Mechanismen des Metabolismus und der Signalwirkung von Apocarotinoiden

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Ralf Welsch
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 409147917

Carotinoide haben eine Vielzahl von Funktionen im Leben einer Pflanze und sind essentiell für Tiere einschließlich Menschen. Dies liegt an ihrer Funktion als Provitamin A, das für Seh- und Entwicklungsvorgänge benötigt wird. Nach ihrer Biosynthese in Pflanzen sind Carotinoide instabil und werden enzymatisch in Pflanzenhormone und Duftstoffe umgewandelt, sowie – aufgrund ihrer Funktion als Antioxidantien – nicht-enzymatisch zu verschiedenen Apocarotinoiden oxidiert. Ausgehend von den hohen Fließgleichgewichts-Raten der Carotinoid-Biosynthese erfolgt ihr Umsatz und damit die Bildung von Apocarotinoiden mit ebenfalls hohen Raten. Während die Forschung an Enzymen und Mechanismen der Carotinoid-Biosynthese beeindruckende Fortschritte gemacht hat, ist das Wissen über die Prozesse, die an der Apocarotinoid-Metabolisierung beteiligt sind, gering. Um entsprechende Mechanismen zu identifizieren haben wir Transkriptom-Veränderungen in Arabidopsis-Wurzeln ermittelt, in denen Apocarotinoid-metabolisierende Prozesse durch eine Überakkumulation an b-Carotin induziert wurden. Induzierte differenziell exprimierte Gene konnten als Reaktion auf Carbonyl-Stress interpretiert werden, die der Entgiftung hoch-reaktiver Apocarotinoide dient. Dies wurde biochemisch mit einem der identifizierten Enzyme bestätigt, das bestimmte Apocarotenale zu weniger reaktiven Derivate entgiftete. Weiterhin beobachteten wir Expressionsänderungen spezifischer Carotinoid-Biosynthese-Gene, die eine Reduktion der b-Carotin-Biosynthese anstrebten und auf die Perzeption von b-Carotin als Ursache für die Apocarotinoid/Carbonyl-Überladung hinweisen. In diesem Projekt werden wir weitere, neue Apocarotinoid-metabolisierende Enzyme charakterisieren und die entsprechenden Metabolite sowie intrazelluläre Transportvorgänge in Pflanzen nachweisen. Weiterhin werden wir Biosyntheseweg-spezifische Moleküle mit Signalfunktion identifizieren, die in der Lage sind, Informationen über unregelmäßige b-Carotin-Mengen in Genexpressions-Änderungen zu übertragen. Wie wir gezeigt haben führt die weitere Oxidation von Apocarotinoiden letztlich zu Glyoxal und Methylglyoxal. Wir werden daher weiterhin eine mögliche Remobilisierung von Carotinoid-abgeleitetem Kohlenstoff zu primären Biosynthesewegen untersuchen. Unsere Ergebnisse werden eine Vorlage zur Analyse entsprechender Prozesse in Nutzpflanzen mit stark unterschiedlicher Carotinoid-Stabilität bilden und neuartige Ansätze zur Erhöhung der Carotinoid-Menge liefern. Weiterhin könnte der vorgeschlagene Carotinoid-Recycling-Prozess unser Verständnis zur Verbindung zwischen anabolischen und katabolischen Wegen im plastidären Metabolismus weiter vergrößern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Italien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Giovanni Giuliano, Ph.D.
• Mitverantwortlich(e): Privatdozentin Shizue Matsubara, Ph.D.