Impaired chloroplast positioning affects photosynthetic capacity and regulation of the central carbohydrate metabolism during cold acclimation

Photosynthesis and carbohydrate metabolism of higher plants need to be tightly regulated to prevent tissue damage during environmental changes. The intracellular position of chloroplasts changes due to a changing light regime. Chloroplast avoidance and accumulation response under high and low light, respectively, are well known phenomena, and deficiency of chloroplast movement has been shown to result in photodamage and reduced biomass accumulation. Yet, effects of chloroplast positioning on underlying metabolic regulation are less well understood. Here, we analysed photosynthesis together with metabolites and enzyme activities of the central carbohydrate metabolism during cold acclimation of the chloroplast unusual positioning 1 (chup1) mutant of Arabidopsis thaliana. We compared cold acclimation under ambient and low light and found that maximum quantum yield of PSII was significantly lower in chup1 than in Col-0 under both conditions. Our findings indicated that net CO2 assimilation in chup1 is rather limited by biochemistry than by photochemistry. Further, cold-induced dynamics of sucrose phosphate synthase differed significantly between both genotypes. Together with a reduced rate of sucrose cycling derived from kinetic model simulations our study provides evidence for a central role of chloroplast positioning for photosynthetic and metabolic acclimation to low temperature

Investigation of relevant phase diagrams for high temperature solder materials

Die binären Systeme von Cu-Sn und Cu-Sb wurden in der vorliegenden Arbeit mittels mehrerer experimenteller Methoden untersucht (DTA, PXRD, HTPXRD, ESEM, EPMA). Zusätzlich wurde für das Cu-Sn-System die vorhandene Literatur seit 1894 aufgearbeitet und in einer detaillierten Zusammenfassung dargestellt. Die kontroverse Diskussion über die Art des Übergangs zwischen den Hochtemperaturphasen von Cu-Sn, namentlich die β-Phase (W-Typ) und die γ-Phase (BiF3-Typ), wurde wieder aufgegriffen. Die Messdaten der HTPXRD unterstützten die Theorie einer diffusionslosen und daher spontanen β-γ-Umwandlung, die Existenz eines β-γ-Zweiphasenmischgebiets wurde als unwahrscheinlich angesehen (siehe Abb. 55 und 56). Weiters erlaubte die Interpretation der Daten aus der thermischen Analyse (DTA) die Annahme zweier degenerierter invarianter Reaktionen bei 566 und 758°C, die aus dem β-γ-Übergang resultierten und in den Zweiphasengebieten (Cu)-β bzw. β-liquidus als schwache Signale aufscheinten (siehe Tabelle 21). Einige weitere invariante Reaktionen wurden bei geringfügig abweichenden Temperaturen, im Vergleich zur Literatur [15], beschrieben. Das Cu-Sb-System wurde mit denselben Methoden, mit Ausnahme der HTPXRD, untersucht. Es wurde versucht das vorliegende Phasendiagramm [43] zu bestätigen und die als ungesichert betrachteten Annahmen zu überprüfen (siehe Abb. 59 und 60). Die thermische Analyse stimmte gut mit der Literatur überein, nichtsdestotrotz mussten für einige Temperaturen, bei denen invariante Reaktionen beschrieben wurden, Anpassungen getroffen werden. Besonders die Reaktionen, welche die Hochtemperaturphase β (BiF3-Typ) entlang der kupferreichen Seite betrafen, ließen Interpretationsspielraum zu und bedürfen weiterer Beforschung. Die Löslichkeit von Kupfer in der δ-Phase (Cu78Sb21-Typ) war bei Temperaturen über 340°C erhöht. Das δ-ζ-Zweiphasenmischgebiet wurde in einem schmäleren Konzentrationsbereich und bei niedrigerem Sb-Gehalt gefunden. Der eutektoide Punkt bei 427°C (Zersetzung der β-Phase) wurde an einen um 3 at% Antimon erhöhten Wert angepasst. Zusätzlich wurde die η-Phase bei einer um 1-2 at% Sb erhöhten Zusammensetzung gefunden. Die Probe mit der Zusammensetzung Cu60Sb40, welche bei 600°C geglüht (Flüssig- Fest-Mischgebiet) und anschließend abgeschreckt wurde, zeigte im Röntgendiffraktogramm die bis dato unbekannte Phase ι (Ge7Ir3-Typ) mit einer angenommenen Zusammensetzung Cu3Sb7. Dieser Befund muss allerdings noch durch weitere Untersuchungen überprüft werden.The two binary systems Cu-Sn and Cu-Sb were investigated with various experimental methods (DTA, PXRD, HTPXRD, ESEM, EPMA). Additionally for the Cu-Sn system the available literature data since 1894 was summarized in a detailed literature review. For the Cu-Sn system the controversial discussion about the transition order between the high temperature phases β (W-type) and γ (BiF3-type) was set out. The data, especially those gained by the high temperature X-ray diffraction method, support the theory of a second-order transition between those phases, the existence of a β-γ-two-phase field seems to be unlikely (see Fig. 55 and 56). Accordingly, the interpretation of the thermal analysis (DTA) allows the assumption of the presence of two degenerated invariant reactions at 566 and 758°C (see Table 21). Some further invariant reactions were shifted to marginal different temperatures than described by the literature [15], as well as the solubility ranges of the occurring phases were adapted (from ESEM / EPMA data). To investigate the Cu-Sb system the same methods, excepting the HTPXRD, were employed. It was tried to confirm the present phase diagram [43] and clarify the less investigated parts of the phase diagram (see Fig. 59 and Fig. 60). The thermal analysis agreed well to the literature, nevertheless some adaptations for the invariant reaction temperatures were necessary (see Table 27). Especially those reactions which were located at the Cu-rich side of the metastable high temperature phase β (BiF3-type) left leeway for interpretations and require further investigation. The solubility of the δ-phase (Cu78Sb21-type) seemed to increase at temperatures above 340°C. The δ-ζ-two-phase field was found to be much narrower and was located at a lower Sb-content. The eutectoid point at 427°C (decomposition of the β-phase) was adapted to a value of about 3 at% Sb higher than estimated before, additionally the η- phase was found at a 1-2 at% higher composition of Sb. By quenching of a sample with 40 at% Sb from 600°C (liquidus-solidus-field) the new phase ι (Ge7Ir3-type) with an estimated composition of Cu3Sb7 was found in the PXRD, which has to be verified by further experiments

Resolving subcellular plant metabolism

Plant cells are characterized by a high degree of compartmentalization and a diverse proteome and metabolome. Only a very limited number of studies has addressed combined subcellular proteomics and metabolomics which strongly limits biochemical and physiological interpretation of large‐scale ’omics data. Our study presents a methodological combination of nonaqueous fractionation, shotgun proteomics, enzyme activities and metabolomics to reveal subcellular diurnal dynamics of plant metabolism. Subcellular marker protein sets were identified and enzymatically validated to resolve metabolism in a four‐compartment model comprising chloroplasts, cytosol, vacuole and mitochondria. These marker sets are now available for future studies that aim to monitor subcellular metabolome and proteome dynamics. Comparing subcellular dynamics in wild type plants and HXK1‐deficient gin2‐1 mutants revealed a strong impact of HXK1 activity on metabolome dynamics in multiple compartments. Glucose accumulation in the cytosol of gin2‐1 was accompanied by diminished vacuolar glucose levels. Subcellular dynamics of pyruvate, succinate and fumarate amounts were significantly affected in gin2‐1 and coincided with differential mitochondrial proteome dynamics. Lowered mitochondrial glycine and serine amounts in gin2‐1 together with reduced abundance of photorespiratory proteins indicated an effect of the gin2‐1 mutation on photorespiratory capacity. Our findings highlight the necessity to resolve plant metabolism to a subcellular level to provide a causal relationship between metabolites, proteins and metabolic pathway regulation

Approaches in Sustainable, Biobased Multilayer Packaging Solutions

The depletion of fossil resources and the growing demand for plastic waste reduction has put industries and academic researchers under pressure to develop increasingly sustainable packaging solutions that are both functional and circularly designed. In this review, we provide an overview of the fundamentals and recent advances in biobased packaging materials, including new materials and techniques for their modification as well as their end-of-life scenarios. We also discuss the composition and modification of biobased films and multilayer structures, with particular attention to readily available drop-in solutions, as well as coating techniques. Moreover, we discuss end-of-life factors, including sorting systems, detection methods, composting options, and recycling and upcycling possibilities. Finally, regulatory aspects are pointed out for each application scenario and end-of-life option. Moreover, we discuss the human factor in terms of consumer perception and acceptance of upcycling

Current Status of Cellulosic and Nanocellulosic Materials for Oil Spill Cleanup

Recent developments in the application of lignocellulosic materials for oil spill removal are discussed in this review article. The types of lignocellulosic substrate material and their different chemical and physical modification strategies and basic preparation techniques are presented. The morphological features and the related separation mechanisms of the materials are summarized. The material types were classified into 3D-materials such as hydrophobic and oleophobic sponges and aerogels, or 2D-materials such as membranes, fabrics, films, and meshes. It was found that, particularly for 3D-materials, there is a clear correlation between the material properties, mainly porosity and density, and their absorption performance. Furthermore, it was shown that nanocellulosic precursors are not exclusively suitable to achieve competitive porosity and therefore absorption performance, but also bulk cellulose materials. This finding could lead to developments in cost- and energy-efficient production processes of future lignocellulosic oil spillage removal materials

Investigation of the ternary Cu-Li-Sn system and its binary subsystems as new anode materials for improved lithium-ion batteries

Die vorliegende Arbeit stellt eine experimentelle Untersuchung des ternären Systems Cu-Li-Sn und den zugehörigen binären Randsystemen Cu-Sn, Cu-Li und Li-Sn dar. Sie wurde im Rahmen des Schwerpunktprogrammes “WeNDeLIB” (Werkstoffe mit neuem Design für verbesserte Lithium-Ionen-Batterien) durchgeführt. Die ternären Legierungen sind potentielle Materialien für verbesserte Li-Ionen Akkus, die für Hochenergieanwendungen wie stationäre Energiespeicher oder Elektrofahrzeuge geeignet sind. Obwohl es diesbezüglich bereits einige wenige konkrete Untersuchungen gab, sind die genauen Phasenverhältnisse, die die Ein- und Auslagerung von Lithium bedingen, noch unzureichend erforscht. Im Speziellen betrifft dies die genaue Kenntnis des Phasendiagramms. Für ein zielgerichtetes Design von verbesserten Li-Ionen Akkus mittels computerunterstützten Verfahren ist eine genaue Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften der zugehörigen Materialsysteme unabdingbar. In dieser experimentellen Arbeit wurden über 140 binäre und ternäre Legierungsproben hergestellt, bei verschiedenen Temperaturen getempert und anschließend abgeschreckt. Die Phasenverhältnisse wurden mittels Pulverröntgendiffraktometrie untersucht, die Reaktions- und Umwandlungstemperaturen erschlossen sich aus der Differenzthermoanalyse. An gepulverten Cu-Sn Legierungen wurden zusätzlich Hochtemperaturuntersuchungen mittels Röntgendiffraktometrie durchgeführt. Daraus ergaben sich Überlegungen zum Umwandlungsmechanismus der beiden Hochtemperaturphasen, welche aus abgeschreckten Proben nicht isolierbar waren. Alle erwähnten binären Phasendiagramme wurden eingehend überprüft und bisher fehlende experimentelle Informationen ergänzt. Das komplette ternäre System wurde neu untersucht, da kaum Literatur zu diesem System verfügbar war. Zusätzlich zu den zwei bekannten ternären Phasen wurden sechs weitere mittels Pulverröntgendiffraktometrie entdeckt, die Kristallstrukturen von vier davon konnten mittels Einkristalldaten aufgeklärt werden. Die wichtigsten Phasenfelder im System Cu-Li-Sn wurden mittels Pulverröntgendaten lokalisiert, des Weiteren wurden isotherme Schnitte bei 300 °C, 400 °C, 500 °C und 600 °C beschrieben. Durch Thermoanalyse von allen Proben und Interpretation der aufgetretenen Temperatureffekte, in Kombination mit der Kenntnis der Röntgenstrukturdaten, konnte eine weitgehend vollständige Beschreibung des Phasendiagramms erzielt werden. Dieses wurde in neun weiteren vertikalen Schnitten, einer Projektion der Schmelzoberfläche sowie eines Reaktionsschemas nach Scheil dargestellt. Des Weiteren wurden molare Mischungsenthalpien bei 500 und 800 °C von den Systemen Cu-Li, Li-Sn und Cu-Li-Sn mittels Einwurfkalorimetrie gemessen. Alle diese Ergebnisse sind Ausgangspunkt für eine qualitativ hochwertige thermodynamische Beschreibung des Legierungssystems Cu-Li-Sn und tragen einen wesentlichen Teil dazu bei, dessen Materialeigenschaften berechnen und abschätzen zu können.This work is an experimental investigation on the ternary Cu-Li-Sn system and the binary subsystems Cu-Sn, Cu-Li and Li-Sn. It was done within the framework of the DFG priority program “WeNDeLIB” (Materials for the New Design of Li-Ion Batteries). The ternary alloys are interesting materials for improved Li-ion batteries, which could be used for high-power applications as stationary energy storage systems or electro mobility. Despite some lithiation experiments have been already performed with these materials by various authors, the phase relations, particularly the phase diagram, was widely unknown. However, for the design of new Li-ion batteries based on computational methods thermodynamic data for the respective material systems are indispensable. For this work more than 140 samples from the ternary and constituent binary systems were prepared, annealed at different temperatures and quenched. The phase relations were examined with powder XRD, the reaction and transformation temperatures have been determined by DTA techniques. High-temperature powder XRD was employed to verify the transformations between the non-quenchable high temperature phases of the Cu-Sn system. All binary phase diagrams have been essentially improved and missing phase diagram data was completed. The complete ternary system was newly investigated, because very scarce literature data was available. In addition to the two known ternary phases, six further ones were identified by powder XRD in which the crystal structures of four phases could be described doing single-crystal XRD. Major phase fields were located by powder XRD, isotherms at 300 °C, 400 °C, 500 °C and 600 °C were established. DTA of all samples together with XRD results revealed a most probable version of the ternary Cu-Li-Sn phase diagram, which is described by nine isopleths, a liquidus surface projection and a corresponding Scheil reaction scheme. Mixing enthalpies at 500 and 800 °C were measured in the systems Cu-Li, Li-Sn and Cu-Li-Sn by drop calorimetry. All our results will mandatorily contribute to a high quality thermodynamic assessment of the Cu-Li-Sn system which gives access to the calculation and estimation of various materials properties

Reprogramming of plant metabolism in a changing environment

Zahlreiche Umweltbedingungen beeinflussen die Verbreitung, das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen. Daher ist die Untersuchung von Pflanze-Umweltinteraktionen von zentraler Bedeutung für die Grundlagenforschung als auch Biotechnologie. In höheren Pflanzen führen sowohl spontane als auch langfristige Änderungen abiotischer Faktoren, wie zum Beispiel Temperatur und Lichtintensität, zu einer Anpassung des Stoffwechsels. Diese Anpassung betrifft oftmals gleichzeitig die molekularen Ebenen des Transkriptoms, Proteoms und Metaboloms sowie der Kommunikation und Signalgebung zwischen Zellorganellen. Pflanzliche Zellen besitzen einen stark kompartimentierten Stoffwechsel, weshalb regulatorische Prinzipien oftmals nur mit sehr hohem Zeit- und Arbeitsaufwand erfassbar sind. Mathematische Modelle des pflanzlichen Stoffwechsels haben sich bei der Erfassung sowie der quantitativen Analyse komplexer Fragen zu Pflanze-Umwelt Interaktionen als sehr hilfreich erwiesen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der stressinduzierten Stoffwechselanpassung in Arabidopsis thaliana. Zunächst wird eine experimentelle Methode zur Auflösung subzellulären Metabolitkonzentrationen vorgestellt. Die Trennung zellulärer Fraktionen aufgrund von Dichtegradienten in Kombination mit Aktivitätsbestimmung spezifischer Markerenzyme und mathematischen Korrelationsstrategien ermöglichte eine Aussage über Metabolitverteilungen in den unterschiedlichen Kompartimenten. Diese Methode ermöglichte zudem die Auflösung von Stoffwechseldynamiken in einer reproduzierbaren und statistisch robusten Art und Weise. In einer Kälteakklimatisierungsstudie konnten verschiedene regulatorische Prinzipien der Stoffwechselanpassung zwischen einer kältesensitiven (Cvi) und kältetoleranten (Rschew) natürlichen Akzession von Arabidopsis thaliana festgestellt werden. Während der subzelluläre Stoffwechsel der toleranten Akzession durch kälteinduzierte Akkumulation von Zuckern, organischen Säuren und Aminosäuren geprägt war, war vor allem der Aminosäurestoffwechsel der sensitiven Akzession durch eine signifikante subzelluläre Verschiebung gekennzeichnet. Für die Quantifizierung der Beiträge einzelner subzellulärer Kompartimente zur Stabilisierung einer metabolischen Homöostase während umweltbedingter Fluktuationen wurden verschiedene mathematische Modelle erstellt und simuliert. Zudem wurden Charakteristika bezüglich des Stabilitätsverhaltens nach Auslenkung untersucht. Modellsimulationen deuteten darauf hin, dass der Saccharosestoffwechsel im Blatt durch plastidäre als auch zytosolische Regulation effizienter stabilisiert wird als durch vakuoläre Regulation. Um die Anwendbarkeit von mathematischen Analysen mit nicht-linearen Zeitserien- Experimenten zu ermöglichen, wurde eine Strategie zur Verbindung von dynamischen metabolischen Funktionen mit biochemischen Netzwerkstrukturen entwickelt. Diese Methode wurde zur Analyse experimenteller Datensätze verwendet, wobei regulatorisch bedeutende Zeitpunkte in der täglichen Saccharose-Dynamik sowie der stressinduzierten Flavonoid- Biosynthese identifiziert werden konnten. Zusätzlich wurden die Auswirkungen eines kombinierten Kälte- und Hochlichtstresses auf den Stoffwechsel des Arabidopsis-Wildtyps Columbia-0 analysiert und mit Stoffwechselmutanten des zentralen Kohlenhydratmetabolismus verglichen. Hierzu wurden Verfahren der statistischen Mustererkennung verwendet, welche eine Klassifizierung von Metabolit-, Protein- und physiologischen Chlorophyllfluoreszenzdaten ermöglichte. In Kombination mit multivariater Datenanalyse konnten Komponenten eines zentralen molekularen Netzwerks identifiziert werden, welches Teil der Stressreaktion aller analysierten Genotypen war. Dieses Netzwerk umfasste 23 Proteine und verknüpfte transkriptionelle Regulation mit Stoffwechselwegen des Primär- und Sekundärmetabolismus. Diese Befunde belegen die Komplexität pflanzlicher Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen. Gleichzeitig beschreibt diese Arbeit experimentelle und theoretische Ansätze, welche zu neuen Erkenntnissen im Gebiet pflanzlicher Stressreaktionen führen.Various environmental factors affect plant distribution, growth and yield. Hence, a central aim of biological research is to quantify plant-environment interactions. In higher plants, abiotic factors like temperature and light intensity are well described to induce a reprogramming of metabolism. Further, plants are able to efficiently adapt to a changing environment, comprising a reprogramming of the transcriptome, proteome and metabolome as well as communication and signalling between subcellular organelles. Since higher plants possess one of the most compartmentalized cells across all kingdoms of life, it is particularly challenging to elucidate regulatory strategies. Mathematical models, i.e. abstract representation of plant metabolism, have been shown to be suitable to overcome this limitation and to facilitate quantitative analysis of plant-environment interactions. The present work comprises different attempts to unravel reprogramming of metabolism in Arabidopsis thaliana upon abiotic stress factors. First, an experimental method for resolving and assigning metabolites to their subcellular compartment is described. Separation of cellular fractions via density gradients combined with marker enzyme assays and applied mathematical correlation strategies revealed metabolite distributions across compartments. The method is applicable to elucidate metabolome dynamics in a fast and statistically robust manner. Applied to a cold acclimation experiment different strategies of metabolic reprogramming in a cold sensitive (Cvi) and cold tolerant (Rschew) accession were observed. While the Rschew accession was characterized by a stable subcellular metabolic constitution resulting in an accumulation of primary metabolites, especially amino acid metabolism was strongly deregulated in the Cvi accession. To quantify the contribution of subcellular compartmentation to stabilization of a metabolic homeostasis, stability characteristics during environmental fluctuations were simulated by a mathematical model. Simulation of several millions of possible enzyme kinetic parameter constellations revealed diverse stabilizing contribution of different subcellular compartments. In summary, cytosolic and plastidial control of sucrose metabolism was found to stabilize metabolism more efficiently than under vacuolar control. To make mathematical analysis applicable to nonlinear time series experiments, a strategy for the connection of dynamic metabolic functions with biochemical network structure was developed and applied to a set of experimental time course data. Mathematical analysis of diurnal sucrose dynamics and stress-induced flavonoid biosynthesis revealed time points of metabolic regulation. Additionally, a combined cold and high light experiment of mutants being perturbed in the central carbohydrate metabolism of sucrose and starch was performed. Stress induced dynamics of primary metabolites and proteins were recorded which were applied to generate a statistical model for pattern recognition in plant stress response. This approach revealed a molecular network with a highly significant stress reaction across all analyzed genotypes. The identified network comprised 23 proteins with diverse molecular functions connecting transcriptional regulation with primary and secondary metabolism. In conclusion, interconnected reprogramming of plant metabolism during abiotic stress affects diverse molecular levels. The combination of several experimental, methodological and mathematical strategies presented in this work provide new insights into complex plantenvironment interactions