D-A-CH Project: Regulation of primary metabolism under oxidative stress
Final Report Abstract
Im Projekt sollte untersucht werden, wie sich ändernde Umweltbedingungen den Stoffwechsel von Pflanzen und deren Wachstumsvorgänge beeinflussen. Da Pflanzenzellen in verschiedene "Reaktionsräume" (Kompartimente) unterteilt sind, mussten Methoden entwickelt werden, die eine kompartiment-spezifische Untersuchung des Stoffwechsels ermöglichen. Zunächst wurde mit Hilfe mathematischer Modellierung untersucht, wie Wachstumsprozesse innerhalb eines Tages ablaufen. Auf der Grundlage des Zuwachses bei der Photosyntheseleistung wurde der tägliche Biomasse-Aufbau berechnet. Anhand der Tagesverläufe aller mengenmäßig wichtigen Stoffwechselprodukte wurde dann simuliert, wann von der Pflanze fixierter Kohlenstoff in Wachstum von Blättern und wann in deren Erhaltungsstoffwechsel bzw. die Versorgung der Wurzel investiert wird. Dabei zeigte sich, dass Pflanzen während der Lichtphase relativ gleichmäßig, aber nicht in der Nacht wachsen. Als Änderungen von Umweltparametern wurden niedrige Temperaturen und hohe Lichtintensität für vier bzw. 10 Stunden untersucht. Die kompartiment-spezifische Untersuchung von Stress-Symptomen zeigte, dass bei Hochlicht zunächst in den Chloroplasten und Peroxisomen, erst danach im Zellsaft (Cytosol) und den Mitochondrien Symptome von oxidativem Stress feststellbar sind. Da hohe Lichtintensität vor allem einen erhöhten Elektronentransport in Chloroplasten bedingen, war dies erwartungsgemäß. Die Peroxisomen sind wichtige Kompartimente der Photorespiration, so dass geschlossen werden kann, dass diese bei Hochlicht deutlich zunimmt. Auf Stoffwechselebene konnte bei Hochlicht auch eine starke Zunahme von Zuckerspiegeln in der Zelle beobachtet werden. Die "gin2-1"-Mutante, die wegen eines Gendefekts diese Zuckerspiegel nicht erfassen kann, zeigte unter Hochlicht – aber nicht bei niedrigen Temperaturen – deutlich verlangsamte Reaktionen auf den Umweltstress, was eine nachhaltige Zerstörung von Proteinen des Photosynthese-Apparats zur Folge hatte. Möglicherweise ist die "Messung" der Zuckerkonzentration im Zellsaft ein wichtiger Auslöser von Stress-Reaktionen. Zu den Stressreaktionen gehörte eine für die unterschiedlichen Reaktionsräume der Zelle jeweils spezifische Anhäufung von Stoffwechselprodukten, denen Schutzwirkungen zugeschrieben werden. In den Plastiden waren dies Maltose und Raffinose, während in Mitochondrien myo-Inositol akkumulierte. Die experimentelle Abtrennung der Mitochondrien von anderen Kompartimenten ist im Rahmen des Projekts erstmals überzeugend gelungen. Dazu wurde eine neue Methode des Kompartiment-Nachweises entwickelt, die nicht Enzymaktivitäten sondern das Vorkommen kompartiment-spezifischer Proteine nutzt.
Publications
- (2019) Resolving subcellular plant metabolism. The Plant Journal 100 (3) 438-455
Lisa Fürtauer, Lisa Küstner, Wolfram Weckwerth, Arnd G. Heyer, Thomas Nägele
(See online at https://doi.org/10.1111/tpj.14472) - (2019) Subcellular dynamics of proteins and metabolites under abiotic stress reveal deferred response of the Arabidopsis thaliana hexokinase-1 mutant gin2-1 to high light. The Plant journal : for cell and molecular biology 100 (3) 456–472
Küstner, Lisa; Fürtauer, Lisa; Weckwerth, Wolfram; Nägele, Thomas; Heyer, Arnd G.
(See online at https://doi.org/10.1111/tpj.14491) - (2019) Mathematical modeling of diurnal patterns of carbon allocation to shoot and root in Arabidopsis thaliana. npj Systems. Biology and Applications. 5, 4
Küstner, L., Nägele, T., Heyer, A.G.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41540-018-0080-1)
