Ist die Phosphoenolpyruvat-Carboxylase-Kinase die Brücke zwischen der C4-Photosynthese und dem Crassulaceen-Säurestoffwechsel in Portulaca oleracea?

• Antragstellerin: Dr. Renata Callegari Ferrari
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542954642

Die Photosynthese, also die Erzeugung von Energie aus Licht, ist nicht nur für den pflanzlichen Die Photosynthese, also die Erzeugung von Energie aus Licht, ist nicht nur für den pflanzlichen Stoffwechsel, sondern für alles Leben auf der Erde von grundlegender Bedeutung. Es handelt sich um einen komplizierten Prozess, der sich in drei verschiedenen Arten von Pflanzenstämmen entwickelt hat: C3, C4 und der Crassulaceen-Säurestoffwechsel (CAM). Die C3-Photosynthese umfasst die CO2-Assimilation während des Tages und die Aktivität des Schlüsselenzyms Rubisco als erste Carboxylierungsreaktion. Die C4-Photosynthese und der CAM-Stoffwechsel hingegen sind Anpassungen an die CO2-Konzentration um Rubisco herum, und die erste Carboxylierung wird in beiden Fällen von der Phosphoenolpyruvat-Carboxylase (PEPC) durchgeführt. Obwohl sie einige biochemische Ähnlichkeiten aufweisen, haben sich C4 und CAM unabhängig voneinander entwickelt und koordinieren sich jeweils mit der Umwelt nach spezifischen regulatorischen Schritten. Aus diesem Grund ist es selten, dass ein Pflanzenstamm sowohl C4 als auch CAM in ein und demselben Organismus aufweist, wobei Portulaca oleracea eine der wenigen Arten ist, die in der Lage ist, bei Trockenheit auf völlig reversible Weise von C4 auf CAM umzuschalten. Das Vorhandensein von zwei PEPC-Genen ist für den Wechsel zwischen C4 und CAM in P. oleracea von zentraler Bedeutung, da jedes Gen je nach den Bedingungen der Wasserverfügbarkeit induziert wird. PEPC wird durch ein regulatorisches Enzym, die PEPC-Kinase (PPCK), aktiviert, aber statt zwei PPCKs besitzt P. oleracea nur eine Genkopie. Ziel dieses Projekts ist es daher, die Dynamik von PPCK bei der Regulierung des photosynthetischen Wechsels in P. oleracea zu verstehen. Ich werde die Hypothese testen, dass PPCK der Hauptauslöser ist, der den C4-CAM-Wechsel über eine Änderung der Aktivierungszeit von PEPC bestimmt. Zu diesem Zweck werde ich die Genexpression mittels Transkriptomik, die Enzymaktivitätsmuster von PEPC und PPCK sowie den Phosphorylierungsstatus von PEPC in Blättern von P. oleracea sowohl unter gut bewässerten als auch unter trockenen Bedingungen beobachten. Dies wird es auch ermöglichen, die photosynthetischen Veränderungen mit dem Mechanismus der zirkadianen Uhr zu korrelieren, der auf Transkriptionsebene überwacht wird. Dieses Projekt zielt darauf ab, verschiedene Ebenen biologischer Informationen zu integrieren und wird dazu beitragen, das Gebiet der zirkadianen Regulierung der Photosynthese zu verbessern. Das Verständnis des Ausmaßes des Einflusses von PPCK auf den C4-CAM-Wechsel ist wesentlich für die nächsten Schritte zur Entschlüsselung des Mechanismus, der die Entwicklung eines C4-CAM-Organismus ermöglicht hat. Darüber hinaus wird die Erforschung von C4-CAM-Pflanzen im Zusammenhang mit neuen Pflanzenzuchtprogrammen und der Entwicklung von Strategien für die Stressresistenz von Arten von wirtschaftlichem Interesse neue Ziele im Kontext des Klimawandels bringen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle