Untersuchung der generellen und spezifischen Regulationsmechanismen des Schwefelstoffwechsels in Arabidopsis thaliana

• Antragsteller: Professor Dr. Rüdiger Hell; Dr. Markus Wirtz, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235736350

Pflanzen reagieren auf verschiedenste Stressfaktoren mit einer Verringerung der Translation und nachfolgend der Wachstumsrate, um Energie für Stressantworten freizusetzen. In diesem Projekt wollen wir der grundlegenden Frage nachgehen wie Translation und Meristem-basiertes Wachstum unter Nährstoffmangel reguliert werden. Diese Prozesse sind entscheidend um akklimatorische Reaktionen wie die Verschiebung des Sproß-zu-Wurzel Verhältnisses zu ermöglichen. Im Vorgängerantrag haben wir die spezifischen Regulationsmechanismen der Sulfatassimilation und des Schwefelstoffwechsels in Arabidopsis thaliana charakterisiert. Im Fokus stand die Aminosäure Cystein, die den zentralen Metaboliten für die Koordination der Assimilation von Schwefel, Kohlenstoff und Stickstoff darstellt. Durch Vergleich von knock-down Mutanten in denen entweder der Flux hin zu reduziertem Schwefel oder zu dem C/N-Gerüst von Cystein verringert ist konnten wir zeigen, dass die beiden Zweige des Stoffwechselwegs spezifisch durch die zentralen Kinasen (general control non-derepressible 2) und TOR (target of rapamycin) wahrgenommen werden. Beide regulieren unabhängig voneinander die Translationsrate und tragen zu Sproß- und Wurzelwachstum bei. Wir wiesen nach, dass TOR die Verfügbarkeit von Schwefel im Sproß durch sogenanntes Glucose-TOR-Signaling wahrnimmt. Die Aktivierung von Autophagie und die Verringerung von Translation und Meristemaktivität sind dabei Teile des von TOR kontrollierten Netzwerks. Diese Befunde eröffnen nun die Möglichkeit, die Regulation des Wachstums bis hin zur Änderung der Pflanzenarchitektur als Teil der Stressantwort unter anhaltendem Nährstoffmangel zu untersuchen. Im ersten Projektteil soll die Signaltransduktion oberhalb von TOR im Mittelpunkt stehen. Dazu wird die Schwefelmangelantwort mit den Reaktionen auf andere Nährstoffmangelbedingungen verglichen um generelle durch TOR vermittelte Reaktionen von Schwefel-spezifischen Reaktionen zu unterscheiden. Darüber hinaus soll die Rolle von TOR Interaktionspartnern für die Signaltransduktion untersucht werden. Im zweiten Projektteil wird die Rolle von TOR kontrollierten Prozessen für die Akklimatisierung unter Schwefelmangel untersucht. Aufgrund der Vorarbeiten sollen dazu verschiedene Mechanismen der Kontrolle der Proteomplastizität, der Wiedergewinnung von Nährstoffen durch Autophagie und Ubiquitin-Proteasom-System und des Zellzyklus stehen. Damit werden durch TOR regulierte Prozesse aufgeklärt, die integral nicht nur für das Verständnis des regulatorischen Netzwerks des Schwefelstoffwechsels sind, sondern als Muster für den primären Stoffwechsel von Nährstoffen dienen sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen