Signaltransduktionswege zur Phosphorylierung von Plasmamembranproteinen in Abhängigkeit von Stickstoff und Kohlenstoff-Verfügbarkeit

• Antragstellerin: Professorin Dr. Waltraud Schulze
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242598629

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Pflanzen nehmen Stickstoff vorwiegend in Form von Nitrat und Ammonium auf. Nitrat ist somit nicht nur ein wichtiger Nährstoff für Pflanzen, sondern hat auch eine Funktion als Signalstoff indem durch Nitratverfügbarkeit Anpassungen des Zentralstoffwechsels und Entwicklungsprozesse induziert werden. Die Mechanismen der Aufnahme von Nitrat aus dem Boden über Nitrattransporter in die Pflanzenzelle sind im Wesentlichen bekannt. Außerdem wurden in der Vergangenheit nitratinduzierte Genexpressionsänderungen im Detail untersucht. Dennoch ist bisher sehr wenig über die genauen Mechanismen der Regulation der Nitrattransporter bekannt. Wir wissen wenig über die posttranslationale Regulation und interagierende Signaltransduktionsmoleküle. Auch ist immer noch sehr wenig bekannt über die Proteine, die an Signaltransduktion zur Vermittlung von Genexpressionsänderungen beteiligt sind. Unser Projekt soll diese Lücke schließen, indem wir unsere Arbeiten vor allem auf die posttranslationalen Regulationsmechanismen und zugehörige Kinasen beschränken, die die Aktivität des wichtigen Nitrattransporters NRT2.1 beeinflussen. Ziel der Arbeiten an der Universität Hohenheim waren (1) Identifizierung von Phosphorylierungsstellen des NRT2.1, die regulatorische Funktion haben könnten, (2) Suche nach Kinasen, die regulatorische Phosphorylierung von NRT2.1 katalysieren, und (3) Biochemisch-physiologische Charakterisierung der Kinasekandidaten. Unsere Ergebnisse zeigen, dass NRT2.1 insbesondere an zwei Serinen im N-terminus (S11, S28), sowie einem Serin und Threonin (S501, T521) im C-terminus phosphoryliert wird. Dabei stellte sich heraus, dass Phosphorylierung von S11 und S501 die NO3-Aufnahme inhibieren, während eine Phosphorylierung von S28 und T521 zu einer verstärkten Nitrataufnahme führt, also aktivierende Wirkung haben. In weiteren Arbeiten fokussierte sich unsere Arbeit auf Kinasen, die S28 phosphorylieren. Mit Hilfe eines aus Phosphoproteom-Profiling rekonstruierten Netzwerkes, wurden zwei Kinasekandidaten identifiziert, die möglicherweise an der Regulation von NRT2.1 über Phosphorylierung von S28 beteiligt sind. Weitere Experimente fokussierten sich auf eine biochemische Charakterisierung der Kinase AT5G49770, die als Kandidat für die Phosphorylierung an S28 gefunden wurde. Wir konnten zeigen, dass Kinase AT5G49770 mit NRT2.1 interagiert. Weiterhin zeigen unsere Experimente, dass die Kinase das N-terminale Peptid EQSFAFSVQSPIVHTDK phosphorylieren kann. Allerdings wurde in den in-vitro Versuchen eine Phosphorylierung an S21 festgestellt und nicht S28. Dies wird momentan in weiteren Experimenten abgeklärt. Phosphorylierung des Nitrattransporters NRT2.1 an S28 führt zu einer verstärkten Interaktion mit dem für die Aktivität nötigen Proteins NAR1. Dies ist konsistent mit erhöhter Nitrataufnahme bei Phosphorylierung von NRT2.1 an S28. Das Projekt hat im Ergebnis folgende neue Erkenntnisse gebracht: (i) Identifizierung von vier regulatorischen Phosphorylierungsstellen jeweils zwei in N-Terminus und C-Terminus. Davon haben zwei Sites aktivierende Wirkung zwei Sites haben inhibierende Wirkung. Phosphorylierung an S28 führt zur Aktivierung, möglicherweise über verstärkte Interaktion mit NAR1. (ii) Identifizierung eines Kinase-Kandidaten zur Phosphorylierung des N-terminalen Peptids mit S28. Die Kinase interagiert mit NRT2.1 und kann das N-terminale Peptid phosphorylieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2015) Protein dynamics in young maize root hairs in response to macro- and micro-nutrient deprivation. Journal of Proteome Research, 4 (8): 3362-3371
  Li Z, Phillip D, Neuhäuser B, Schulze WX, Ludewig U
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.jproteome.5b00399)
• (2016) Early nitrogen-deprivation responses in Arabidopsis roots reveal distinct differences on transcriptome and (phospho-) proteome levels between nitrate and ammonium nutrition. Plant Journal, 88 (5): 717-734
  Menz J, Li Z, Schulze W, Ludewig U
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1111/tpj.13272)
• (2017) Post-translational regulation of nitrogen transporters in plants and microorganisms. Journal of Experimental Botany, 68(10): 2567-2580
  Jacquot A, Li Z, Gojon A, Schulze W, Lejay L
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1093/jxb/erx073)
• (2018) A kinase regulating NRT2.1 through phosphorylation at S28
  Li, Zhi