Die Rolle von Lotus japonicus Thioesterasen im Lipidstoffwechsel und im Kohlenstoffaustausch mit dem arbuskulären Mykorrhizapilz Rhizophagus irregularis

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Dörmann
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286187598

• Erstellungsjahr: 2019

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Kolonisierung der Wurzeln mit arbuskulärer Mykorrhiza (AMF) bietet den Pflanzen einen besseren Zugang zu Bodenmineralstoffen außerhalb der Wurzelzone. Aus der Photosynthese der Wirtspflanze stammende Metaboliten sind die einzige Quelle für reduzierten Kohlenstoff für AMF. In den Genomen vieler AMF, wie dem Modellpilz Rhziophagus irregularis, fehlen die für die Fettsäure-de-novo-Synthese erforderlichen Fettsäure-Synthase-Gene (FAS) des Typs I. Das Fehlen einer de-novo-Fettsäuresynthese in AMF legt daher nahe, dass Fettsäuren neben Hexosen als zusätzliche Quelle für reduzierten Kohlenstoff dienen. Während der Ko-Evolution von AMF und Pflanzenwirt wurden die Genome der Wirtspflanzen spezialisiert. Sie enthalten Gene, die exklusiv in den Genomen der AMF-Wirte konserviert sind, jedoch Nicht‑Wirtspflanzen fehlen. Eines dieser Gene ist die Acyl-Acyl-Carrierprotein Thioesterase M (FatM). Acyl-ACP-Thioesterasen beenden die Fettsäuresynthese und setzen dadurch freie Fettsäuren frei. Die Bedeutung von FatM für die AMF-Symbiose wurde an der Wirtspflanze Lotus japonicus während der Symbiose mit Rhizophagus irregularis untersucht. Die Mykorrhiza-Kolonisierung von fatm-Transposon-Insertionsmutanten wurde charakterisiert, die 13C2-Markierung von Fettsäuren während der Symbiose durchgeführt und das rekombinante FatM-Enzym in vitro untersucht. Eine Verringerung der FatM-Genexpression in fatm Mutanten führte zu einer beeinträchtigten Mykorrhiza-Symbiose. Die Pilzwurzelbesiedlung war verringert und R. irregularis wies einen Defekt bei der Ansammlung von Speicherlipiden auf. Die Arbuskel-Verzweigung in fatm Mutanten war beeinträchtigt, und infolgedessen war die symbiotische Phosphatversorgung verringert. Rekombinante Expression und In-vitro-Enzymtests von FatM ergaben, dass 16:0-ACP das bevorzugte Substrat ist. Daher werden Plastiden in Arbuskozyten durch FatM umprogrammiert, um die Synthese von 16:0 zu erhöhen, welches sich anschließend in R. irregularis anreichert. Die Markierung von Fettsäuren während der Symbiose mit 13C2-Acetat zeigte, dass FatM für die Akkumulation von Mykorrhiza-Signaturfettsäuren 16:1ω5 und 20:3 essentiell ist, da in fatm Mutanten eine Abnahme der 13C-Markierung beobachtet wurde, die unabhängig von einer Abnahme der Pilzbiomasse in fatm Mutanten war. Die hier vorgestellten Experimente zeigen, dass AMF die Fettsäure- und Lipidsynthese auf die Produktion von 16:0-Fettsäuren über FatM umprogrammiert, die dann zur Desaturierung und zum Einbau in Lipide auf den Pilz übertragen werden. In Zukunft kann das Wissen über den symbiotischen Nährstoffaustausch dazu beitragen, die Vorteile der Mykorrhiza-Symbiose für die Pflanzenernährung und Pflanzenzüchtung zu verstehen und zu verbessern.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2016) Lipids in plant-microbe interactions. Biochim Biophys Acta 1861: 1379-1395
  Siebers M, Brands M, Wewe, V, Duan Y, Hölzl G, Dörmann P
  
• (2016). Genes conserved for arbuscular mycorrhizal symbiosis identified through phylogenomics. Nat. Plants 2: 15208
  Bravo A, York T, Pumplin N, Mueller LA and Harrison MJ
  
• (2017) Arbuscular mycorrhiza-specific enzymes FatM and RAM2 fine-tune lipid biosynthesis to promote development of arbuscular mycorrhiza. New Phytol 214: 1631-1645
  Bravo, A, Brands M, Wewer V, Dörmann P, Harrison MJ
  
• (2017) Lipid transfer from plants to arbuscular mycorrhiza fungi. eLife 2017;6:e29107
  Keymer A, Pimprikar P, Wewer V, Huber C, Brands M, Bucerius SL, Delaux P-M, Klingl V, Röpenack-Lahave E, Wang TL, Eisenreich W, Dörmann P, Parniske M, Gutjahr C
  
• (2017). Fatty acids in arbuscular mycorrhizal fungi are synthesized by the host plant. Science 356: 1175–1178
  Luginbuehl LH, Menard GN, Kurup S, van Erp H, Radhakrishnan GV, Breakspear A, Oldroyd GED and Eastmond, PJ
  
• (2017). Plants transfer lipids to sustain colonization by mutualistic mycorrhizal and parasitic fungi. Science 356: 1172-1175
  JiangY, Wang W, Xie Q, Liu N., Liu L, Wang D, Zhang X, Yang C, Chen X., Tang D and Wang E
  
• (2018) AP2 transcription factor CBX1 with a specific function in symbiotic exchange of nutrients in mycorrhizal Lotus japonicus. Proc Natl Acad Sci USA 115: E9239-E9246
  Xue L, Klinnawee L, Zhou Y, Saridis G, Vijayakumar V, Brands M, Dörmann P, Gigolashvili T, Turck F, Bucher M
  
• (2018) The Lotus japonicus acyl‐acyl carrier protein thioesterase FatM is required for mycorrhiza formation and lipid accumulation of Rhizophagus irregularis. Plant J: 95: 219-232
  Brands M, Wewer V, Keymer A, Gutjahr C, Dörmann P