Analyse der zentralen metabolischen Kinase SnRK1 und der abhängigen Enzyme und Transkriptionsfaktoren bei der Kontrolle des Phasenübergangs von Heterotrophie zur Autotrophie während der Arabidopsis Keimlingsentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Dröge-Laser
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 352650349

Die pflanzliche Samenkeimung zeichnet sich durch einen einschneidenden Phasenübergang aus: während der heterotrophen, frühen Keimlingsentwicklung werden Speicherstoffe in Kohlenhydrate umgewandelt, die die metabolische Grundlage für die Etablierung der autotrophen Lebensweise bilden. Die Keimlingsentwicklung stellt damit ein wichtiges Modelsystem für Studien zur metabolischen Kontrolle von Phasenübergängen dar. Während enzymatisch-metabolische Funktionen der Keimlingsentwicklung gut erforscht sind, bleiben die Regulationsmechanismen weitestgehend unbekannt. Arbeiten der ersten Förderperiode belegen, dass die evolutionär konservierte Kinase SnRK1 (Snf1 RELATED PROTEIN KINASE) wichtige Prozesse der Keimlingsentwicklung koordiniert, insbesondere die Mobilisierung von Speicherstoffen, aber auch Hypokotyl-Elongation und Etablierung des Photosynthese-Apparates. Durch Fütterung mit Glucose konnten phänotypische Defekte einer SnRK1-Mutante weitestgehend supplementiert werden, was für eine wichtige Funktion von SnRK1 im Rahmen der Nutzung von Speicherstoffen spricht. Metabolit-Analysen zeigten, dass i. W. Saccharose die frühe Keimlingsentwicklung versorgt, allerdings SnRK1-unabhängig. Triacylglyceride (TAG) werden interessanterweise erst nach ca. 3 Tagen genutzt. Der SnRK1-abhängige TAG-Abbau wird post-translational, aber auch durch Transkription einer kleinen Zahl von „Bottleneck“-Genen reguliert. Außerdem steuert SnRK1 auf Transkriptionsebene den Abbau von Samenspeicherproteinen und Aminosäuren (AA). Herauszuheben sind zwei SnRK1-abhängige Gene, die essentielle Eingangsenzyme der Glukoneogenese kodieren: PCK1 (PYRUVATE CARBOXYKINASE1) im TAG-Abbau und cyPPDK (cytosolische PYRUVATE ORTHOPHOSPHATE DIKINASE) im AA-Katabolismus. Die SnRK1-abhängige Genregulation wurde exemplarisch für cyPPDK untersucht, einem direkten Zielgen des Transkriptionsfaktors bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER63), der durch SnRK1 phosphoryliert wird und synergistisch mit SnRK1 die cyPPDK Transkription aktiviert. Im Folgeantrag möchten wir die Arbeiten zur Funktion von SnRK1 bei der Nutzung von Samenspeicherstoffen, aber auch im Rahmen der Keimlingsentwicklung fortsetzten: (a) Wir werden transkriptionelle Regulatoren von Genen des TAG-Katabolismus (z. B. PCK1) identifizieren und funktionell charakterisieren. (b) Mit Hilfe von Phosphoproteomics werden wir SnRK1-Ziel-Enzyme im TAG Katabolismus sowie Transkriptionsfaktoren im Rahmen der Hypokotyl-Elongation identifizieren und charakterisieren. (c) Abschließend möchte wir die metabolische Verzahnung zwischen Zuckerverfügbarkeit und SnRK1-Aktivität analysieren und hier auf das Signalmolekül Trehalose 6-Phsophat (T6P) fokussieren. Dieses Wissen über metabolische Kontrolle ist von zentraler Bedeutung für unser Verständnis pflanzlicher Entwicklungsprozesse, aber auch für zukünftige Strategien zur Optimierung landwirtschaftlicher Produktion.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen