Aufklärung der Funktion des CYBDOM-Proteins HYP1 beim Phosphormangel-abhängigen Primärwurzelwachstum
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Nährstoffverfügbarkeit im Boden hat einen starken Einfluss auf das Wurzelwachstum und die Wurzelentwicklung. Außer den Effekten, die durch einzelne Nährstoffe ausgelöst werden, kann auch das Zusammenspiel verschiedener Elemente Wurzelentwicklungsprozesse beeinflussen. Das Übergangsmetall Eisen (Fe) kann die Wurzelelongation unter niedrigem Phosphor (P)-Angebot hemmen, indem es ein komplexes Zusammenspiel von Redoxreaktionen und Signaltransduktionsprozessen im Wurzelapex von P-Mangelpflanzen auslöst. Viele Pflanzenarten scheiden Malat aus, um an Fe-(Hydro)oxide gebundenes P freizusetzen, was nicht nur die Verfügbarkeit von P, sondern auch von Fe erhöht. Es blieb jedoch noch unklar, wie die Wurzeln der erhöhten Fe-Verfügbarkeit und Redoxaktivität entgegenwirken. Durch die Kombination von Transkriptomik und Bioinformatik mit reverser Genetik in Arabidopsis thaliana haben wir ein bisher nicht charakterisiertes Gen identifiziert, das für die Aufrechterhaltung der Zellstreckung und Meristemintegrität unter P-armen Bedingungen entscheidend ist. Das identifizierte Gen kodiert für ein CYBDOM-Protein, das sich aus einer in die Plasmamembran eingebetteten Cytochrom b561-Domäne und einer apoplastischen N-terminalen Dopamin-ß-Monooxygenase (DOMON) zusammensetzt. Aufgrund des defekten Wurzelmeristems und stark gehemmter Zellstreckung der korrespondierenden T-DNA-Insertionsmutante unter niedrigem P, haben wir das Gen „HYPERSENSITIVE TO LOW P1“ (HYP1) genannt. HYP1 wird durch P-Mangel in der proximalen Zone des Wurzelapikalmeristems hochreguliert, und das Protein ist in der Plasmamembran lokalisiert. Mit AlphaFold-gestützter Modellierung wurden zwei putative Koordinationsstellen für b-Häme in der Cytochrom b561-Domäne und eine zusätzliche Stelle im DOMON identifiziert. Wir konnten außerdem nachweisen, dass HYP1 ascorbatabhängigen Elektronentransport über die Plasmamembran in Xenopus laevis-Oocyten vermittelt und Eisen- und Kupfersubstrate in Pflanzen reduziert, was darauf hindeutet, dass HYP1 eine Metalloreduktase ist. Die Knockout-Mutante von HYP1 führte zu einer erhöhten Fe- und Kallose-Akkumulation und zu signifikanten Veränderungen im Transkriptom der Wurzelspitzen. Dagegen verhinderte die Überexpression von HYP1 eine Fe- und Hyperakkumulation von Callose und Schädigung des Meristems und verbesserte so das Wurzelwachstum bei geringem P-Angebot. Mit Hilfe eines zelltypspezifischen Komplementierungsansatzes konnte festgestellt werden, dass HYP1-Aktivität in einer begrenzten Zone des Wurzelapikalmeristems für die Aufrechterhaltung der Meristemintegrität und des Wurzelwachstums erforderlich ist. In diesem Bereich baut HYP1 apoplastische Fe- Pools ab, die durch malatabhängige Mobilisierung entstehen. Unsere Studie hat eine neuartige Ascorbat-abhängige Metalloreduktase entdeckt, die Wurzelmeristeme unter P-Mangel vor erhöhter Fe-Verfügbarkeit schützt. Die Ergebnisse liefern auch Einblicke in die physiologische Funktion der bisher nur wenig charakterisierten, aber ubiquitären CYBDOM-Proteine.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ferric reduction by a CYBDOM protein counteracts increased iron availability in root meristems induced by phosphorus deficiency. Nature Communications, 15(1).
Maniero, Rodolfo A.; Picco, Cristiana; Hartmann, Anja; Engelberger, Felipe; Gradogna, Antonella; Scholz-Starke, Joachim; Melzer, Michael; Künze, Georg; Carpaneto, Armando; von Wirén, Nicolaus & Giehl, Ricardo F. H.
