Untersuchung zur Malathomöostase in Höheren Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Neben dem förderlichen Effekt der Energiegewinnung stellt die Nutzung des Sonnenlichts auch Risiken für Pflanzen dar, insbesondere bei hohen Lichtintensitäten. Um die Balance aus Nutzen und Schaden der Lichtenergie gewährleisten zu können und sich schnell auf sich ändernde Lichtbedingungen einstellen zu können, verfügen Pflanzen über eine Vielzahl von Schutzmechanismen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, mit Hilfe transgener Pflanzen die Rollen der chloroplastidären NADP-abhängigen Malatdehydrogenase (NADP-MDH) und der mitochondrialen Alternativen Oxidase (AOX) im Stoffwechsel von Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. näher zu charakterisieren. Die Analyse von nadp-mdh-knockout (ko)- Mutanten hat dabei verdeutlicht, wie flexibel der Metabolismus der Pflanze ist, um die Redoxhomöostase bei hohen Lichtintensitäten aufrecht zu erhalten und oxidative Schäden zu vermeiden. Überraschenderweise wurden bei diesen Mutanten selbst beim Wachstum unter hohen Lichtintensitäten keine Unterschiede zu entsprechenden Wildtyp (WT)-Pflanzen sichtbar. Jedoch konnten im Rahmen dieser Arbeit drei kompensatorische Stoffwechselwege identifiziert werden, welche die nadp-mdh-ko-Pflanzen unter Starklichtbedingungen vor Photoinhibition schützen. So können die Mutanten durch eine erhöhte Aktivität des NTRC- Systems, höhere Photorespirationsraten und die Akkumulation von Prolin im Starklicht für den Erhalt der Redoxhomöostase sorgen und den Verlust der NADP-MDH ausgleichen. Zusätzlich wurden Untersuchungen zur Regulation der NADP-MDH-Expression durchgeführt. Die dazu durchgeführten Analysen der Promotorregion des NADP-MDH-Gens (At5g58330) bestätigten die Hypothese, dass regulatorische Elemente, die das komplexe Expressionsmuster der NADP-MDH in A. thaliana kontrollieren, im Laufe der Evolution in die kodierende Region des Gens verlagert worden sind. In einem weiteren Ansatz wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit aox1a-ko-Mutanten untersucht. Eine Inhibition des Cytochrom-Wegs unter Verwendung von Antimycin A (AA), welches in WT-Pflanzen die Expression von AOX1A induziert, führte zu erheblichen Differenzen zwischen aox1a-ko-Mutanten und WT-Pflanzen. Zusammenfassend geben die Befunde eindeutige Hinweise darauf, dass die AOX1A-Isoform in A. thaliana insbesondere unter Stressbedingungen eine entscheidende Aufgabe bei der „Entsorgung“ überschüssiger Reduktionsäquivalente aus den Chloroplasten übernimmt. Auf diese Weise kommt der AOX1A-Isoform eine besondere Bedeutung bei der Optimierung der Photosyntheserate bzw. beim Schutz der photosynthetischen Elektronentransportkette vor Überreduktion zu. Des Weiteren wurde gezeigt, dass das Fehlen des AOX1A-Isoenzyms nach AA-Behandlung in A. thaliana zu einer erhöhten Expression der AOX1D-Isoform führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007) Transcriptional regulation of NADP-dependent malate dehydrogenase: comparative genetics and identification of DNA-binding proteins. J. Mol. Evol. 65, 437-455
Hameister, S., Becker, B., Holtgrefe, S., Strodtkötter, I., Linke, V., Backhausen, J.E. & Scheibe, R.
- (2009) Induction of the AOX1D isoform of alternative oxidase in A. thaliana T-DNA insertion lines lacking isoform AOX1A is insufficient to optimize photosynthesis when treated with antimycin A. Mol. Plant 2, 284-297
Strodtkötter, I., Padmasree, K., Dinakar, C., Speth, B., Niazi, P.S., Wojtera, J., Voss, I., Do, P.T., Nunes-Nesi, A., Fernie, A.R., Linke, V., Raghavendra, A.S. & Scheibe, R.
- (2009) Use of transgenic plants to uncover strategies for maintenance of redox-homeostasis during photosynthesis. In: Jacquot, J.-P. eds. Advances in Botanical Research: Oxidative Stress and Redox Regulation in Plants. Vol. 52, pp. 207-251
Hanke, G.T., Holtgrefe, S., König, N., Strodtkötter, I., Voss, I. & Scheibe, R.
