Die funktionelle Bedeutung des Xylulose-5-Phosphat/Phosphattranslokators und verwandter Transporter für den Primär- und Sekundärmetabolismus in Arabidopsis thaliana

• Antragsteller: Dr. Rainer E. Häusler
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267440908

Phosphattranslokatoren (PTs) der inneren Plastiden-Hüllmembran vermitteln einen strikten Gegentausch von phosphorylierten Metaboliten mit anorganischem Phosphat zwischen Stroma und Cytosol. Die vier Mitglieder der PT-Familie unterscheiden sich in ihren Substratspektren sowie den zeitlichen und gewebespezifischen Expressionsprofilen und somit auch in ihren funktionellen Rollen. Der Triosephosphat (TP)/PT (TPT) exportiert tagsüber assimilierten Kohlenstoff als TPs aus den Chloroplasten. Der Glukose-6-Phosphat (Glc6P)/PT (GPT) versorgt hingegen heterotrophe Plastiden mit Kohlenstoffgerüsten, und der Phosphoenolpyruvat (PEP)/PT liefert sowohl grünen als auch nicht-grünen Plastiden PEP als Substrat für den Shikimatweg. Die Rolle des in Arabidopsis ubiquitär exprimierten Xylulose-5-Phosphat (Xu5P)/PT (XPT) ist weniger klar. Wir konnten zeigen, dass der XPT den Rücktransport von Xu5P als Endprodukt des extraplastidären oxidativen Pentosephosphatwegs (OPPP) in das Stroma vermittelt. Der Grund für den fehlenden Phänotyp der beiden Mutantenallele, xpt-1 und xpt-2, soll im ersten Teilprojekt des Nachfolgeantrags untersucht werden. Mutanten und Wildtypen werden dabei Bedingungen unterworfen, die den Fluss durch den extraplastidären OPPP erhöhen. Dies sollte zu einer Akkumulation von Xu5P im Cytosol und einem Rückstau der daran beteiligten Metabolite führen. Doppelmutanten mit einem gleichzeitigen Defekt von XPT und TPT zeigen eine deutliche Wachstumshemmung, kombiniert mit einer massiven Akkumulation von Maltose (aus dem Stärkeabau) und Pentosephosphaten sowie verringerte Photosyntheseraten. Wir konnten zeigen, dass Dreifachmutanten mit einem Ausfall von TPT, XPT und der Stärkesynthese nicht mehr lebensfähig sind. Die TP-Transportaktivität des XPT unterstützt somit den Assimlilatexport aus den Chloroplasten, wenn eine Kompensation durch den Stärkeabbau nicht mehr möglich ist. Das zweite Teilprojekt zielt auf die Klärung der Mechanismen ab, die für den Phänotyp der tpt/xpt Doppelmutanten verantwortlich sind. Insbesondere sollen die Konsequenzen einer Verarmung an cytosolischem TP im Blatt untersucht werden. Als Hauptstrategien werden Transkriptom-, Metabolom- sowie metabolische Flussanalysen an Pflanzen eingesetzt, die Transporter oder weitere Funktionen transient mithilfe eines durch EtOH induzierbaren Promotor-Systems exprimieren/reprimieren. Durch dieses transiente System lassen sich Änderungen in den Messparametern zeitabhängig nach Induktion erfassen. Über nicht-wässrige Fraktionierung sollen zudem Gehalte an Primärmetaboliten (z.B. Xu5P und TP) auch subzellulär erfasst werden. Neben TPs kann der XPT auch PEP transportieren. Wir konnten zeigen, dass Dreifachmutanten mit einem Ausfall beider PPTs und des XPTs noch etwa 40% des PEP-Transports von Wildtypen aufweisen. Es soll im dritten Teilprojekt untersucht werden, inwieweit beide GPTs, die auch über substantielle PEP Transportkapazitäten verfügen, für diesen Effekt verantwortlich sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen