Stoffwechselregulation bei Sauerstoffradikalbildung

Aufgrund ihrer sessilen Lebensweise sind Pflanzen Umwelteinflüssen direkt ausgesetzt und werden in ihrer Verbreitung und Fortpflanzung durch diese stark beeinflusst. Zelluläre Membransysteme können durch abiotische Umweltfaktoren stark beeinflusst und sogar irreversibel geschädigt werden. Oftmals hängt die Exposition pflanzlicher Gewebe bei abiotischen Stressbedingungen direkt mit der Produktion und Freisetzung radikaler Sauerstoffspezies zusammen, welche Zellgifte darstellen und unter anderem zu Membranschädigungen führen können. Die Anpassung an abiotische Stressoren, wie zum Beispiel Lichtintensität, Temperatur und Wasserverfügbarkeit, spielen für Pflanzen gemäßigter Klimate daher eine wichtige Rolle. Fur die genetische und biochemische Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte bereits in früheren Studien gezeigt werden, dass eine unterschiedlich stark ausgeprägte Fähigkeit zur Steigerung der abiotischen Stresstoleranz oftmals mit der Akkumulation löslicher Zucker sowie der Enzymaktivität im zentralen Kohlenhydratmetabolismus korreliert. Gleichzeitig konnte jedoch gezeigt werden, dass die subzelluläre Organisation des gesamten Primärstoffwechsels in pflanzlichen Zellen berücksichtigt werden muss, um den komplexen und vielschichtigen Mechanismus pflanzlicher Stressantworten widerspruchsfrei erklären zu können. Das Ziel des beantragten Projekts ist die subzelluläre Analyse regulatorischer Konsequenzen im Primärstoffwechsel bei Freisetzung radikaler Sauerstoffspezies. Diese werden durch Exposition bei erhöhter Lichtintensität, Hitze und Kälte induziert. Sowohl die diurnale Stoffwechselregulation als auch die subzelluläre Regulation der zellulären Homöostase auf Ebene des Proteoms und Metaboloms stehen im Fokus der Studie. Zur umfassenden subzellulären Analyse soll die Technik der nichtwässrigenFraktionierung angewandtwerden, welche inKombinationmit Hochdurchsatzmessungen des Proteoms und Metaboloms eine umfangreiche Charakterisierung der subzellulären Homöostase erlaubt. Diese Charakterisierung umfasst neben Molekülen mit Schutzfunktion, also zum Beispiel Prolin und verschiedenen Zuckern, unter anderem auch niedermolekulare Antioxidantien, zum Beispiel Ascorbinsäure, und Indikatoren für Zellschädigungen, welche aus oxidativem Stress hervorgehen. Ein Beispiel hierfür ist Malondialdehyd. Die experimentellen Analysen werden an Pflanzen der Arabidopsis thaliana Akzession Columbia-0, sowie der Mutante gin-2 durchgeführt, welche in der Funktion des Enzyms Hexokinase 1 beeinträchtigt ist. Hexokinase besitzt eine zentrale Rolle im pflanzlichen Zucker- und Primärstoffwechsel, wobei eine Differenzierung der metabolischen Funktion sowie der Signalfunktion im Kontext abiotischer Stressexposition noch aussteht. Daher sollen in dem vorliegenden Projekt ebenfalls Pflanzen einer gin- 2 Variante analysiert werden, welche in ihrer metabolischen Aktivität, nicht jedoch in ihrer Signalfunktion beeinträchtigt sind (komplementierte Linie S177A). Für die funktionelle Integration der Experimentaldaten werden Ansätze der mathematischen Modellierung, sowie der uni- und multivariaten Statistik verwendet, deren Eignung für eine umfangreiche Datenauswertung bereits in früheren Studien von uns belegt werden konnte. Damit trägt dieses Projekt zur Entwicklung experimenteller und theoretischer Methoden bei, welche unverzichtbar für eine aussagekräftige Charakterisierung einer Pflanze-Umwelt Interaktion sind. Gleichzeitig werden damit Ansätze zur Verbesserung abiotischer Stresstoleranz in Pflanzen aufgezeigt, welche die Grundlage für eine effiziente Züchtungsforschung darstellen.

Aufgrund ihrer sessilen Lebensweise sind Pflanzen Umwelteinflüssen direkt ausgesetzt und werden in ihrer Verbreitung und Fortpflanzung durch diese stark beeinflusst. Zelluläre Membransysteme können durch abiotische Umweltfaktoren stark beeinflusst und sogar irreversibel geschädigt werden. Oftmals hängt die Exposition pflanzlicher Gewebe bei abiotischen Stressbedingungen direkt mit der Produktion und Freisetzung radikaler Sauerstoffspezies zusammen, welche Zellgifte darstellen und unter anderem zu Membranschädigungen führen können. Die Anpassung an abiotische Stressoren, wie zum Beispiel Lichtintensität, Temperatur und Wasserverfügbarkeit, spielen für Pflanzen gemäßigter Klimate daher eine wichtige Rolle. Für die genetische und biochemische Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte bereits in früheren Studien gezeigt werden, dass eine unterschiedlich stark ausgeprägte Fähigkeit zur Steigerung der abiotischen Stresstoleranz oftmals mit einer hohen Konzentration löslicher Zucker sowie der Enzymaktivität im zentralen Kohlenhydratstoffwechsel zusammenhängt. Gleichzeitig konnte jedoch gezeigt werden, dass die subzelluläre Organisation des gesamten Primärstoffwechsels in pflanzlichen Zellen berücksichtigt werden muss, um den komplexen und vielschichtigen Mechanismus pflanzlicher Stressantworten widerspruchsfrei erklären zu können. Das Ziel des beantragten Projekts war es, regulatorische Effekte auf Ebene der Zellkompartimente unter Stressbedingungen zu bestimmen. Diese wurden durch Exposition bei erhöhter Lichtintensität, Hitze und Kälte induziert. Sowohl die tageszeitabhängige Stoffwechselregulation als auch die subzelluläre Regulation der zellulären Homöostase auf Ebene des Proteoms und Metaboloms standen im Fokus der Studie. Zur umfassenden subzellulären Analyse wurde die Technik der nichtwässrigen Fraktionierung angewandt, welche in Kombination mit Hochdurchsatzmessungen des Proteoms und Metaboloms eine umfangreiche Charakterisierung der subzellulären Homöostase erlaubte. Diese Charakterisierung zeigte einen bislang unbekannten Zusammenhang des Enzyms Hexokinase 1 mit der Regulation photorespiratorischer Aktivität auf. Hierbei scheint die Verteilung von Glukose- und Fruktosemolekülen zwischen Zyotsol und Vakuole einen entscheidenden Einfluss auf die Stoffwechselaktivität in Chloroplast und Mitochondrium zu haben. Zudem konnte mit Hilfe eines mathematischen Modells des subzellulären Zuckerstoffwechsels gezeigt werden, dass die Spaltung des Zuckers Sacharose in der Vakuole eine entscheidende Rolle in der Stabilisierung plastidärer Stoffwechselaktivität spielt und somit wesentlich zur Stabilisierung des zellulären Stoffwechsels beiträgt. Zusammenfassend konnte in diesem Projekt belegt werden, dass die experimentelle Analyse des subzellulären pflanzlichen Stoffwechsels essentiell ist, um mit Hilfe mathematischer Modelle und statistischer Verfahren einen Zusammenhang von Stoffwechselregulation und pflanzlicher Stresstoleranz herstellen zu können.