Untersuchung des Zusammenspiels von Ionen, die zur PMF in den Mitochondrien und Chloroplasten in-folio beitragen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Schwarzländer
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie ; Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507704013

Mitochondrien und Chloroplasten haben das eukaryotische Leben maßgeblich geprägt. Im Zentrum der Funktion beider Organellen liegt die Protonenmotorische Kraft (PMF). Die PMF verbindet die Redoxchemie des Elektronentransports mit der ATP Synthese. Sie fungiert jedoch darüber hinaus auch als Regulationsknotenpunkt der die Funktion und die Zusammensetzung beider Organellen massgeblich beeinflusst. In Pflanzen und Algen sind die mitochondrielle und die chloroplastidäre PMF über das zelluläre metabolische Netzwerk miteinander verknüpft. Obwohl die bioenergetischen Prozesse der Chloroplasten und der Mitochondrien aufeinander abgestimmt sein müssen um den effizienten Betrieb der Fotosynthese zu gewährleisten ist es noch immer weitgehend unklar wie genau dieses Zusammenspiel in vivo erreicht wird und welche Proteine hierzu auf Ebene der PMF in welchem Umfang beitragen. Im Teilprojekt P07 werden wir der Frage nachgehen wie die PMF von Mitochondrien und Chloroplasten in vivo durch die subzelluläre Dynamik von Protonen (H+), Kaliumionen (K+) und Calciumionen (Ca2+) kontrolliert wird. Ein ausgewachsenes Rosettenblatt von Arabidopsis thaliana wird als Modellsystem dienen um unter Verwendung von fluoreszierenden Protein-Biosensoren und hochauflösender in vivo Mikroskopie einen Atlas der Dynamik von H+, K+ and Ca2+ in den Subkompartimenten von Chloroplasten und Mitochondrien in folio zu erstellen. Neben molekularer Information in lebenden dreidimensionalen Blattgeweben wird der Atlas auch die physiologischen Antworten auf unterschiedliche Beleuchtungsregimes umfassen. Der Atlas wird so eine bislang einzigartige Referenz darstellen, die wir nutzen werden um zu verstehen welche Bedeutung Kandidatenproteine für den organellären Transport von H+, K+ und Ca2+ in der Festlegung der PMF Charakteristika in folio haben. Wir werden eine Auswahl an genetischen Mutanten mit funktionellen Defekten in den Dynamiken von H+, K+ und Ca2+ in den Mitochondrien und den Chloroplasten auf deren Einfluss auf die PMF Charakeristika in folio testen. Die Rolle von mehreren dieser Proteine, wie KEA3 und NHD1, werden wir durch enge Zusammenarbeiten im Rahmen des Konsortiums, analysieren. Für andere Proteine, wie die MCUs, MICU, UCP1 und AOX1a werden wir auf eigenen Vorarbeiten aufbauen. In Kombination werden das Atlaskonzept und die Transportmutanten Aufschluss über die zentrale Frage geben in welchem Maße sich die PMF Charakteristika in einem Organell auf die des anderen Organells auswirken. Die Fragen welchen Einfluss veränderte PMF Dynamik auf den Fotosynthesestoffwechsel, die Ultrastruktur der Organellen und die Leistungsfähigkeit der ganzen Pflanze hat werden wir mit Hilfe von Zusammenarbeiten mit führenden Experten innerhalb des Konsortiums adressieren. Ziel des Teilprojektes ist ein Verständnis der PMF Regulation in Chloroplasten und Mitochondrien in vivo und der Beiträge die ausgewählte Proteine bei der Justierung der PMF Charakteristika leisten.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5573: Dynamische Regulation der protonenmotorischen Kraft in der Photosynthese