Charakterisierung von Phosphofructokinase-Isoformen in Arabidopsis thaliana

• Antragstellerin: Professorin Dr. Angelika Mustroph
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493090432

Die Glycolyse ist ein essentieller Stoffwechselweg in Pflanzen, da sie die Grundlage für die Energieproduktion in Pflanzenzellen, die momentan keine Photosynthese betreiben, ist. Sie ist daher unentbehrlich für den Primärstoffwechsel, sowohl unter optimalen Wachstumsbedingungen als auch unter biotischem und abiotischem Stress mit häufig erhöhtem Energiebedarf. Trotz dieser zentralen Stellung sind einige Schritte der pflanzlichen Glycolyse noch nicht gut charakterisiert. Ein wichtiger Schritt der Glycolyse ist die Umwandlung von Fructose-6-Phosphat zu Fructose-1,6-Bisphosphat, katalysiert durch die ATP-abhängige Phosphofructokinase (PFK) und möglicherweise auch durch die Pyrophosphat:Fructose-6-Phosphat-Phosphotransferase (PFP). Das Genom von Arabidopsis thaliana enthält 7 Gene, die für PFK-Isoformen kodieren, und 4 Gene für PFP-Isoformen. Der Anteil jeder dieser Isoformen an der Gesamt-PFK-Aktivität in verschiedenen Organen und Entwicklungsstadien ist bisher kaum bekannt. Unsere Experimente deuten darauf hin, dass AtPFK1 und AtPFK7 die wichtigsten cytosolischen PFK-Isoformen sind, da eine Doppelmutante im Wachstum stark eingeschränkt ist. Eine der zwei plastidären Isoformen, AtPFK5, wird redox-reguliert durch Thioredoxin-f, wie wir kürzlich zeigen konnten. Dies weist darauf hin, dass AtPFK5 eine wichtige Funktion im Stoffwechsel der Plastiden haben könnte. Ein Knockout dieser Isoform hatte jedoch nur sehr geringe Effekte auf den Stoffwechsel der Pflanzen.In diesem Projekt sollen Mehrfachmutanten für verschiedene PFK-Isoformen erzeugt und charakterisiert werden. Das Wachstum und der Primärstoffwechsel dieser Linien soll untersucht werden, ebenso die transkriptionellen Veränderungen, die durch verringerte PFK-Aktivität verursacht werden. Diese Linien sollen dabei helfen, die seit langem offene Frage zu beantworten, ob das reversible Enzym PFP mit zur Glycolyse in Pflanzen beiträgt. Wenn Genotypen mit kaum messbarer PFK-Aktivität lebensfähig sind, wäre das ein Hinweis darauf, dass PFP mit zur Glycolyse beitragen kann. Außerdem soll untersucht werden, wie die PFK-Isoformen auf der Proteinebene reguliert werden können. Es wurde bereits gezeigt, dass PFK-Aktivität von der Konzentration der Substrate und Produkte abhängt, ebenso von verschiedenen regulatorischen Metaboliten. Dabei werden auch die unterschiedlichen Kompartimente in der Pflanzenzelle mit einbezogen, da unterschiedliche Regulationsmechanismen für plastidäre und cytosolische Isoformen beschrieben worden sind. Daneben soll auch die Quartärstruktur der PFKs untersucht werden und eine mögliche Rolle dieser in der Regulation der Gesamt-PFK-Aktivität. Das Projekt soll dazu dienen, die Rolle der Phosphofructokinasen im pflanzlichen Stoffwechsel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana besser zu verstehen. Diese neuen Erkenntnisse könnten genutzt werden, um die Glycolyserate von Pflanzen zu modifizieren, mit möglichen Auswirkungen auf Wachstum und Ertrag von Kulturpflanzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen