Phytaspasen: Negative Regulatoren der AM-Symbiose durch Proteolyse von Peptidsignalen

• Antragsteller: Dr. Javier Lidoy Logroño, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572884401

Die arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose (AM) spielt eine wichtige Rolle für Pflanzenernährung und -gesundheit. Aufgrund der hohen Nährstoffkosten reguliert die Wirtspflanze diese Symbiose streng, insbesondere in den Arbuskelzellen, in denen der Metabolitenaustausch erfolgt. Zu den vielfältigen Aufgaben pflanzlicher Subtilasen – extrazellulärer Serinproteasen – gehört die Steuerung von Interaktionen mit Mikroorganismen. Subtilasen sind maßgeblich an der proteolytischen Reifung von Peptidhormonen und Wachstumsfaktoren beteiligt. Ihre Rolle in der AM bleibt jedoch weitgehend ungeklärt. Durch Transkriptom- und Einzelkern-RNA-Seq-Analysen (snRNA-Seq) habe ich drei Subtilasen, die Phytaspasen Phyt3, Phyt4 und Phyt5 identifiziert, die in den von Rhizophagus irregularis kolonisierten Wurzeln der Tomate (Solanum lycopersicum) stark induziert werden, wobei die Expression auf arbuskulierte Zellen konzentriert ist. CRISPR/Cas9-Triple-Knockout-Linien (phyt3-5) zeigen eine übermäßige Kolonisierung der Wurzel und weisen eine verminderte Biomasse auf, was zeigt, dass Phyt3-5 als negative Regulatoren der AM-Besiedlung zur Aufrechterhaltung der mutualistischen Beziehung fungieren. Mit diesem Projekt adressiere ich zwei Hypothesen zum Wirkmechanismus der Phytaspasen bei der Regulierung der AM-Symbiose. Hypothese 1 – Phytaspasen aktivieren Phytosulfokin (PSK) als negativen Regulator der AM Symbiose. snRNA seq-Daten, AlphaFold3-Vorhersagen und vorläufige In-vitro-Tests deuten darauf hin, dass Phyt3-5 den PSK-Vorläufer spalten und dabei das bioaktive PSK Pentapeptid freisetzten, das den Umsatz von Arbuskulen beschleunigt. Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass PSKR1/2-Knock-out-Linien die Phytaspase-Mutante phänotypisch kopieren. Um Hypothese 1 zu erhärten strebe ich an (i) die Beteiligung von PSK an der Phytaspase-vermittelten Regulation von AM zu bestätigen, (ii) die Sekretion von Phyt3-5 und PSK-Vorläufern und ihre Co-Lokalisierung in arbuskulierten Zellen zu untersuchen; (iii) die Spaltung der PSK Vorläufer durch jede der Proteasen in vitro zu bestätigen; und (iv) festzustellen inwieweit exogenes PSK die Arbuskel-Degeneration beschleunigt und den Phänotyp der phyt3-5 Mutante komplementieren kann. Hypothese 2 - Phytaspase aktiviert eine GH18 B Chitinase um den Abbau von Arbuskeln zu fördern. AlphaFold3 sagt eine Interaktion von Phyt3 und Phyt5 mit einer GH18 B Chitinase voraus, die in arbuskulierten Zellen co-exprimiert wird. Wir stellen die Hypothese auf, dass diese Interaktion entweder den durch Chitinase vermittelten Abbau der Pilzzellwand verstärkt und damit den Umsatz von Arbuskeln fördert oder vom Chitin stammende Signalmoleküle in ihre Aktivität moduliert, so dass Immunreaktionen an Stelle der Symbiose aktiviert werden. Um diese Hypothese auf eine stabilere Grundlage zu stellen werde ich (i) die vorhergesagte Phyt3,5-Chitinase-Interaktion experimentell validieren und (ii) testen, ob die Chitinase-Aktivität durch Interaktion mit Phyt3-5 moduliert werden kann.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle