Plant productivity is frequently limited by the availability of nitrogen. Understanding the mechanisms of nitrogen acquisition, storage and recycling and their role in the metabolic and regulatory network of a plant cell is important to meet the demands of a growing human population for agricultural products. While the molecular mechanisms of nitrogen acquisition and assimilation are intensively studied, less is known about storage and recycling within the plant. Therefore, the focus of this study was on the catabolism of arginine in Arabidopsis and its function in transport, storage and recycling of nitrogen, in addition to its function as building block in protein synthesis or as precursor for polyamines.


Arginine biosynthesis and degradation is distributed over three cellular compartments - cytosol, plastids and mitochondria - which generates a need for specific transport systems for arginine as well as for synthesis and degradation intermediates In Arabidopsis, two intracellular arginine transporters, the basic amino acid carriers BAC1 and BAC2, were predicted to be mitochondrial proteins. I/We demonstrated the mitochondrial localization of the BAC proteins experimentally in planta and in vivo.


After import into mitochondria arginine is processed by the activities of two arginase isoenzymes (ARGAH1 and ARGAH2), ornithine-(delta-)aminotransferase (delta-OAT) and (delta-)1-pyrroline-5-carboxylate dehydrogenase (P5CDH). Analysis of interaction characteristics of the arginine catabolising enzymes revealed homo- and hetero-oligomerisation of the arginase isoforms as well as homo-oligomerisation of P5CDH, pointing towards tissue specific arginase activity or pH dependent P5CDH activity. A specific polyclonal antibody against natively purified (delta-)OAT was raised, useful for pull down assays of native protein complexes from mitochondrial extracts and further investigations of enzyme complexes involving arginine degrading enzymes.


Investigating the physiological role of (delta-)OAT, it was found to contribute not significantly to very early seedling development, but in later stages of development. The retarded growth of delta-oat mutants indicates an important role of (delta-)OAT activity for recycling of nitrogen from arginine in Arabidopsis and therefore an optimal plant internal nitrogen supply, directly associated with ideally plant productivity.

Die Produktivität von Pflanzen ist häufig durch die Verfügbarkeit von Stickstoff begrenzt. Das Verständnis der Mechanismen von Stickstoffaufnahme, -speicherung und -wiederverwertung sowie deren Rolle im metabolischen und regulatorischen Netzwerk einer Pflanzenzelle ist von großer Bedeutung, um den Bedarf einer wachsenden Weltbevölkerung an landwirtschaftlichen Produkten befriedigen zu können. Während die molekularen Mechanismen der Stickstoffaufnahme und assimilierung intensiv untersucht wurden, ist wenig über die Stickstoffspeicherung und -wiederverwertung in Pflanzen bekannt. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf dem Katabolismus von Arginin und seiner Funktion im Transport, der Speicherung und Wiederverwertung von Stickstoff, neben der Rolle als Baustein in der Proteinsynthese oder als Vorstufe für Polyamine.


Die Synthese und der Abbau von Arginin sind über drei zelluläre Kompartimente verteilt - Cytosol, Plastiden und Mitochondrien - und erzeugen damit die Notwendigkeit spezifischer Transportsysteme für Arginin sowie für dessen Synthese- und Abbau- und Zwischenprodukte. Für zwei intrazelluläre Arginintransporter, die Carrier für basische Aminosäuren (BAC1 und BAC2), wurde eine Lokalistaion in Mitochondrien vorhergesagt. Die mitochondriale Lokalisation der BAC Proteine wurde im Rahmen dieser Arbeit experimentell in planta und in vivo bestätigt.
Nach dem mitochondrialen Import wird Arginin durch die Aktivitäten von zwei Arginase-Isoformen (ARGAH1 und ARGAH2), der Ornithin-(delta-)aminotransferase (delta-OAT) und der (delta-)1-Pyrrolin-5-carboxylat Dehydrogenase (P5CDH) weiter prozessiert. Die Analyse der Interaktionscharakteristika der Arginin-abbauenden Enzyme zeigte eine Homo- und Hetero-Oligomerisierung der Arginase-Isoformen sowie die Homo-Oligomerisierung von P5CDH, was auf eine gewebespezifische Regulation der Arginase-Aktivität bzw. auf eine pH-abhängige Aktivität von P5CDH hinweist. Gegen nativ aufgereinigtes Protein der (delta-)OAT wurde ein spezifischer polyklonaler Antikörper hergestellt, einsetzbar für Immunopräzipitationen von nativen Proteinkomplexen aus mitochondrialen Extrakten und weiteren Untersuchungen, um die Existenz von Enzymkomplexen unter Beteiligung von Arginin-abbauenden Enzymen zu analysieren.


Untersuchungen zur physiologischen Rolle von (delta-)OAT zeigten keine signifikante Beteiligung von (delta-)OAT in der frühen Keimlingsentwicklung, jedoch in späteren Phasen der Pflanzenentwicklung. Das verzögerte Wachstum der (delta-)oat Mutanten spricht für eine wichtige Rolle der Aktivität von (delta-)OAT in der Wiederverwertung von, in Arginin gespeichertem, Stickstoff in Arabidopsis und damit für eine Rolle in der optimalen Pflanzen-internen Stickstoffversorgung, welche wiederum direkt mit der Produktivität von Pflanzen verbunden ist.