D-A-CH Projekt: Stoffwechselregulation bei Sauerstoffradikalbildung

• Antragsteller: Professor Dr. Arnd Göran Heyer
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262621824

Pflanzen werden durch Umwelteinflüsse in ihrer Verbreitung und Fortpflanzung stark beeinflusst. Insbesondere zelluläre Membransysteme können durch abiotische Umweltfaktoren sogar irreversibel geschädigt werden. Oftmals hängt die Exposition pflanzlicher Gewebe bei abiotischen Stressbedinungen direkt mit der Produktion und Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies zusammen, die Zellgifte darstellen und unter anderem zu Membranschädigungen führen können. Für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnte bereits in früheren Studien gezeigt werden, dass unterschiedlich stark ausgeprägte Stresstoleranz mit der Akkumulation löslicher Zucker sowie steigender Enzymaktivität im zentralen Kohlenhydratmetabolismus korreliert. Ferner hat sich gezeigt, dass die subzelluläre Organisation des gesamten Primärstoffwechsels berücksichtigt werden muss, um komplexe und vielschichtige Mechanismen pflanzlicher Stressantworten widerspruchsfrei erklären zu können. Ziel des beantragten Projekts ist die subzelluläre Analyse regulatorischer Konsequenzen im Primärstoffwechsel bei Freisetzung reaktiver Sauerstoffspezies. Diese wird durch erhöhte Lichtintensität, Hitze und Kälte induziert. Sowohl die diurnale Stoffwechselregulation als auch die subzelluläre Regulation der zellulären Homöostase auf Ebene des Proteoms und Metaboloms stehen im Fokus. Zur umfassenden subzellulären Analyse soll die Technik der nichtwässrigen Fraktionierung angewandt werden, die in Kombination mit Hochdurchsatzmessungen des Proteoms und Metaboloms eine umfangreiche Charakterisierung der subzellulären Homöostase erlauben soll. Neben Molekülen mit Schutzfunktion (Prolin, verschiedene Zucker) werden auch niedermolekulare Antioxidantien, z.B. Ascorbinsäure, und Indikatoren für Zellschädigung erfasst. Ein Beispiel hierfür ist Malondialdehyd. Die Analysen werden an Pflanzen der Arabidopsis thaliana Akzession Columbia-0, sowie der Mutante gin-2 durchgeführt, bei der die Hexokinase 1 defekt ist. Hexokinase besitzt eine zentrale Rolle im Zucker- und Primärstoffwechsel, wobei eine Differenzierung der metabolischen und der Signalfunktion im Kontext abiotischer Stressexposition noch aussteht. Daher soll auch eine gin-2 Variante, die Linie S177A, analysiert werden, die in der metabolischen Aktivität, nicht jedoch in der Signalfunktion beeinträchtigt ist. Für die funktionelle Integration der Experimentaldaten werden Ansätze der mathematischen Modellierung, sowie der uni- und multivariaten Statistik verwendet, deren Eignung für eine umfangreiche Datenauswertung bereits in früheren Studien von uns belegt wurde. Damit trägt das Projekt zur Entwicklung experimenteller und theoretischer Methoden bei, die unverzichtbar für eine aussagekräftige Charakterisierung einer Pflanze-Umwelt Interaktion sind. Gleichzeitig werden Ansätze zur Verbesserung abiotischer Stresstoleranz in Pflanzen aufgezeigt, die Grundlagen für eine effiziente Züchtungsforschung darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Beteiligte Person: Professor Dr. Wolfram Weckwerth