Regulation of the oxidative pentose-phosphate pathway (OPPP) in plant cells
Plant Physiology
Final Report Abstract
Als Erfolg kann man unsere langjährigen Bemühungen werten, der G6PD4-Isoform (von Wakao & Benning, 2005 als Pseudogen bezeichnet) eine Funktion als Redox-aktivierten cytosolischen Sensor zuzuweisen. Nachdem wir alle Arabidopsis G6PD-Isoformen auf möglichen Import in Peroxisomen getestet hatten, blieb nur G6PD1 mit verdecktem N-Terminus übrig. Durch Hefe-2-Hybridanalysen konnten wir G6PD4 als kognaten Interaktionspartner von G6PD1 identifizieren. Eine Abhängigkeit von den konservierten Cysteinen (auf G6PD4-Seite) für Peroxisomen-Import der G6PD1-Isoform konnten wir durch in planta BiFC-Analysen zeigen. Damit unterstützen unsere Befunde neuere Analysen des peroxisomalen Proteoms aus Arabidopsis Blättern, die vermuteten, dass OPPP- Reaktionen unter bestimmten Bedingungen oder in bestimmten Entwicklungsstadien in Peroxisomen ablaufen können. Außerdem zeigen unsere bioinformatischen und experimentellen Befunde, dass es sich wahrscheinlich um ein evolutionär "altes" Prinzip handelt, das bereits in Moosen (Physcomitrella patens) auftritt und von Monokotylen (Reis) bis zu jüngeren Dikotylen (Arabidopsis) konserviert ist. Überraschend war, dass beide Einzelmutanten (g6pd4 und g6pd1) lebensfähig sind, trotz nachweislicher KO-Defekte, d.h. fehlende G6PDH-Aktivität der rekombinant überexprimierten g6pd1- Allele und T-DNA-Insertion zwischen den beiden Redox-aktivierbaren Cysteinen in g6pd4. Für die entsprechenden Transporter GPT1 (aber nicht GPT2) und XPT zeichnet sich ebenfalls duales targeting ab: Bei freiem N-Terminus in die innere Plastidenmembran und bei verdecktem N-Terminus via ER-Membran in Peroxisomen. Von höherer NADPH-Verfügbarkeit im Cytosol profitierten Tabak-Pflanzen der suszeptiblen Sorte Xanthi. Neben erhöhter Stress-Toleranz (biotisch wie abiotisch), wurden auch Entwicklungsvorgänge beschleunigt, die auf oxidative burst an der Plasmamembran und im weitesten Sinne nachfolgende source-to-sink-Umsteuerungen angewiesen sind. Dementsprechend kam es bei einer Limitierung der NADPH-Bereitstellung – zumindest in Tabak – zu Problemen bei der Aufrechterhaltung der cytoslischen Redox-Balance, was sich in phänotypischen Abweichungen äußerte (cytG6PD-RNAi-Keimling zeigten +/-Kallusbildung, spontane Nekrosenbildung auf Blättern, verwachsene Staub- und Blütenblätter und verminderte Reproduktionsfähigkeit). Bei cytG6PD-/GAPN-RNAi-Kombination herrschte Entwicklungsverzögerung und hellere Grünfärbung vor. Überraschenderweise konnten wir diese Limitierungen in Arabidopsis bei entsprechenden Triple KO- Linien (g6pd5 g6pd6 gapN) nicht beobachten, was auf alternative Kompensationsmechanismen hinweist. Interessant ist aber, dass limitierte cytosolische NADPH-Bereitstellung die Infektion der Arabidopsis Triple KO-Mutante mit einem nekrotrophen Pilz verzögerte. Derzeit versuchen wir durch Einkreuzen weiterer Mutantenlinien (mit Defekten, die zur NADPH-Limitierung im Cytosol beitragen könnten), auch bei Arabidopsis sichtbare Probleme mit cytosolischer Redox-Balance zu erzeugen.
Publications
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(2009). Isoenzyme replacement of G6PDH in the cytosol improves stress tolerance in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 8061-8066
Scharte, J., Schön, H., Tjaden, Z., Weis, E., von Schaewen, A.
