Weizenentwicklung unter lichtinduzierter Redoxveränderung

Wir wollen mit dem vorliegenden Projekt den quantitativen und qualitativen lichtabhängigen Stoffwechsel und die Signalwege in Wachstum und Entwicklung bei Weizen zu untersuchen. Es werden Effekte der Lichtintensität und Lichtqualität auf Veränderungen in der Photosynthese, an den Transkript- und Stoffwechsel-Levels unter optimalen und tiefen Temperaturen untersucht, da diese sich intensiv auf den photosynthetischen Elektronentransport und auf Redox-vermittelte Prozesse auswirken. Die Konzentrationen und der Redoxzustand der beiden Hauptantixoidanzien, Ascorbat und Glutathion, sowie die Aktivität der antioxidativen Enzyme und die Konzentrationen der freien Aminosäuren und Polyamine werden in verschiedenen Organen und in unterschiedlichen Zellkompartimenten werden verglichen. Zusätzlich wird durch die Untersuchung der Redox- verantwortlichen Gene abgeklärt, ob die Veränderungen der Stoffwechselspiegel von der Transkript- Regulation abhängig sind. Aufbauend auf die Ergebnisse zum Zusammenwirken zwischen den untersuchten Parametern wird dieses Projekt die Entwicklung von Modellen mit lichtabhängigen quantitativen und qualitativen Stoffwechsel- und Signalwegen ermöglichen. Die ungarischen Kooperationspartner werden die Modifikation der Lichtqualität und Lichtquantität mit Hilfe von Leds durchführen, wodurch die Effekte von Licht auf die Redox-Umgebung und die molekularen, biochemischen und physiologischen Parameter untersucht werden können. Die österreichischen Partner haben große Erfahrung in der subzellulären Lokalisation von Ascorbat, Glutathion und Glutathionvorstufen. Die Verbindung von Knowhow und Infrastruktur der beiden Labore ermöglicht solch komplexe Ansätze zu diesen wissenschaftlichen Fragestellungen und dies wird umfangreicheres Verständnis zu offenen Fragestellungen ermöglichen.

Ziel dieses Projektes war es, den Einfluss von lichtabhängigen Veränderungen im Metabolismus und zugrunde liegende Signalwege für Wachstum und Entwicklung in Weizen und zusätzlich einige dieser Aspekte in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu untersuchen. Es wurden dazu die Effekte der Lichtintensität und des Lichtspektrums auf Redox-vermittelte Veränderungen in der Photosynthese, in der Expression von Genen aus dem Glutathionhaushalt und damit in Verbindung stehende Metabolit-Levels unter optimalen und in Weizen auch unter tiefen Temperaturen untersucht, da diese sich intensiv auf den photosynthetischen Elektronentransport und auf die Redox-vermittelten Prozesse auswirken. Erhöhte Lichtintensität führte zu einer positiven Verstärkung der durch Kälte induzierten Veränderungen im Redoxzustand des Glutathionhaushalts, was in Zusammenhang mit erhöhter Kältetoleranz gebracht werden konnte. Die Konzentrationen und der Redoxzustand eines der beiden Hauptantioxidantien Glutathion, sowie die die Konzentrationen der freien Aminosäuren und Polyamine wurden in verschiedenen Organen und in unterschiedlichen Zellkompartimenten verglichen. Dabei zeigte sich beispielsweise, dass auf Ebene der Zellkompartimente in einer Arabidopsis Mutante mit verringertem Glutathiongehalt (pad2-1), der Einfluss von erhöhter Lichtintensität und langwelligem Rotlicht ähnlich induzierend auf den Glutathiongehalt wirkte wie in Weizen, während der Arabidopsis Wildtyp (Col-0) keine wesentlichen Änderungen zeigte. Dies bestätigt, dass Untersuchungen des Glutathionhaushaltes auf Zellebene und darunter wesentlich zum Verständnis von regulatorischen Prozessen beitragen können. Die Untersuchung der Redox-verantwortlichen Gene (Levels der mRNAs und miRNAs) konnte klären, dass die lichtvermittelten Veränderungen der Metabolit-Levels in Weizen von der Gen-Regulation abhängig waren, nicht jedoch in der Modellpflanze Arabidopsis. Aufbauend auf die Ergebnisse zum Zusammenwirken zwischen den untersuchten Parametern konnte dieses Projekt zur Entwicklung von Modellen mit lichtabhängigen Stoffwechsel- und Signalwegen im Antioxidantienhaushalt von Pflanzen wesentliche Erkenntnisse beitragen. Die ungarischen Kooperationspartner führten die Modifikation der Lichtqualität (Spektrum) und -quantität (Intensität) mit Hilfe von LEDs durch, wodurch die Effekte von Licht auf die Redox-Umgebung und die molekularen, biochemischen und physiologischen Parameter untersucht werden konnten. Die österreichischen Partner haben große Erfahrung in der Lokalisation von Ascorbat, Glutathion und Glutathionvorstufen innerhalb der pflanzlichen Zellorganellen. Die Verbindung von Knowhow und Infrastruktur der beiden Labore ermöglicht solch komplexe Ansätze und ermöglicht so ein umfangreicheres Verständnis von Teilaspekten noch offener Fragestellungen.