Assessor
Wolfram Weckwerth
Abstract (deu)
In Pflanzen stellt die diurnale Regulation von Stoffwechselprozessen eine Voraussetzung für
die effiziente Kontrolle von Wachstum, Entwicklungsprozessen und Stressreaktionen dar. Die
tageszeitabhängige Anpassung des Stoffwechsels ist für Pflanzen nötig, um auf eine Vielfalt
äußerer Parameter reagieren zu können. Jedoch stellt die Ableitung zugrundeliegender
Regulationsmechanismen aus Experimentaldaten eine Herausforderung dar, da sich eine
Vielzahl regulatorischer Kreisläufe nichtlinear verhält und daher eine intuitive Interpretation
erschweren. In der vorliegenden Arbeit wurde daher eine auf experimenteller
Kovarianzinformation basierende mathematische Methode angewandt, welche experimentell
ermittelte Stoffwechseldynamiken mit einem biochemischen Netzwerk verknüpfte. Mit
diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass die diurnale Regulation der Konzentrationen von
alpha- Ketoglutarat, Glutamat und Glukose eine zentrale Rolle im pflanzlichen
Primärstoffwechsel spielt. Darüber hinaus wurden Enzymreaktionen, die starken Einfluss auf
die diurnale Dynamik des Primärstoffwechsels ausüben, identifiziert. Schließlich wurde eine
computergestützte Benutzeroberfläche entwickelt, die die Reduktion von genombasierten,
biochemischen Netzwerken auf experimentell validierbare Kernstrukturen erleichtert.
Abstract (eng)
In plants, diurnal regulation has been shown to be essentially involved in growth control,
developmental processes and responses towards stress and fluctuating environmental
conditions. Diurnal reprogramming of metabolism is required to cope with the broad range of
external parameters faced by plants during the course of a day/night cycle. Yet, the derivation
of conclusive hypotheses dealing with these regulatory strategies from experimental datasets
is impeded by numerous regulatory circuits, non-linear enzyme kinetics and thermodynamic
constraints. To overcome this limitation and gain insight into the regulation of metabolism in
Arabidopsis thaliana, a covariance-based steady-state modelling approach was applied for the
functional integration of metabolomics data. The inverse approximation of biochemical
Jacobian matrices identified alpha- ketoglutarate, glutamate and glucose as key elements in
diurnal regulation of primary metabolism. Additionally, diurnal dynamics in core enzymatic
reactions could be characterized and validated by literature data and a proteomics dataset.
Particularly, an increase of alpha- ketoglutarate dehydrogenase protein abundance and a peak
in activity of two central transamination reactions could successfully be predicted. Finally, to
facilitate the extraction of meaningful biochemical networks from genome scale
reconstructions a user friendly graphical user interface (GUI) was developed.
Keywords (eng)
metabolic modellingdiurnal regulationprimary metabolismtca cycletransaminationarabidopsisjacobian matrix
Keywords (deu)
metabolische Modellierungtageszeitabhängige RegulationPrimärstoffwechselCitrat ZyklusTransaminierungArabidopsisJacobi Matrix
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Extent (deu)
59 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
63
Study plan
Masterstudium Botanik
[UA]
[066]
[832]
Association (deu)
Title (eng)
Characterising strategies of biochemical regulation in higher plants
patterns in the diurnal regulation of the primary metabolism in Arabidopsis thaliana
Parallel title (deu)
Charakterisierung von biochemischen Regulationsstrategien in höheren Pflanzen ; tageszeitabhängige Regulationsmuster im Primärstoffwechsel von Arabidopsis thaliana
Author
Jakob Weiszmann
Abstract (deu)
In Pflanzen stellt die diurnale Regulation von Stoffwechselprozessen eine Voraussetzung für
die effiziente Kontrolle von Wachstum, Entwicklungsprozessen und Stressreaktionen dar. Die
tageszeitabhängige Anpassung des Stoffwechsels ist für Pflanzen nötig, um auf eine Vielfalt
äußerer Parameter reagieren zu können. Jedoch stellt die Ableitung zugrundeliegender
Regulationsmechanismen aus Experimentaldaten eine Herausforderung dar, da sich eine
Vielzahl regulatorischer Kreisläufe nichtlinear verhält und daher eine intuitive Interpretation
erschweren. In der vorliegenden Arbeit wurde daher eine auf experimenteller
Kovarianzinformation basierende mathematische Methode angewandt, welche experimentell
ermittelte Stoffwechseldynamiken mit einem biochemischen Netzwerk verknüpfte. Mit
diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass die diurnale Regulation der Konzentrationen von
alpha- Ketoglutarat, Glutamat und Glukose eine zentrale Rolle im pflanzlichen
Primärstoffwechsel spielt. Darüber hinaus wurden Enzymreaktionen, die starken Einfluss auf
die diurnale Dynamik des Primärstoffwechsels ausüben, identifiziert. Schließlich wurde eine
computergestützte Benutzeroberfläche entwickelt, die die Reduktion von genombasierten,
biochemischen Netzwerken auf experimentell validierbare Kernstrukturen erleichtert.
Abstract (eng)
In plants, diurnal regulation has been shown to be essentially involved in growth control,
developmental processes and responses towards stress and fluctuating environmental
conditions. Diurnal reprogramming of metabolism is required to cope with the broad range of
external parameters faced by plants during the course of a day/night cycle. Yet, the derivation
of conclusive hypotheses dealing with these regulatory strategies from experimental datasets
is impeded by numerous regulatory circuits, non-linear enzyme kinetics and thermodynamic
constraints. To overcome this limitation and gain insight into the regulation of metabolism in
Arabidopsis thaliana, a covariance-based steady-state modelling approach was applied for the
functional integration of metabolomics data. The inverse approximation of biochemical
Jacobian matrices identified alpha- ketoglutarate, glutamate and glucose as key elements in
diurnal regulation of primary metabolism. Additionally, diurnal dynamics in core enzymatic
reactions could be characterized and validated by literature data and a proteomics dataset.
Particularly, an increase of alpha- ketoglutarate dehydrogenase protein abundance and a peak
in activity of two central transamination reactions could successfully be predicted. Finally, to
facilitate the extraction of meaningful biochemical networks from genome scale
reconstructions a user friendly graphical user interface (GUI) was developed.
Keywords (eng)
metabolic modellingdiurnal regulationprimary metabolismtca cycletransaminationarabidopsisjacobian matrix
Keywords (deu)
metabolische Modellierungtageszeitabhängige RegulationPrimärstoffwechselCitrat ZyklusTransaminierungArabidopsisJacobi Matrix
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
Number of pages
63
Association (deu)
License
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Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1325774Handle
https://hdl.handle.net/11353/10.1325774URN
https://nbn-resolving.org/nbn:at:at-ubw:1-29185.17417.843262-7 - Other links
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