Strategien der Überdauerung niedriger Temperaturen in Arabidopsis thaliana
Biochemie und Biophysik der Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projekts war es aufzuklären, was in Pflanzenzellen geschieht, wenn sich in den gasgefüllten Zellzwischenräumen bei tiefen Temperaturen Eiskristalle bilden und die Zellen dabei Wasser verlieren. Insbesondere sollte die Frage geklärt werden, ob innerhalb der Zellen Stoffwechselprodukte aus einem Organell in ein anderes verbracht werden, um bestimmte Zellkompartimente spezifisch vor Schädigung zu schützen. Aus Vorarbeiten waren Hinweise darauf gewonnen worden, dass die Aminosäure Prolin, die bei der Akklimatisierung an niedrige Temperaturen in Pflanzengeweben angehäuft wird, am Schutz der Zellmembran beteiligt sein könnte, während in den Chloroplasten Raffinose eine Schutzfunktion hat. Anhand thermographischer Analysen konnten wir belegen, dass Blattgewebe von Arabidopsis thaliana beim Einfrieren nicht grundsätzlich geschädigt werden: Mittel- und Nordeuropäische Population sind frostresistent, während eine südeuropäische Akzession eine Resistenz erst dann entwickelte, als sie über einen längeren Zeitraum tiefen Temperaturen ausgesetzt war – man spricht von Akklimatisierung. Für die mitteleuropäische Akzession war die Schädigung davon abhängig, wie lange die Gewebe eingefroren waren, was ein Beleg dafür ist, dass die Entwässerung der Zellen ursächlich für die Schädigung ist.Eine russische Akzession schützt sich vor dem Wasserverlust duch Anhäufen gelöster Substanz, die das Wasser in den Zellen zurüch hält. Bei der Untersuchung einer Mutante der plastidären Phosphogluco-Mutase (pgm), die keine Stärke mehr bilden kann, waren ein niedriger Prolingehalt und eine intrazelluläre Verschiebung vom Zytosol in die Vakuole beobachtet worden. Um einen Funktionszusammenhang zu belegen, wurde eine Mutante mit reduzierter Prolin-Synthese (p5cs2) untersucht. Außerdem wurden Kreuzungen dieser beiden Mutanten hergestellt, sowie Kreuzungen von p5cs2 mit einer weiteren Mutante, die zwar Stärke bilden aber kaum abbauen kann. Diese „Stärke Überschuss Mutante“ (sex1) erwies sich wie die pgm Mutante als frostsensitiv. Interessanterweise zeigten sowohl pgm als auch p5cs2 neben ihrer Frostempfindlichkeit reduzierte Prolingehalte und eine Verlagerung des Prolins in die Vakuole. Eine Kreuzung der beiden Mutanten verhielt sich genauso wie die Elternlinien, was darauf hindeutet, dass die Ursache der Schädigung in beiden gleich ist.Ganz anders verhielt sich aber die sex1 Mutante: während sie im Wachstum weniger stark eingeschränkt ist als die pgm Mutante, erwies sie sich als noch deutlich frostsensitiver. Gleichzeitig war hier aber die Prolinverteilung innerhalb der Zelle ähnlich der im Wildtyp, was auf eine andere Ursache der Empfindlichkeit hinweist. Auch zeigte sich die Kreuzung mit der p5cs Mutante als intermediär bezogen auf die Prolinverteilung und als nochmals frostsensitiver als beide Eltern. Detaillierte Untersuchungen der Elektronentransportkette in Plastiden von sex1 zeigten an, dass die hohe Sensitivität dieser Mutante auf einer Schädigung der Chloroplasten beruht. Da wir außerdem nachweisen konnten, dass der Gehalt der Pflanzen an Tocopherol – einem wichtigen Schutz vor oxidativer Schädigung von Membranen – in sex1 reduziert ist, gehen wir davon aus, dass die Schädigung von sex1 in der Kälte im wesentlichen die Chloroplasten betrifft.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Subcellular reprogramming of metabolism during cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Environ. 40, 602–610
Hoermiller, I.I., Naegele, T., Augustin, H., Stutz, S., Weckwerth, W., Heyer, A.G.
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(2018) Mechanisms of frost resistance in Arabidopsis thaliana. Planta. 248, 827–835
Hoermiller, I.I., Ruschhaupt, M., Heyer, A.G.
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(2020) Subcellular Compartmentation of Metabolites Involved in Cold Acclimation. In: Hincha DK, Zuther E (eds) Plant Cold Acclimation: Methods and Protocols. Springer US, New York, NY, pp 269-275
Hoermiller, I.I. Nägele, T, Heyer, A.G.
