Die Bedeutung organellärer Membran-Kontaktstellen für den photosynthetischen Metabolismus in Pflanzenzellen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Müller-Schüssele
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387162851

Abhängig von den Umweltbedingungen kann der Metabolismus von Pflanzen zwischen autotrophem und heterotrophem Wachstumsmodus wechseln. Im Licht ist die metabolische Zusammenarbeit mehrerer Organellen auf Grund der Photorespiration lebenswichtig. Hierbei wird schädliches Glykolat, dass durch die Oxygenase-Aktivität der Ribulose-1,5-Bisphosphat Carboxylase/Oxygenase (RuBisCO) entsteht durch acht Enzyme, die auf Peroxisomen, Mitochondrien und Chloroplasten aufgeteilt sind, wiederaufbereitet.Während die biochemischen Vorgänge der Photorespiration größtenteils aufgeklärt sind, ist fast nichts über die Rolle der räumlichen Organisation der Organellen und die Bildung von spezifischen Membrankontaktstellen (MKS) zwischen Organellen bekannt. Während Assoziationen von Chloroplasten, Mitochondrien und Peroxisomen mikroskopisch schon seit Jahrzehnten beobachtet wurden, ist ihre molekulare Struktur und ihre Relevanz für den Metabolismus und die Leistungsmerkmale von Pflanzen noch völlig unbekannt.Wir untersuchen die Hypothese, ob MKS in Pflanzen metabolische Remodellierungen unterstützen und als Basis für eine Reorganisation der Zelle unter wechselnden Umweltbedingungen fungieren. Um zu untersuchen, ob und wie dynamisch spezifische MKS zwischen den photorespiratorischen Organellen gebildet werden, etablieren wir eine Reihe von genetisch kodierten in vivo Annäherungs-Biosensoren, die jeweils auf den Prinzipien der bimolekularen Fluoreszenzkomplementation (BiFC) und des Förster-Resonanzenergietransfers beruhen. Mit der molekularen Identität und Funktion von MKS-lokalisierten Proteinen befassen wir uns, indem wir ein Set von Kandidaten-Proteinen erstellt haben, das mittels eines Labelling-Ansatzes mit einer modifizierten Biotin-Ligase (BioID Methode) erweitert werden soll. Wir werden die Bildung von MKS ausserdem gezielt stören, indem wir synthetische Tether-Konstrukte für spezifische Organellpaare einbringen, und indem wir Pflanzenlinien mit mutierten MKS-lokalisierten Proteinen charakterisieren. Um die biologische Relevanz spezifischer MKS quantitativ zu erfassen werden wir hierbei Wachstumsphänotypen, photorespiratorische Kapazität und Metabolite, sowie photosynthetische Parameter auslesen.Unsere Ergebnisse werden die lange offene Frage klären ob sich MKS zwischen photorespiratorischen Organellen bilden und welche physiologische Relevanz diese für die Photorespiration und die Leitstungsfähigkeit von Pflanzen bei Licht/Dunkel-Übergängen haben. Wir werden herausfinden, wo in der Zelle Organellnähe auf spezifischer Assoziation und nicht auf Platzmangel beruht. Mit diesen Untersuchungen erwarten wir logische Verknüpfungen zwischen Zellbiologie, der Aufteilung von Stoffwechselwegen auf mehrere Organellen und der metabolischen Plastizität in Pflanzen zu schaffen. Da Photorespiration zusätzlich wichtig für das Verständnis von photosynthetischen Leistungsmerkmalen in Pflanzen ist, erwarten wir, dass unsere Ergebnisse auch biotechnologisch relevant werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen