Interaktion komplexierender und reduzierender Wurzelexsudate in der pflanzlichen Eisenaneignung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei Wachstum auf alkalischen Böden unter Eisen(Fe)-Mangel geben dikotyle Pflanzenarten in ihren Wurzelabscheidungen Coumarin-Derivate ab, die in der Rhizosphäre schwerlösliches Fe mobilisieren können. Zu Beginn dieses Projektes war nur von Scopoletin bekannt, dass es an der Fe-Mobilisierung teilnimmt, während andere Coumarinderivate und ihre funktionale Relevanz als Siderophore nicht beschrieben waren. Ziel dieses Projektes war es, in der Modellpflanzen Arabidopsis neue Coumarinartige Siderophore zu identifizieren, ihre Modifikationen nach der Abgabe von der Wurzel zu beschreiben, ihre Rolle in der Chelatisierung versus Reduktion von Fe(III) zu bestimmen und ihre Effektivität in Abhängigkeit von Bodeneigenschaften zu beschrieben, insbes. vom pH-Wert. Im Verlauf des Projektes, welches eine Kooperation zwischen zwei deutschen und zwei österreichischen Arbeitsgruppen innerhalb eines DACh-Antrags war, erzielten die beiden deutschen Partner folgende Ergebnisse: i) Der Biosyntheseweg Coumarin-artiger Siderophore umfasst zwei weitere Schritte, die Hydroxylierung von Scopoletin zu Fraxetin durch Scopoletin-8-Hydroxylase, eine 2-Oxoglutaratabhängige Dioxygenase, und die nachfolgende Hydroxylierung von Fraxetin zu Sideretin durch die P450-Cytochrom-Oxidase CYP82C4. Beide Enzyme werden unter Fe-Mangel induziert und colokalisieren in Epidermiszellen der Wurzeln. Bemerkenswerterweise zeigen nur s8h- aber nicht cyp82C4-Mutanten schwere Fe-Mangelsymptome, wenn sie in Böden oder auf Agar mit geringer Fe- Verfügbarkeit wachsen. In-vitro Assays zeigten, dass unter sterilen Bedingungen Scopoletin kaum Fe mobilisieren kann, während Sideretin Fe bei leicht saurem pH und nur Fraxetin Fe auch bei neutralem bis alkalischem pH mobilisiert, d.h. dass je nach Bodenbedingungen unterschiedliche Coumarine Fe mobilisieren. In-vitro Assays zeigten zudem, dass Fraxetin und Sideretin Fe(III) mit unterschiedlicher Kinetik reduzieren. Massenspektrometrische Analysen identifizierten neue, teils oxidierte Coumarin-Spezies inklusive Dimeren, hydroxylierten Dimeren, Quinonen und demethylierten Metaboliten, während intakte Coumarin-Fe-Komplexe zwar eindeutig nachgewiesen aber noch nicht quantifiziert werden konnten. Modellexperimente weisen auf einen Reaktionsweg hin, über den Scopoletin in Anwesenheit von Fe zu Esculetin, einem anderen Catechol-artigen Coumarin, demethyliert werden kann. Versuche mit Einzel- und Doppelmutanten, die in verschiedenen Schritten der Coumarinsynthese oder der Fe(III)-Reduktion defekt sind, lieferten genetische Evidenz, dass Coumarine Fe(III) auch reduzieren können, wobei Fraxetin bei neutralem bis alkalischem pH am effektivsten ist und Sideretin nur bei leicht saurem pH reduziert. Darüber hinaus zeigte sich, dass Pflanzen die Zusammensetzung an Coumarinen in den Wurzelausscheidungen je nach pH-Wert des Mediums ändern, u.a. durch transkriptionelle Regulation der Biosynthesegene und in Abhängigkeit einer funktionalen membrangebundenen Fe(III)-Reduktase. Zusammengefasst stellen wir fest, dass die Synthese und Abgabe von Coumarinen unter Fe-Mangel einer hohen biochemischen Plastizität unterliegen, mit der sich Pflanzen an die äusseren Bedingungen anpassen, unter welchen Fe- Komplexierung und -Reduktion stattfinden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018) Biosynthesis of redox-active metabolites in response to iron deficiency in plants. Nature Chemical Biology 14, 442-450
Rajniak J., Giehl R.F.H., Chang E., Murgia I., von Wirén N., Sattely E.S.
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(2020) Importance of oxidation products in coumarin-mediated Fe(hydr)oxide mineral dissolution. BioMetals 33, 305-321
Baune M., Kang K., Schenkeveld W.D.C., Kraemer S.M., Hayen H., Weber G.
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(2021) Root exudation of coumarins from soil-grown Arabidopsis thaliana in response to iron deficiency. Rhizosphere 17, 100296
Rosenkranz T., Oburger E., Baune M., Weber G., Puschenreiter M.
