Regulation of the plant metabolic network during stress (ERA-PG 003)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel dieses Projektes war die Identifizierung von grundlegenden metabolischen Veränderungen und regulatorischen Mechanismen auf abiotischen Stress in Arabidopsis thaliana. Als Stressart wurde oxidativer Stress gewählt, da er einen allgemeinen Begleitstress bei vielen andern abiotischen Stressarten widerspiegelt. Unter Bezugname von vergleichenden Transkriptanalysen, einer sehr breiten Metabolitenprofilanalyse sowie einer Proteinanalyse der Hauptproteine der mitochandrialen Superkomplexe, waren wir in der Lage ein sehr viel detailliertes Bild des pflanzlichen Metabolismusses in Reaktion auf menadioninduzierten oxidativen Stress zu erzeugen. Diese Studie zeigt, dass sich die Stressreaktion einer Pflanze, neben einigen Gemeinsamkeiten, wesentlich von der Reaktion von Arabidopsis-Zellkulturen unterscheidet. Weiterhin ermöglicht die Studie uns die Reaktion des metabolischen Netzwerkes auf allen Ebenen zu betrachten. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir zeigen, dass Menadion nicht nur eine Beeinträchtigung des Redox-Systemes der Mitochondrien bewirkt, sondern auch der Plastiden und des Zytosols. Nach dieser Erkenntnis, wurde gesondertes Augenmerk darauf gerichtet, in welchen Stoffwechselwegen die Regulierungen und Veränderungen auftraten. Es wurde festgestellt, dass der primäre anabolische Stoffwechsel weitestgehend herunterreguliert wurde um den katabolischen und antioxidativen Stoffwechsel zu unterstützen. Die Stressreaktion des Metabolismus war geprägt durch eine allgemeine Abnahme der Aminosäuren und Metabolite des Zitronensäurezyklusses. Wohingegen regulatorische Proteine in ihren Transkripten hochreguliert wurden. Das große Datenset erlaubt es uns (i) die Natur quantitativer Veränderungen, als Reaktion auf abiotischen Stress, zu klassifizieren. Weiterhin erlaubt es uns die Auswahl von geeigneten Enzymen der Glykolyse, des Zitronensäurezyklusses und des GABA-Beipasses für zukünftige Studien. Es bietet, wenn die Ergebnisse mit der mitochondrienspezifischen Proteomanalyse (unser Lab) und der Proteomanalyse der gesamten Zelle (Sweetlove Lab) kombiniert werden, einen fast vollständigen Überblick und ein Erreichen der Zielsetzung. (ii) Erlaubt es uns einen Einblick in die regulatorischen Mechanismen zu bekommen. Weiterführende Experiment mit transgenen Pflanzen, die ein induzierbares RNAi-Konstrukt enthalten, welches organellspezifisch das antioxidantive Schutzsystem der Pflanze ausschaltet, komplettieren den Überblick und auch den Stand der Arbeit. Weiterhin konnten wir als Arbeitsgemeinschaft Faktoren identifizieren, die die Regulation von metabolischen Strukturen beeinträchtigen z.B. verschiedene Proteinen die sich mit den mitochondrialen Superkomplexen verbinden oder sich von ihnen ablösen. Das Binden von Enzymen der Glykolyse an VDAC-Kanälen der inneren Mitochondrienmembran und die menadionbedingte Phophorylierung von Glykolyseenzymen. Es wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor NAC053 nicht essentiell für die Hochregulierung der Glucosyltransferase ist. Diese ist involviert in der Hochregulierung des sekundären Metabolismusses. Selbst wenn die Experimente keinen rundum vollständigen Überblick widerspiegeln, geben sie doch wertvolle Informationen und Anreize für zukünftige Projekte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2009). The metabolic response of Arabidopsis roots to oxidative stress is distinct from that of heterotrophic cells in culture and highlights a complex relationship between the levels of transcripts, metabolites and flux. Molecular Plant 2: 390-406
Lehmann M, Schwarzländer M, Obata T, Sirikantaramas S, Burow M, Olsen CE, Tohge T, Fricker MD, Moller BL, Fernie AR, Sweetlove LJ, Laxa M
