Suberin in rice roots: biosynthesis, chemical composition and barrier properties
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Reaktion auf abiotischen Stress (Trockenheit, Salzstress, Sauerstoffmangel ...) reagieren Wurzeln zum Schutz mit einer verstärkten Einlagerung des lipophilen Zellwandpolymers Suberin (Kork). Als Barriere schützt Suberin Pflanzen vor zu hohem Wasser- und Sauerstoffverlust und reduziert die Aufnahme von Salz. Daher könnte ein besseres Verständnis der Suberinbiosynthese in Nutzpflanzen auch in Zukunft für die Züchtung von Nutzpflanzen mit erhöhter Stresstoleranz gegenüber abiotischem Stress von Bedeutung sein. Ausgehend von vergangenen Untersuchungen zur Suberinbiosynthese in der Modellpflanze Arabidopsis war es das Ziel dieses Projektes, erste Gene und Enzyme, die an der Suberinbiosynthese der weltweit wichtigen Nutzpflanze Reis (Oryza sativa) beteiligt sind, zu identifizieren und zu charakterisieren. Eine Reihe potentieller Suberinbiosynthesegene in Reis wurde anhand von Sequenzhomologien zu bekannten Proteinen in Arabidopsis ausgewählt. Die Auswahl wurde mittels bioinformatischen Analysen und molekularbiologischer Untersuchungen auf Kandidatengene eingeengt, deren Genexpression räumlich und zeitlich mit der Suberinisierung von Zellwänden in der Reiswurzel korreliert. Als erstes Gen, das für die Suberinbiosynthese in Reis relevant ist, konnte CYP86B3 in diesem Projekt verifiziert werden. Es handelt sich um eine Cytochrom P450-Hydroxylase von sehr langkettigen Fettsäuren, die charakteristische Bausteine des Suberins darstellen. Es gelang, zwei unabhängige transgene Knockout-Linien für cyp86b3 zu isolieren, und die Suberinzusammensetzung mittels Gaschromatographie und Massenspektroskopie chemisch zu charakterisieren. In den transgenen Linien fehlten im Vergleich zum Wildtyp spezifisch die langkettigen, oxygenierten Fettsäuren mit den Kettenlängen C24, C26, C28 und C30. Demgegenüber reicherten sich die biosynthetischen Vorstufen dieser oxygenierten Säuren, die langkettigen, monofunktionellen Säuren mit genau diesen Kettenlängen von C24 bis C30, in den transgenen Reislinien an. Zur weiteren Verifizierung der enzymatischen Funktion von CYP86B3, wurde dieses Reisgen in die korrespondierende Arabidopsismutante kloniert, die durch den knockout des orthologen Gens cyp86b1 selbst keine langkettigen, oxygenierten Fettsäuren synthetisieren kann. Die Ergebnisse zeigten, dass die Komplementierung der Arabidopsismutante mit dem orthologen Reisgen erfolgreich war, da die langkettigen, oxygenierten Fettsäuren mittels chemisch-analytischer Untersuchungen in den komplementierten Arabidopsispflanzen wieder nachgewiesen werden konnten. Mikroskopisch-anatomische Untersuchungen mit spezifischer Färbung der Suberinlamellen in Endo- und Exodermis der Wurzel zeigten keine wesentlichen Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutanten. Desweitern wurden physiologische Untersuchungen zur Charakterisierung der Barriereeigenschaften der Wurzeln durchgeführt. Auch hier zeigten sich keine eindeutigen Unterschiede im Wachstum zwischen den Wildtypen und den Mutanten in Gegenwart von Salzstress oder Sauerstoffmangel. Reduzierte Barriereeigenschaften in den Wurzeln der Mutanten konnten aber durch Untersuchungen zur Aufnahme eines wasserlöslichen Photosyntheseinhibitors nachgewiesen werden. In den Mutanten wurde im Vergleich zum Wildtyp der Photosyntheseinhibitor signifikant schneller über die Wurzeln aufgenommen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in diesem Projekt ein erstes für die Suberinbiosynthese in Reis wichtiges Gen, die Cytochrom P450-Hydroxylase CYP86B3, erfolgreich isoliert und funktionell charakterisiert werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013) Apoplastic diffusion barriers in Arabidopsis. The Arabidopsis Book 11: e0167
Nawrath C, Schreiber L, Franke R, Geldner N, Reina-Pinto JJ, Kunst L
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(2014) ABORTED MICROSPORES acts as a master regulator of pollen wall formation in Arabidopsis. The Plant Cell 26: 1544-1556
Xu J, Ding Z, Vizcay-Barrena G, Shi J, Liang W, Yuan Z, Werck-Reichhart D, Schreiber L, Wilson ZA, Zhang D
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(2014) RCN1/OsABCG5, an ATP-binding cassette (ABC) transporter, is required for hypodermal suberization of roots in rice (Oryza sativa). The Plant Journal 214: 40-51
Shiono K, Ando M, Nishiuchi S, Takahashi H, Watanabe K, Nakamura M, Matsuo Y, Yasuno N, Yamanouchi U, Fujimoto M, Takanashi H, Ranathunge K, Franke R, Shitan N, Nishizawa N, Takamure I, Yano M, Tsutsumi N, Schreiber L, Yazaki K, Nakazono M, Kato K
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(2015) Silicon promotes exodermal Casparian band formation in Si-accumulating and Si-excluding species by forming phenol complexes. Public Library of Science One 10(9): e0138555
Fleck A, Schulze S, Hinrichs M, Specht A, Waßmann F, Schreiber L, Schenk M
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(2015) Two ATP binding cassette G transporters, rice ATP binding cassette G26 and ATP binding cassette G15, collaboratively regulate rice male reproduction. Plant Physiology 169: 2064-2079
Zhao G, Shi J, Liang W, Xue F, Luo Q, Zhu L, Qu G, Chen M, Schreiber L, Zhang D
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(2016) Ammonium-induced architectural and anatomical changes with altered suberin and lignin levels significantly change water and solute permeabilities of rice (Oryza sativa L.) roots. Planta 243: 231-249
Ranathunge K, Schreiber L, Bi YM, Rothstein SJ
