Hydroxyzimtsäure-Glucosyltransferasen in der UV-B-Adaptation von Arabidopsis
Final Report Abstract
Das Genom von Arabidopsis codiert vier UDP-Glycosyltransferasen (UGTs), die Hydroxyzimtsäuren zu den korrespondierenden 1-O-ß-Glucoseestern umsetzen – UGT84A1 (codiert durch At4g15480), UGT84A2 (At3g21560), UGT84A3 (At4g15490) und UGT84A4 (At4g15500). Ziel des Forschungsprojektes war es, die Funktion der individuellen UGT84A- Enzyme in planta aufzuklären. Dazu wurden für jedes der beteiligten Gene dsRNAi-Suppressionslinien sowie Überexpressionslinien generiert und aus den verfügbaren Mutanten-Kollektionen Insertionslinien selektiert. Diese Arabidopsis-Linien wurden zusammen mit den entsprechenden Wildtyp-Pflanzen einer systematischen Analyse bezüglich der UGT84A-Transkript-Abundanzen, Enzymaktivitäten sowie des Spektrums akkumulierender löslicher sowie zellwandgebundener Hydroxyzimtsäureester unterzogen. Diese Untersuchungen wurden in verschiedenen Phasen der pflanzlichen Entwicklung sowie unter Standard-Bedingungen und erhöhter UV-B-Strahlung durchgeführt. Die Integration der generierten Daten führte zu folgenden Ergebnissen: In Arabidopsis sind die Enzyme der UGT84A-Subfamilie in die Biosynthese von 1-O-Sinapoylglucose involviert. Dieser Glucoseester spielt als Acyldonor für die Bildung der akkumulierenden Verbindungen Sinapoylcholin (Sinapin) im Samen sowie Sinapoylmalat in Abschlußgeweben des vegetativen Pflanzenkörpers eine zentrale Rolle. UGT84A2 mit der in vitro nachgewiesenen Spezifität für Sinapat fungiert dabei als dominantes Enzym. Der Sinapatester-Biosyntheseweg in Arabidopsis ist jedoch auf der Stufe der Bildung von 1-O-Sinapoylglucose durch eine starke Redundanz gekennzeichnet, die durch die coexprimierten UGT84A1, A3 und A4 verursacht wird. Demzufolge zeigten sowohl die UGT84A-Suppressions- und Überexpressionslinien als auch die Insertions-Mutanten nur sehr schwach veränderte Chemotypen. Massenspektrometrische Analysen von Samen der ugt84A2-Null-Mutante ergaben erhöhte Mengen an aromatischen Cholinestern sowie an Disinapoylspermidin. Dies weist auf eine metabolische Umsteuerung in ugt84A2-Mutanten-Samen hin, die zur Festlegung von reaktiven Sinapat-Resten in inerten Verbindungen führt. Die Verringerung von Feruloylcholin und Hydroxyferuloylcholin verweist auf eine negative metabolische Rückkopplung, die in den ugt84A2-Mutantensamen zu einem verringerten metabolischen Fluß in Richtung Sinapat führt. Eine spezifische Funktion im Arabidopsis-Stoffwechsel konnte lediglich für UGT84A3 detektiert werden. Dieses Enzym ist in die Biosynthese zellwandgebundener Hydroxyzimtsäuren, vor allem von 4-Cumarat, involviert. Erhöhte UV-B-Strahlung bewirkte in den Rosettenblättern von Arabidopsis eine transiente Induktion der Genexpression von UGT84A1-A4 auf Ebene der Transkription. Dies führte zeitlich begrenzt zu einer erhöhten Akkumulation von Sinapoylglucose und Sinapoylmalat. Im Vergleich zu Kämpferol- und Quercitinderivaten, den in Arabidopsis abundanten Flavonoiden, die maßgeblich an der Langzeit-Adaptation an erhöhte UV-B-Strahlung beteiligt sind, vermitteln Sinapatester vor allem transiente UV-B- Antworten durch Aktivierung der UGT84A1-A4-Gene.
Publications
- (2008) The role of UDP-glucose:hydroxycinnamate glucosyltransferases in phenylpropanoid metabolism and the response to UV-B radiation in Arabidopsis thaliana. Planta 228:663-674
Meißner D, Albert A, Böttcher C, Strack D, Milkowski C
