iPHACTORY: Interdisziplinäre Untersuchung von photosynthetischen glanduläre Trichome als zelluläre Stoffwechselfabriken

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Anna Matuszynska; Professor Dr. Alain Tissier
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420069095

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des interdisziplinären Projekts iPHACTORY untersuchte unser Team von Molekular- und Computerbiologen die Rolle der Photosynthese und des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels in den epidermalen Auswüchsen von Pflanzen, den glanduläre Trichomen (GT). GT sind auf der Oberfläche der oberirdischen Pflanzenteile lokalisiert und produzieren, speichern und sezernieren große Mengen einer breiten Palette chemisch unterschiedlicher Verbindungen, einschließlich Terpenoiden. Aufgrund der extrem hohen Stoffwechselströme, von denen einige bis zu 20 % des Trockengewichts des Blattes ausmachen können, werden GT oft als wahre metabolische Zellfabriken bezeichnet. Neue Studien deuten darauf hin, dass einige Trichome photosynthetisch aktiv sind, was die Frage aufwirft, wie (wenn überhaupt) der Primärstoffwechsel zu den hohen Stoffwechselflüssen in GT beiträgt. Unter Verwendung der COBRA-Toolbox, von Daten aus den LycoCyc- und MetaCyc-Stoffwechselweg-Datenbanken und verfügbaren Multi-omics-Daten haben wir ein stöchiometrisches Modell des spezialisierten Stoffwechsels in photosynthetischen Drüsentrichomen von Solanum lycopersicum (Tomate) entwickelt und vorhergesagt, dass zunehmende Lichtintensitäten zu einer Verschiebung der Kohlenstoffverteilung von katabolen zu anabolen Reaktionen führen, die durch die Energieverfügbarkeit der Zelle angetrieben werden. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die photosynthetische Aktivität der Zelle einen zusätzlichen Vorteil bietet, indem sie bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen zwischen zwei Isoprenoid-Wegen umschaltet: dem Methylerythritolphosphatweg (MEP) und dem Mevalonatweg (MEV). Dank der engen Zusammenarbeit zwischen dem theoretischen und dem experimentellen Labor konnten wir die modellgesteuerte Hypothese bezüglich der beeinträchtigten Terpenoidproduktion testen. Anhand von Transkriptomdaten aus früheren Arbeiten wählten wir eine Reihe von Genen aus, die wir ausschalteten oder abschalteten, um ihre Rolle bei der Bereitstellung von Vorläufern für die Terpenoidwege zu bewerten. Dazu gehören die kleine Untereinheit von Rubisco, die Phosphoenolpyruvat- Carboxylase-Kinase (PEPCK) und die plastidiale Fructosebisphosphat-Aldolase. Darüber hinaus haben wir auch die Produktivität der Trichome untersucht, wenn die Pflanzen einer Wärmebehandlung (37°C) ausgesetzt werden. Für die computergestützte Analyse erweiterten wir die Zahl der untersuchten Organismen um das Cyanobakterium Synechocystis, das zwar photosynthetisch aktiv ist, aber im Gegensatz zu den GT der Tomate nur einen Terpenoid-Produktionsweg besitzt (MEP). Schließlich motivierte das Projekt die Entwicklung eines Open-Source-Lehrmittels für Biologie zum Thema Modellierung im biologischen Kontext und einer Software für die Konstruktion stöchiometrischer Modelle durch unsere Kooperationspartner.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Control of resource allocation between primary and specialized metabolism in glandular trichomes. Current Opinion in Plant Biology, 66, 102172.
  Brand, Alejandro & Tissier, Alain
  
• Heat stress induces a developmental shift from type-V to type-IV trichome dependent on jasmonate signaling in tomato.
  Säbel, Robert; Brand, Alejandro; Bergau, Nick; Balcke, Gerd U.; Syrowatka, Frank; Püffeld-Raorane, Mandy; Hause, Bettina & Tissier, Alain
  
• Shedding light on blue-green photosynthesis: A wavelength-dependent mathematical model of photosynthesis in Synechocystis sp. PCC 6803.
  Pfennig, Tobias; Kullmann, Elena; Zavřel, Tomáš; Nakielski, Andreas; Ebenhöh, Oliver; Červený, Jan; Bernát, Gábor & Matuszyńska, Anna Barbara
  
• Shifts in carbon partitioning by photosynthetic activity increase terpenoid synthesis in glandular trichomes. The Plant Journal, 115(6), 1716-1728.
  Saadat, Nima P.; van Aalst, Marvin; Brand, Alejandro; Ebenhöh, Oliver; Tissier, Alain & Matuszyńska, Anna B.
  
• Computational Photosynthesis (ComPhot): Simulation-Based Learning Platform to Study Photosynthesis. The Plant Cell, 37(6).
  Philipps, Sarah; Pfennig, Tobias; Corvest, Elouën; van Aalst, Marvin; Fürtauer, Lisa & Matuszyńska, Anna