Hydroxymethylated Dioxobilins in Senescent Arabidopsis thaliana Leaves: Sign of a Puzzling Biosynthetic Intermezzo of Chlorophyll Breakdown

Abstract

1‐Formyl‐19‐oxobilin‐type tetrapyrroles are characteristic, abundant products of chlorophyll breakdown in senescent leaves. However, in some leaves, 1,19‐dioxobilin‐type chlorophyll catabolites (DCCs) lacking the formyl group accumulate instead. A P450 enzyme was identified in in vitro studies that removed the formyl group of a primary fluorescent chlorophyll catabolite (pFCC) and generated fluorescent DCCs. These DCCs are precursors of isomeric nonfluorescent DCCs (NDCCs). Here, we report a structural investigation of the NDCCs in senescent leaves of wild‐type Arabidopsis thaliana. Four new NDCCs were characterized, two of which carried a stereoselectively added hydroxymethyl group. Such formal DCC hydroxymethylations were previously found in DCCs in leaves of a mutant of A. thaliana. They are now indicated to be a feature of chlorophyll breakdown in A. thaliana, associated with the specific in vivo deformylation of pFCC en route to NDCCs.

A Role for TIC55 as a Hydroxylase of Phyllobilins, the Products of Chlorophyll Breakdown during Plant Senescence

“…To our surprise, tic55 mutants accumulated a smaller proportion of O8 4 demethylated phyllobilins ( Figure 6D), indicating that MES16, catalyzing demethylation in Arabidopsis (Christ et al, 2012), might preferentially accept hydroxylated catabolites as substrate. Furthermore, the proportion of hydroxymethylated phyllobilins was higher in tic55 mutants ( Figure 6E), which was in agreement with the suggestion that C2 or C4 hydroxymethylation and C3 2 hydroxylation exclude each other (Süssenbacher et al, 2015).…”

Ein fluoreszierender Chlorophyll‐Katabolit des Dioxobilin‐Typs als transientes und frühes Zwischenprodukt des Dioxobilin‐Astes des Chlorophyllabbaus in Arabidopsis thaliana

“…[6] Aus A.-thaliana-Blättern, die für 2T age (212 g) oder 3T age (148 g (2)war (der vorher als At-NDCC-1 bezeichnet wurde). [6,8] Im 600- H-COSY-, 1 H, 13 C-HSQC-und 1 H, 13 C-HMBCSpektren zeigte,d ass die Konstitution der Ringe Bu nd C jenen der bekannten FCCs entsprach. [9] Zwei dd bei d = 4.43 ppm und bei d = 4.83 ppm deuteten auf Wasserstoffatome an den Positionen C4 und C16 hin, wie es schon früher in DNCC-Spektren beobachtet werden konnte.…”

“…Die Analyse der 2D-NMR-Spektren [10] Bei pH 5i somerisierte auch eine Probe von pDFCCs (aus der In-vitro-Deformylierung des pFCC) zu einem Paar von DNCCs. [6] Um den Isomerisierungsprozess des isolierten natürlichen At-DFCC-33 (1) [8] Somit war das nichtfluoreszierende Produkt der säurekatalysierten Isomerisierung des At-DFCC-33 nicht unterscheidbar von At-DNCC-33, dem Hauptabbauprodukt von Chl in seneszenten Blättern von Wildtypus A. thaliana. [6,8] Die Entdeckung eines natürlichen 1,19-Dioxobilin-artigen FCCs (des DFCC 1), wie auch seine hier beschriebe selektive Isomerisierung zum DNCC 2,u nterstützt die essenzielle Rolle solcher kurzlebiger fluoreszierender Zwischenprodukte im Chl-Abbau in hçheren Pflanzen, wie etwa im Wildtypus von A. thaliana.I nteressanterweise konnte kürz-lich in einer Arbeit über die Chl-Kataboliten in seneszenten Blättern einer A.-thaliana-Mutante ein modifizierter "fluoreszierender" 1,19-Dioxobilin-Typ Chl-Katabolit (ein FDCC) identifiziert werden, der eine rätselhafte zusätzliche Hydroxymethylgruppe trug.D ie gleiche Modifikation konnte auch in einigen NDCCs,s owohl dieser Mutante [11] als auch des Wildtypus von A. thaliana beobachtet werden.…”

“…[6,8] Die Entdeckung eines natürlichen 1,19-Dioxobilin-artigen FCCs (des DFCC 1), wie auch seine hier beschriebe selektive Isomerisierung zum DNCC 2,u nterstützt die essenzielle Rolle solcher kurzlebiger fluoreszierender Zwischenprodukte im Chl-Abbau in hçheren Pflanzen, wie etwa im Wildtypus von A. thaliana.I nteressanterweise konnte kürz-lich in einer Arbeit über die Chl-Kataboliten in seneszenten Blättern einer A.-thaliana-Mutante ein modifizierter "fluoreszierender" 1,19-Dioxobilin-Typ Chl-Katabolit (ein FDCC) identifiziert werden, der eine rätselhafte zusätzliche Hydroxymethylgruppe trug.D ie gleiche Modifikation konnte auch in einigen NDCCs,s owohl dieser Mutante [11] als auch des Wildtypus von A. thaliana beobachtet werden. [8] Der At-DFCC-33 (1)w urde hingegen als einziges Stereoisomer erhalten und es wurde kein Epimer von 1 im Blattextrakt gefunden. Basierend auf diesen Ergebnissen wird davon ausgegangen, dass die hypothetische stereoselektive Ausbildung von 1 über eine enzymatische oxidative In-vivo-Deformylierung eines Vorläufer-FCCs stattfindet.…”

“…In diesem Zusammenhang scheint die Gegenwart einer primären Hydroxygruppe an der Ethylseitenkette der C3-Position im At-DFCC-33 (1)ein wichtiges Element zu sein, [8] was auf einen dazu passenden, schon hydroxylierten FCC [10c] Der DFCC 1 trägt ebenfalls eine freie 8 2 -Carbonsäurefunktion. Wies chon beim "primären" FCC (pFCC) gezeigt, [10a,b] wird auch hier angenommen, dass die Propionsäure-GruppeamC12 eine rasche stereoselektive Isomerisierung von 1 zu 2 induziert.…”