Koevolution und Diversifizierung von Prozessen apoplastischer Redoxdynamik bei Wachstum und Fertilität in Landpflanzen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Stefanie Müller-Schüssele
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431732981

Die Evolution der Landpflanzen hat fundamentale Änderungen im Generationswechsel sowie der Fortpflanzung hervorgebracht. Während Bryophyten eine dominante haploide Generation aufweisen und die Befruchtung zwischen begeißelten Spermatozoiden und Eizellen in Archegonien auf Gametophyten stattfindet, sind die Gametophyten in Angiospermen auf wenige Zellen reduziert. Hierbei wurde die Befruchtung von freiem Wasser unabhängig, erfordert nun aber die Interaktion zwischen Pollenschlauch und dem Embryosack, der in der Samenanlage eingeschlossen ist. Hier ist die lokale Erzeugung von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) an der Zellwandremodellierung und an Signalprozessen, sowohl beim weiblichen, als auch beim männlichen Part der Fortpflanzung beteiligt. Daher haben sich die Proteine, die ROS-abhängige Mechanismen bei Wachstum und Fertilität kontrollieren wahrscheinlich diversifiziert, um verschiedene Funktionen zu unterstützen. Die „Respiratory Burst Oxidase Homologs“ (RBOH) initiieren lokale Änderungen der ROS-Level indem sie extrazelluläres Superoxid erzeugen. Innerhalb des Apoplasten bestimmen Dismutation sowie Reaktionen, die von Klasse III Peroxidasen (K3P) katalysiert werden, das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen ROS-Arten sowie die Spezifität für Zielmoleküle. Hier erfüllen Superoxid, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale unterschiedliche biologische Funktionen in der Signalgebung und bei lokalen oxidativen Prozessen, die zur Bildung oder Lockerung von Polymeren führen. Sowohl die RBOH- als auch die K3P-Proteinfamilien sind im Laufe der Evolution der Landpflanzen stark expandiert, was auf eine Sub- und Neofunktionalisierung und möglicherweise Koevolution hindeutet. Es ist weitgehend unbekannt, (1) ob extrazelluläre Redoxdynamik an der Fortpflanzung von Pflanzen mit begeißelten Spermatozoiden beteiligt ist und (2) wie das Gleichgewicht zwischen verschiedenen ROS-Arten downstream der RBOH Aktivität die lokale Redoxdynamik bei den verschiedenen Fortpflanzungsarten von Landpflanzen steuert. In diesem Projekt werden (1) die Subfunktionalisierung und die reproduktive Funktion von RBOH-Homologen im Modell-Bryophyten Physcomitrium patens untersucht sowie (2) wie extrazelluläre Enzyme downstream der RBOH-Aktivität die Funktion der lokalen Superoxidbildung beeinflussen. Hier untersuchen wir, welche Auswirkungen die Superoxid-Dismutation und/oder das Fehlen spezifischer K3Ps mit hoher Expression in reproduktiven Strukturen auf Wachstum und Fertilität haben. Um kompartimentierte Redoxdynamik in vivo zu untersuchen, werden wir Methoden zur intrazellulären und extrazellulären Erfassung der lokalen ROS-Bildung während der sexuellen Fortpflanzung in verschiedenen Landpflanzen anwenden und weiterentwickeln, wobei der Schwerpunkt auf genetisch kodierten Redox-Biosensoren liegt. Dieses Projekt wird ein besseres Verständnis der Evolution der RBOH-Funktion in Landpflanzen ermöglichen und die Rolle von (koevolvierenden) Redoxprozessen aufdecken.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5098: Innovation und Koevolution in der sexuellen Reproduktion von Pflanzen - ICIPS