Biologische Funktionen der Nitrilbildung im Netzwerk der Glucosinolat-Abbauwege in Pflanzen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460684957

Die Evolution chemischer Diversität, eines der herausragendsten Kennzeichen des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels, vollzieht sich unter dem Selektionsdruck biotischer und abiotischer Umweltfaktoren. In Übereinstimmung damit fungieren viele Sekundärstoffe als Abwehr- oder Signalstoffe in organismischen Interaktionen. Das Glucosinolat-Myrosinase-System der Brassicales zählt zu den am besten untersuchten chemischen Abwehrsystemen in Pflanzen. Seine Wirkung in Pflanze-Insekt- und Pflanze-Mikroben-Interaktionen hängt von der Aktivierung der Glucosinolate durch Myrosinase-katalysierte Hydrolyse ab. Dabei kommt es durch nachfolgende Reaktionen zu struktureller Diversifizierung, z.B. durch spezifizierende Proteine. Das klassische Bild dieser "Senfölbombe", die bei Verletzung der Pflanze detoniert, ist durch die Entdeckung der "atypischen" Myrosinase PEN2, die die Glucosinolathydrolyse ohne offensichtliche Gewebeverletzung auslöst, erweitert worden. PEN2 gehört zu einer phylogenetischen Gruppe von 16 beta-Glucosidasen (PEN2/PYK10-Klade), von denen einige ebenfalls Glucosinolate hydrolysieren können und spezielle Expressionsprofile aufweisen. Die räumliche und zeitliche Regulation der Akkumulation von Glucosinolaten, Myrosinasen und spezifizierenden Proteinen deutet darauf hin, dass die Abbauwege für Glucosinolate als modulares System organisiert sind, das die Freisetzung spezifischer Produkte in Abhängigkeit von Organ, Entwicklungsstadium und Umweltbedingungen kontrolliert. Unter Verwendung von Arabidopsis thaliana Col-0 als Modell werden wir in diesem Projekt untersuchen, ob (1) unterirdisch stattfindende Interaktionen von den in der Wurzel exprimierten nitrilspezifizierenden Proteinen (NSPs) sowie "klassischen" und "atypischen" Myrosinasen abhängen, (2) NSPs zusammen mit "klassischen" und "atypischen" Myrosinasen zum Glucosinolat-Turnover in sich entwickelnden und keimenden Samen beitragen, (3) NSPs eine Spezifität bezüglich der Seitenkette der Glucosinolat-Aglyka entsprechend dem Glucosinolatprofil ihres Expressionsortes aufweisen, und (4) beta-Glucosidasen der PEN2/PYK10-Klade tatsächlich substratspezifische Myrosinasen darstellen, deren Produktprofil durch NSPs beeinflusst wird. Dazu werden wir biochemische Untersuchungen rekombinanter Enzyme mit Biotests unter Verwendung von A. thaliana-Mutanten mit manipuliertem Produktprofil und Studien zur Genexpression in Reaktion auf nicht-funktionelle Abbauwege kombinieren. Nach mehr als 100 Jahren der Erforschung des Glucosinolat-Myrosinase-Systems ist unser Wissen über die biologischen Funktionen der Glucosinolate immer noch fragmentarisch. Dieses Projekt wird die Bildung und organspezifische Bedeutung verschiedener Abbauprodukte der Glucosinolate beleuchten und damit einen Beitrag zum besseren Verständnis der vielfältigen Funktionen struktureller Diversität in Pflanzen leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen