Funktionelle Analyse von plastidären Phosphoenolpyruvat- und Hexosephosphat-Translokatoren in Arabidopsis thaliana
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Funktion der beiden GPTs aus A. thaliana konnte im Rahmen des beantragten Projekts nahezu abschließend geklärt werden. AtGPT1 ist einerseits für die Gametophytenentwicklung essentiell, andererseits hat der Transporter auch eine anapleurotische Funktion für die Stärkesynthese in photosynthetisch aktiven stomatären Schließzellen sowie in den Bündelscheidenzellen der Blätter, und er liefert Kohlenstoffgerüste für die Stärkesynthese in nicht-grünen Geweben, wie etwa der Wurzelspitze. AtGPT2 ist in der Regel nur in den reproduktiven Pflanzenteilen exprimiert, vermag dort aber AtGPT1 nicht zu ersetzen. Unter Bedingungen, die zu einer Akkumulation von löslichen Zuckern im Mesophyll führen, wie etwa eine beeinträchtigte Stärkesynthese, wird GPT2 dort dramatisch induziert und vermag etwa bei den stärkefreien pgm und adg1-1 Mutanten, Glc6P aus dem Stroma in das Cytosol zu transportieren (damit wird die fehlende Abnahme von Hexosephosphaten im Rahmen der Stärkesynthese kompensiert). In der pgi1 Mutante hingegen, die eine Defizienz in der Überführung von Fru6P zu Glc6P im Stroma aufweist, wird Glc6P von AtGPT2 in die Chloroplasten importiert und somit die Synthese einer minimalen Menge an transitorischer Stärke gewährleistet. Weitere im Antrag aufgeführte Ansätze versprachen aufgrund der eindeutigen Datenlage keinen zusätzlichen Erkenntnisgewinn, der den damit verbundenen Aufwand gerechtfertigt hätte. Daher wurde der Fokus auf eine Mutante der cytosolischen PGI gerichtet, die im Rahmen des Projekts charakterisiert wurde. Bei den beiden AtPPTs scheint AtPPT2 nur eine untergeordnete Rolle zu spielen. Eine Mutante mit Funktionsverlusts von AtPPT2 weist keinen Phänotyp auf und verstärkt den cue1 Phänotyp (ppt1 Mutante) nur unwesentlich in der entsprechenden Doppelmutante. Nach detaillierter Analyse der cue1 Mutante lassen sich die wesentlichen Funktionen von AtPPT1 wie folgt zusammenfassen: Aufgrund einer fehlenden PEP Bereitstellung innerhalb der Chloroplasten durch ENO1 wird PEP über AtPPT1 in das Chloroplastenstroma als Substrat für den Shikimatweg importiert. In Wurzeln scheint AtPPT1 jedoch als Überlaufventil zu fungieren. Offensichtlich reicht die Rate der vollständigen plastidären Glykolyse dort aus, um die von PEP bzw. Pyruvat abgeleiteten Produkte zu synthesisieren. Bei Ausfall von AtPPT1 kommt es daher zu einer Überproduktion und Akkumulation dieser Produkte. Möglicherweise wird dadurch das Wurzelwachstum inhibiert (z.B. durch Anreicherung der Aminosäure Trp). Der komplexe retikulierte Blattphänotyp, der auch bei lcd1, trp2 und ven3/6 auftritt, lässt sich möglicherweise auf ein Zusammenspiel hormoneller Deregulierungen (Cytokinine, Auxin), an denen auch Neolignane beteiligt sein könnten, und einer Defizienz an HZSAs (cue1 und ven3/6) zurückführen. Hier besteht noch Bedarf für eine abschließende experimentelle Klärung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Molecular and functional characterization of the plastid-localized phosphoenolpyruvate enolase (ENO1) from Arabidopsis thaliana. FEBS Lett. 583, 983-991
Prabhakar V, Löttgert T, Gigolashvili T, Bell K, Flügge UI, Häusler RE
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(2010) Phosphoenolpyruvate provision to plastids is essential for gametophyte and sporophyte development in Arabidopsis thaliana. Plant Cell 22, 2594-2617
Prabhakar V, Löttgert T, Geimer S, Dörmann P, Krüger S, Vijayakumar V, Schreiber L, Göbel C, Feussner K, Feussner I, Marin K, Staehr P, Bell K, Flügge UI, Häusler RE
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(2010) The role of plastidial glucose 6-phosphate/phosphate translocators in vegetative tissues of Arabidopsis thaliana mutants impaired in starch biosynthesis. Plant Biology 12 Suppl 1, 115-128
Kunz HH, Häusler RE, Fettke J, Herbst K, Niewiedomski P, Gierth M, Bell M, Steup M, Flügge UI, Schneider A
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(2011) The role of transporters in supplying energy to plant plastids. J. Exp. Bot. 62, 2381-2392
Flügge UI, Häusler RE, Ludewig F, Gierth M
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(2014) Loss of cytosolic phosphoglucose isomerase (cPGI) affects carbohydrate metabolism in leaves and is essential for fertility of Arabidopsis thaliana. Plant Physiol. Aug 2014, pp.114.241091
Kunz HH, Zamani-Nour S, Häusler RE, Ludewig K, Schroeder JI, Malinova I, Fettke J, Flugge UI, Gierth M
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(2014) Reticulate leaves and stunted roots are independent phenotypes pointing at opposite roles of the phosphoenolpyruvate/phosphate translocator defective in cue1 in the plastids of both organs. Front. Plant Sci. 5:126
Staehr P, Löttgert T, Christmann A, Krueger S, Rosar C, Rolcik J, Novak O, Strnad M, Bell K, Weber AP, Flügge UI, Häusler RE
