Biologische Funktionen der Nitrilbildung im Netzwerk der Glucosinolat-Abbauwege in Pflanzen
Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
Pflanzenphysiologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die chemische Diversität pflanzlicher Sekundärstoffe ist unter dem Selektionsdruck biotischer und abiotischer Umweltfaktoren entstanden, sodass viele Sekundärstoffe als Abwehr- oder Signalstoffe in organismischen Interaktionen fungieren. Das Glucosinolat- Myrosinase-System der Brassicales zählt zu den am besten untersuchten chemischen Abwehrsystemen in Pflanzen. Meist hängt seine Wirkung von der Aktivierung durch Hydrolyse der Glucosinolate durch Myrosinasen (Thioglucosid-Glucosidasen, TGG) ab. Durch nachfolgende Reaktionen kommt es zur strukturellen Diversifizierung, z.B. durch Nitrilspezifizierende Proteine (NSPs). Die klassische Sichtweise dieser "Senfölbombe", die bei Gewebeschädigung detoniert, wurde durch die Entdeckung "atypischer" Myrosinasen (β-Glucosidasen (BGLUs) der BGLU18-BGLU33-Gruppe) erweitert, von denen einige den Glucosinolatabbau ohne vorherige Gewebeschädigung einleiten. In diesem Projekt wurden biochemische Untersuchungen rekombinanter NSPs und BGLUs mit Biotests unter Verwendung mutierter Arabidopsis thaliana-Linien kombiniert, um ein besseres Verständnis der Organisation und der biologischen Rolle des Glucosinolat-Myrosinase-Systems insbesondere in der Wurzel zu erlangen. Die neu etablierte Mutante nsp134, eine A. thaliana-Linie ohne funktionelle NSPs in der Wurzel, wurde phytochemisch charakterisiert. Die nsp134-Pflanzen sowie Linien mit fehlender Biosynthese aliphatischer oder indolischer Glucosinolate wurden in Hinblick auf die Zusammensetzung ihrer Rhizospheren-Mikrobiota untersucht. Dies zeigte, dass neben der Biosynthese von Glucosinolaten die Fähigkeit zur Bildung von Nitrilen entscheidend für die Etablierung der mikrobiellen Gemeinschaft der Rhizosphäre von A. thaliana ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Glucosinolate in der intakten Wurzel abgebaut werden, bevor ihre Metabolite in die Rhizosphäre übergehen und dort die mikrobielle Besiedlung beeinflussen. Um die verantwortlichen Mechanismen zu verstehen, sind weitere Untersuchungen notwendig. Da Wurzeln von A. thaliana reich an Indolglucosinolaten sind, untersuchten wir den Einfluss von NSP1-NSP5 (rekombinant exprimiert in Escherichia coli) auf die Produktbildung bei der Hydrolyse von Indolglucosinolaten durch die Wurzel-Myrosinase TGG4 (rekombinant exprimiert in Pichia pastoris) in vitro. Dabei zeigte sich, dass alle fünf NSPs bei der Hydrolyse von Indol-3- ylmethylglucosinolat (I3M), 1-Methoxy-I3M und 4-Methoxy-I3M Nitrile zu bilden. Die NSPs scheinen sich jedoch in ihrer Aktivität bei der Hydrolyse von 4-Methoxy-I3M zu unterscheiden, das in oberirdischen Teilen an der Pathogenabwehr beteiligt ist. Für zwei BGLUs der BGLU18-BGLU33-Gruppe, die funktionell in P. pastoris exprimiert wurden, wurden unterschiedliche Substratspektren gefunden. Die Ergebnisse legen wichtige Grundlagen für weiterführende Untersuchungen der komplexen Maschinerie des Glucosinolatabbaus und ihrer biologischen Funktion.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Assessing the roles of glucosinolates and their different breakdown product types in below-ground interactions. International Conference of the German Society of Plant Sciences, Bonn, poster
Hielscher A., Ravindran B.M., Stauber E.J. & Wittstock U.
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Impaired glucosinolate biosynthesis and berakdown product formation affect microbial composition in the rhizosphere of Arabidopsis thaliana. International Conference of the German Society of Plant Sciences, Bonn, poster
Chroston E.C.M., Ravindran B.M., Stauber E.J., Meier K., Bziuk N., Smalla K. & Wittstock U.
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The Impact of Nitrile-Specifier Proteins on Indolic Carbinol and Nitrile Formation in Homogenates of Arabidopsis thaliana. Molecules, 27(22), 8042.
Chroston, Eleanor C. M.; Hielscher, Annika; Strieker, Matthias & Wittstock, Ute
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Assessing the effects of glucosinolates and their different breakdown product types on the rhizosphere bacterial community. International Conference of the German Society of Plant Sciences, Halle, poster
Hielscher A., Chroston E.C.M., Bziuk N., Stauber E.J., Ravindran B.M., Smalla K. & Wittstock U.
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Glucosinolate structural diversity shapes recruitment of a metabolic network of leaf-associated bacteria. Nature Communications, 15(1).
Unger, Kerstin; Raza, Syed Ali Komail; Mayer, Teresa; Reichelt, Michael; Stuttmann, Johannes; Hielscher, Annika; Wittstock, Ute; Gershenzon, Jonathan & Agler, Matthew T.
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Plant glucosinolate biosynthesis and breakdown pathways shape the rhizosphere bacterial/archaeal community. Plant, Cell & Environment, 47(6), 2127-2145.
Chroston, Eleanor C. M.; Bziuk, Nina; Stauber, Einar J.; Ravindran, Beena M.; Hielscher, Annika; Smalla, Kornelia & Wittstock, Ute
