Stoffwechsel phenolischer Naturstoffe an der Schwelle zum Landleben

• Antragstellerin: Professorin Dr. Maike Petersen
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439529174

Beim Übergang von einer aquatischen zu einer terrestrischen Lebensweise erfahren Pflanzen unterschiedlichen biotischen (Krankheitserreger, Pflanzenfresser) und abiotischen (UV-Bestrahlung, Wasserverlust) Stress, der mit Hilfe von phenolischen Verbindungen mit abschreckenden oder antibiotischen sowie UV-absorbierenden Eigenschaften oder deren Einbau in lipophile Barrieren überwunden werden kann. Die Grundlage für die Biosynthese phenolischer Verbindungen ist der Phenylpropan-Stoffwechsel, in dem durch die Aktivität von drei Enzymen aus L-Phenylalanin oder L-Tyrosin eine aktivierte Hydroxyzimtsäure gebildet wird: Phenylalanin Ammoniak-Lyase (PAL), Zimtsäure 4-Hydroxylase (C4H) und 4-Cumarat CoA-Ligase (4CL). 4-Coumaroyl-CoA wird dann unter Beteiligung von Hydroxycinnamoyltransferasen (HCT), Cytochrom-P450 Monooxygenasen (CYP98) und Caffeoylshikimat Esterasen (CSE) weiter zu Monolignolen und Hydroxyzimtsäureestern oder -amiden umgewandelt. Alle diese Enzyme sind in Samenpflanzen gut charakterisiert, wogegen unser Wissen über sie in Algen und frühen Landpflanzen nur sehr eingeschränkt ist. In der ersten Förderperiode lag unser Hauptaugenmerk auf den oben genannten Genen und Enzymen in Vertretern der frühesten Landpflanzen, den Moosen Anthoceros agrestis, Marchantia polymorpha und Physcomitrium patens als Modellorganismen. Chara braunii als Grünalge der Characeae wurde ebenfalls teilweise untersucht. Gensequenzen für die uns interessierenden Enzyme wurden aus diesen Pflanzen identifiziert, heterolog exprimiert und biochemisch charakterisiert. Generell zeigten unsere Ergebnisse für Moose, dass die Annotationen in den Datenbanken meist korrekt sind und die biochemischen Eigenschaften der Enzyme denen der entsprechenden Enzyme aus Samenpflanzen ähneln. Bei Chara braunii war das anders. Hier lassen sich die Gene nicht so einfach anhand von Samenpflanzensequenzen als Köder identifizieren. Darüber hinaus sind die Annotierungen oft nicht zutreffend oder verwirrend. Dies zeigt uns, dass es wichtig ist, sich auf Algenmodellsysteme zu konzentrieren, um die Evolution von Genen/Enzymen des Phenylpropan-Stoffwechsels in den Organismen zu verfolgen, in deren Vorläufern diese Evolution stattgefunden haben muss. Neben Chara braunii werden wir uns daher auf einen weiteren Modellorganismus konzentrieren, nämlich Mesotaenium endlicherianum aus der Gruppe der Zygnematophyceae, um dort Gene/Enzyme des der Biosynthese phenolischer Verbindungen zu identifizieren und zu charakterisieren. Unsere ersten Suchen in Genomdatenbanken von Chara braunii und Mesotaenium endlicherianum zeigen, dass die Identifizierung unserer Zielgene weniger eindeutig ist und alternative Biosynthesewege in Betracht gezogen werden müssen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2237: MAdLand - Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung