Metabolische feed-back Kontrolle zur Steuerung der Transkription: Untersuchung der Pathogen-induzierten Biosynthese von Indol-Glucosinolaten als prototypisches Modell

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Dröge-Laser
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537270401

Die Erzeugung, Übertragung und Perzeption metabolischer Signale zur Kontrolle der Transkription ist in Pflanzen weitgehend unerforscht. In Brassicacea liefert die Biosynthese indolischer Glucosinolate (IG) spezialisierte Metabolite von enormer ökologischer Bedeutung, die als Schutz vor Herbivoren und mikrobiellen Pathogenen, allelopathische Verbindungen oder als Schwefelspeicher fungieren. Um einen kontrollierten Metabolit-Fluss zu erreichen, ist der komplexe IG-Biosyntheseweg in hohem Maße koordiniert, insbesondere auf der Ebene der Transkription. Transkriptionsfaktoren der MYB-, MYC- und ERF-Familien sind für die Koordinierung der Transkription von IG-Synthesegenen gut beschrieben. Insbesondere MYB51 ist ein zentraler Aktivator des stromaufwärts gelegenen IG-Biosynthesewegs, während spezifische ERF die pathogen-induzierbaren Gene des nachgelagerten Weges kontrollieren. Obwohl eine metabolische Rückkopplung zur Kontrolle des Metabolit-Flusses sehr wahrscheinlich ist, wurden entsprechende Mechanismen bisher nicht beschrieben. Dieses Projekt fokussiert auf die IG-Biosynthese in der Arabidopsis-Wurzel, die hoch-wirksam gegen den vaskulären Pilzerreger Verticillium longisporum schützt. Unsere bisherigen Arbeiten zu dieser Wurzel-Pathogen-Interaktion führten zu den folgenden neuen Erkenntnissen: (1) redundante ERF der Gruppe IXb regulieren die Pathogen-induzierte, stromabwärts lokalisierte IG-Biosynthese und führen gleichzeitig zu einer transkriptionellen Aktivierung von MYB51, indem sie direkt an dessen Promotor binden, (2) MYB51 wird durch MAP-Kinase-Signalwege aktiviert, und (3) die Überexpression eines einzelnen Bottleneck-Enzyms (CYTOCHROME P450 81F2, CYP81F2) des stromabwärts gelegenen IG-Biosynthesewegs führt zu erhöhten IG-Gehalten, gesteigerter Pilzresistenz und transkriptioneller Aktivierung von MYB51. Dieser Antrag postuliert daher, dass vom CYP81F2-Enzym/Gen abgeleitete Signale eine „feed-back“-Kontrolle von MYB51 ermöglichen, um den Metabolit-Fluss zu koordinieren. Zwei Arbeitspakete befassen sich mit der Funktion von MYB51 im Rahmen der pathogen-induzierten IG-Genregulierung, durch (A) genomweite Identifizierung der direkten MYB51 Zielgene mittels ChIPseq und (B) Charakterisierung der MAP-Kinase vermittelten Kontrolle von MYB51. Das Arbeitspaket (C) soll systematisch die von CYP81F2 generierten Signale identifizieren, die auf die MYB51-Transkription zurückwirken. Kandidaten für diese Signale, wie Metabolite, RNAs oder das "Moonlighting" des CYP81F2-Proteins im Zellkern werden funktional charakterisiert. Die Charakterisierung metabolischer Signale zur Steuerung der Transkription ist sowohl für das grundlegende Verständnis der Kontrolle von Stoffwechselwegen als auch für biotechnologische Anwendungen unerlässlich. Aufgrund des fundierten Hintergrundwissens bietet die IG-Biosynthese ein hervorragendes Modellsystem, um dieses Thema exemplarisch zu bearbeiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen