Das physiologische Netzwerk zur Regulation der Sulfit-Entgiftung in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Robert Hänsch; Professor Dr. Heinz Rennenberg
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 240248106

In vorangegangenen Arbeiten haben wir das Enzym Sulfitoxidase (SO) in Pflanzen entdecken und beschreiben können. Dabei klonierten wir das Gen und haben zahlreiche biochemische Daten (atomare Struktur, Spektroskopie, Reaktionsmechanismus) gesammelt, konnten die Lokalisierung und die Funktion aufklären. Das Substrat der SO - Sulfit - ist hochreaktiv und hochtoxisch für pflanzliche Zellen. Sulfit kann dabei sowohl endogen in der Schwefel-Metabolisierung entstehen als auch externen Quellen (SO2 als Umweltgift) entspringen. Wir konnten für Arabidopsis und Pappel nachweisen, dass die SO essentiell für die Entgiftung übermäßiger Mengen an Sulfit ist (Sicherheitsventil). Ziele des hier beantragten Projektes sind u.a. das Studium (a) der transkriptionellen und posttranslationalen Regulation der SO-Aktivität und (b) die Interaktion mit einem weiteren Sulfit-Entgiftungsmechanismus in der Pflanze. Zur Untersuchung der transkriptionellen Regulation sind spezifische Transkriptionsfaktoren zur Aktivierung/Inaktivierung der SO-Promotors von besonderem Interesse: spezifische DNA-Bindestellen sprechen für eine Kontrolle durch RAV1. Außerdem sollen die posttranslationale Modifikation des SO-Proteins durch SUMOylierung, Ubiquitinierung und Phosphorylierung studiert werden. Eine RNA-Sequenzierung hat einen weiteren Sulfit-Entgiftungsmechanismus in Pflanzen aufgedeckt: Das Enzym Apoplastische Peroxidase (POD), das bereits aus Arbeiten von Pfanz und Kollegen (1990) bekannt ist. Die Induktion der POD durch SO2 in SO-KO Pflanzen zeigt zwei unabhängige Entgiftungsmechanismen auf - einen apoplastischen und einen symplastischen Weg. In ersten Arbeiten konnten wir die Lokalisierung des Enzyms im Apoplastenraum zeigen und die enzymatische Reaktion der POD mit den Substraten Guajakol und Sulfit bestimmen. Wir werden die POD auf molekularer, zellbiologischer und biochemischer (Reaktionsmechanismus der Sulfit-Entgiftung) Ebene studieren und planen Untersuchungen zur Bedeutung der POD und ihrer Co-Regulation mit der peroxisomal lokalisierten SO. Zusätzlich werden wir die pflanzliche Anpassung an erhöhte Konzentrationen SO2 untersuchen und uns dabei sowohl auf kontrollierte Begasungsexperimente als auch natürliche Habitate stützen. Dafür planen wir eine Sammelexpedition zum Volcano Island (Aeolian Archipelago, Italy), das für SO2 -Konzentrationen im µL L-1 Bereich bekannt ist. Wir wollen die Frage beantworten, wie reagieren Pflanzen auf erhöhte SO2-Mengen in natürlicher Umgebung. Finden wir langfristige Adaptationen gegenüber SO2 über erhöhte Proteinmengen (transkriptionelle oder post-transcriptionelle Modifikationen) oder über eine post-translationale Regulation?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen