Molekulare Grundlagen der Anpassung an und Bewältigung von photo-oxidativem Stress in Arabidopsis thaliana
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die lichtinduzierte Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) stellt eine permanente und gravierende Gefährdung der Pflanzen dar. Zur Minimierung der Schädigung durch solch photo-oxidativen Stress haben Pflanzen eine Vielzahl von Schutzmechanismen entwickelt, die (1) der Vermeidung der Bildung von ROS (z.B. durch Wärmedissipation überschüssiger Anregungsenergie) und (2) der Deaktivierung entstandener ROS (z.B. durch Antioxidantien wie Ascorbat, Glutathion, Tocopherol) dienen. Ziel des Projektes war es, über einen vorwärts gerichteten genetischen Ansatz Mechanismen, Enzyme und Signalwege zu identifizieren und zu charakterisieren, welche die Toleranz und Anpassung pflanzlicher Organismen hinsichtlich des Stress- und Umweltfaktors Licht regulieren. Dazu wurde mit Hilfe der Fluoreszenz-Video-Image-Technik ein selektives Screening-Verfahren zur Identifizierung Starklicht-sensitiver EMS- und T-DNA Arabidopsis-Mutanten durchgeführt, um letztendlich Gene zu identifizieren, die für die Bewältigung von photo-oxidativem Stress bedeutsam sind. In den durchgeführten Arbeiten wurden eine Reihe interessanter Mutanten identifiziert, die physiologisch-biochemisch charakterisiert wurden. Die Identifizierung der betroffenen Gene in einigen der isolierten EMS-Mutanten konnte aufgrund des hohen Zeitaufwandes für die Gen-Kartierung nicht vollständig abgeschlossen werden, jedoch konnten die entsprechenden Loci stark eingegrenzt werden. Eine Mutante konnte jedoch zweifelsfrei als eine Luteindefizient Mutante mit einem Defekt im LYCE (Lyopen ε-Zyklase) Gen identifziert werden. Mit Hilfe dieser Mutante konnte die essentielle Rolle des Lutein für die Photoprotektion aufgezeigt werden. Eine T-DNA Mutante mit einem Defekt in einem putativen plastidären Transporter unbekannter Funktion konnte ebenfalls eingehend physiologisch-biochemisch charakterisiert werden. Allerdings steht die Identifizierung der genauen Funktion des Transporters noch aus, was essentiell wichtig ist, um den Phänotyp der Mutante vollständig zu verstehen. In Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen wurde in Studien an tropischen Pflanzen die grundlegende Bedeutung verschiedener Carotinoide – und dabei insbesondere von β-Carotin, Lutein und Zeaxanthin – für die Photoprotektion aufgezeigt. Zusammen mit den Befunden anderer Untersuchungen, die in diesem Projekt an Mutanten mit Defekten im Xanthophyllzyklus (i.e. die lichtregulierte Bildung und Abbau des Xanthophylls Zeaxanthin) durchgeführt wurden, konnte in diesem Projekt somit die zentrale Rolle der Carotinoide bei der Photoprotektion untermauert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2006) Characterization of a nonphotochemical quenching-deficient Arabidopsis mutant possessing an intact PsbS protein, xanthophyll cycle and membrane energization. Planta 223, 532-541
Kalituho L, Graßes T, Rech J, Graf M and Jahns P
- (2006) High-light stress does not impair growth and biomass production of sun-acclimated tropical tree seedlings (Calophyllum longifolium Wild. and Tectona grandis L.f.). Plant Biol. 8, 31-41
Krause GH, Gallé A, Virgo A, Garcia M, Bucic P, Jahns P and Winter K
- (2007) Limited nocturnal ATP import into Arabidopsis chloroplasts causes photooxidative damage. Plant J 50, 293-304
Reinhold T, Alawady A, Grimm B, Beran KC, Jahns P, Conrath U, Bauer J, Reiser J, Melzer M, Jeblick W and Neuhaus HE
- (2007) Photoprotection, photosynthesis and growth of tropical tree seedlings under nearambient and strongly reduced solar ultraviolet-B radiation. J Plant Physiol 164, 1311- 1322
Krause GH, Jahns P, Virgo A, García M, Aranda J, Wellmann E and Winter K
- (2007) The roles of specific xanthophylls in light utilization. Planta 225, 423-439
Kalituho L, Rech J and Jahns P
- (2008) Lutein epoxide cycle, light harvesting and photoprotection in species of the tropical tree genus Inga. Plant Cell Environ 31, 548-561
Matsubara S, Krause GH, Seltmann M, Virgo A, Kursar TA, Jahns P and Winter K
- (2009) Sun-shade patterns of leaf carotenoid composition in 86 species of neotropical forest plants. Funct Plant Biol 36, 20-36
Matsubara S, Krause GH, Aranda J, Aurelio V, Beisel K, Jahns P and Winter K
