Aufklärung der Mechanismen, die einer konvergenten Evolution von Sekundären Pflanzenstoff-Biosynthesewegen zu Grunde liegen.

• Antragstellerin: Dr. Monika Frey
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Genetik und Genomik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 250496598

Pflanzen synthetisieren eine Vielzahl von Sekundärmetaboliten. Variabilität scheint dabei essentiell für die Funktion dieser Spezialisierten Metaboliten in der Kommunikation mit der Umwelt und als Arsenal der chemischen Pflanzenabwehr zu sein. Die sekundären Stoffwechselwege werden ausgehend vom gemeinsamen Primärmetabolismus etabliert. Spezifische Enzyme leisten die Umsetzung in die jeweiligen Sekundärmetabolite, z. B. Cytochrom-P450-Monooxygenasen, 2-Oxoglutarat-abhängige Dioxygenasen, Methyltransferasen und Glycosyltransferasen. In den Genomen bilden große Genfamilien dieser modifizierenden Enzyme den Werkzeugkasten, aus dem die spezifischen Enzyme rekrutiert werden können. Über die Prinzipien der Wahl eines Vertreters aus diesem Grundbestand, die Anpassung an einen spezifischen Stoffwechselschritt und die Koordinierung der Reaktionsabfolge ist wenig bekannt. Einblick in den Mechanismus kann durch Isolierung der Biosynthese-Gene von konvergent evolvierten Stoffwechselwegen und deren Vergleich gewonnen werden. Die Benzoxazinoid-Biosynthese ist ein ideales Modellsystem für eine derartige Analyse.Benzoxazinoide sind abwehrrelevante Sekundärmetaboliten, die in drei Ordnungen der Angiospermen vorkommen: Poales, Ranunculales und Lamiales. In Mais ist die komplexe Biosynthese biochemisch und auf Ebene der Gene (Bx-Gene) vollständig aufgeklärt. Alle 8 biosynthetischen Gene sind in einem Cluster lokalisiert, eine solche genomische Organisation wurde inzwischen für weitere abwehrrelevante Biosynthesewege nachgewiesen. In den Gräsern sind die Bx-Gene monophyletischen Ursprungs. Das erste Gen des Stoffwechselwegs, Bx1, haben wir für Consolida orientalis (Ranunculaceae) und Lamium galeobdolon (Ranuculaceae) isoliert. Bx1 ist ein Homolog der Alpha-Untereinheit der Tryptophan-Synthase und wurde in den drei Ordnungen jeweils unabhängig rekrutiert. Kürzlich konnten wir für C. orientalis zeigen, dass die spezifische UDP-Glucosyltransferase und Beta-Glucosidase des Stoffwechselwegs ebenfalls unabhängig von der Abstammungslinie der Monokotyledonen aus nicht-orthologen Vertretern der jeweiligen Genfamilien entstanden sind. Daten für diese Gene der Lamiales liegen nicht vor.Wir schlagen vor alle fehlenden Benzoxazinoid-spezifischen Gene von C. orientalis und L. galeobdolon zu isolieren. Vergleich der Biosynthese-Gene in den drei Ordnungen wird zeigen, wie konserviert die Abfolge der Syntheseschritten ist, ob es Restriktionen bei der Auswahl der Ausgangsgene aus dem gegebenen Pool gibt, ob Modifikationen einem gemeinsamen Muster folgen und ob die Bildung von Gen-Clustern mit der Evolution des Biosynthesewegs verknüpft ist.Kandidatengene sollen mittels Transcriptomics identifiziert und über funktionelle Charakterisierung in heterologen Systemen verifiziert werden. Um einen unabhängigen Beweis für die Isolierung der Benzoxazinoid-spezifischen Gene zu erhalten, haben wir vor Virus Induced Gene Silencing, zunächst für C. orientalis, zu etablieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen