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Biologie


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Pflanzenphysiologie

Prof. Dr. rer. nat. Renate Scheibe

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Pflanzen sind in der Lage, die für ihre Funktion und ihr Wachstum notwendigen Informationen aus ihrer Umgebung wahrzunehmen, zu verarbeiten und darauf zu reagieren. Vielfach äußert sich Stress in einer Verschiebung des zellulären Redox-Zustands, was gleichzeitig als Signal für die Induktion von Schutzmechanismen dient und sowohl Stoffwechsel als auch Entwicklung beeinflusst, um alle Lebensprozesse an die veränderten Bedingungen anzupassen.

Durch veränderte Umweltbedingungen, aber auch bei Entwicklungsprozessen oder biotischem Stress, kommt es häufig zur Veränderung des zellulären Redox-Gleichgewichts. Dadurch werden über noch nicht im Einzelnen identifizierte Signaltransduktionswege Änderungen der Genexpression ausgelöst, die letztlich zur Etablierung des neuen Fließgleichgewichts beitragen. Eine Übertragung von Signalen, die aus einem veränderten Redoxstatus resultieren, könnte – analog zu Proteinphosphorylierungskaskaden – über Redox-Kaskaden vom Ort der Entstehung (z.B. den Chloroplasten oder den Mitochondrien) bis zum Zielort (z.B. im Kern) von statten gehen. Redox-Signale könnten aber auch über redox-regulierte Kinasen und Phosphatasen mit Proteinphosphorylierungskaskaden verknüpft sein. Die Rezeptoren, die Komponenten der Kaskade oder weitere redox-modulierte Zielenzyme beziehungsweise Transkriptionsfaktoren und entsprechende cis-Elemente in den Promotoren der Zielgene zu identifizieren, stellt eine große Herausforderung dar, die wir mit Hilfe von Gen-„knockouts“ in Arabidopsis thaliana bearbeiten.

Abbildung 1 (Erläuterungen im Text)

Abbildung 2 (Erklärung im Text)

Abbildung 1 zeigt schematisch, wie über das »Malat-Ventil« in grünen Blättern überschüssige Elektronen (NADPH) aus den photosynthetischen Lichtreaktionen in Form von Malat aus den Chloroplasten exportiert werden, um Überreduktion und Bildung von ROS (reaktive Sauerstoffspezies) zu vermeiden. Das dafür verantwortliche Enzym, die NADP-abhängige Malatdehydrogenase (NADP-MDH) ist unter starker Redoxkontrolle, sowohl auf post-translationaler Ebene (Licht/Dunkel-Modulation), als auch auf Transkriptionsebene (retrogrades Redox-Signal an den Kern).

Abbildung 2 zeigt, daß transgene Pflanzen mit einer T-DNA-Insertion im Gen der NADP-MDH überraschenderweise unverändert gegenüber dem Wildtyp zu sein. Wie sich bei der funktionellen Charakterisierung dieses »knockout« zeigte, werden mehrere alternative Wege zum Abbau von Überreduktion in den Chloroplasten hochreguliert, um den Defekt auszugleichen. Derartige Analysen ermöglichen die Identifikation weiterer molekularer Mechanismen zur Erhaltung der Redox-Homöostase.

Pflanzen benötigen Faktoren aus der Umwelt für ihr photoautotrophes Wachstum, jedoch sind sie durch ihre sessile Lebensweise Abweichungen vom Optimum ausgeliefert. Anpassung an sehr unterschiedliche Bedingungen ist ihnen aber möglich, da pflanzliche Individuen eines Genotyps durch entsprechende Veränderung ihrer Reaktionsnorm eine hohe phänotypische Plastizität aufweisen. Alle Informationen werden integriert und über ein hochflexibles Netzwerk weitergeleitet und realisiert. Die Reaktionen der Pflanzen spielen sich auf allen Regulationsebenen ab und umfassen sowohl sehr schnelle biophysikalische und biochemische Prozesse im Sekunden- und Minutenbereich wie zum Beispiel die Licht/Dunkelmodulation von Chloroplastenenzymen, als auch mittel- und langfristige Reaktionen, die sich nach Stunden (Genexpression) oder erst nach Tagen (Wachstum) auswirken. In allen Bereichen spielen Redox-Prozesse eine bedeutende Rolle. 

Weitere Projekte befassen sich mit den Komponenten der photosynthetischen Elektronentransportkette, Ferredoxin und Ferredoxin-NADP-Oxidoreduktase (FNR), die Elektronen für reduktive Prozesse ins Chloroplastenstroma weiterleiten, sowie mit den verschiedenen redox-aktiven Proteinen, den Thioredoxinen und verwandten Strukturen, die über Thiol-Disulfid-Austausch Redoxveränderungen an Zielproteine vermitteln.

Abbildung 3 Transiente Transformation von isolierten Protoplasten: Isolierte Protoplasten aus Blättern von Arabidopsis thaliana (A), dem Modellorganismus der molekularen Pflanzenbiologie, können transient mit verschiedenen Konstrukten transformiert werden, um die subzelluläre Verteilung von Proteinen sichtbar zu machen. In B wurde das Aktin-Zytoskelett mit einem Aktin-bindenden Protein, das an ein rot fluoreszierendes Protein fusioniert wurde, angefärbt und im konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop betrachtet. In C wurde das sogenannte »YFP-System« verwendet, um die Interaktion von zwei Proteinen (hier einer cytosolischen GAPDH und einem Thioredoxin) zu detektieren, wie im abgebildeten Beispiel.

Schließlich laufen auch in nicht-grünen Geweben Redox-Prozesse ab, die je nach Stoffwechselsituation oder Stresseinwirkung flexibel reguliert werden. Dabei spielen neben den Plastiden auch die Mitochondrien eine herausragende Rolle, deren Alternative Oxidase (AOX) in der Lage ist, überschüssige Reduktionsäquivalente ohne ATP-Synthese abzuleiten und zu entsorgen. Die Funktionen der verschiedenen Isoformen von AOX werden ebenfalls mit molekularbiologischen und zellbiologischen Methoden analysiert.

Abbildung 4 Retrogrades Redox-Signal vom Chloroplasten zum Kern: Die veränderte Genexpression der kernkodierten NADP-MDH erfolgt als Antwort auf ein Signal aus den Chloroplasten, wenn bei Stress eine Verschiebung des Redox-Status eintritt. Um die Schritte der Signaltransduktion zu identifizieren, werden verschiedene molekulare und zellbiologische Ansätze durchgeführt, wie dies in Abbildung 2 beispielhaft gezeigt ist.

Literaturauswahl

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  • Holtgrefe, S., Gohlke, J., Druce, S., Starmann, J., Klocke, S., Altmann, B., Wojtera, J., Linke, V., Lindermayr, C. and Scheibe, R. (2008) Regulation of plant cytosolic glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase isoforms by thiol modification. Physiol. Plant. 133: 211-228.
  • Voss, I., Koelmann, M., Wojtera, J., Holtgrefe, S., Kitzmann, C., Backhausen, J.E. and Scheibe, R. (2008) Knock-out of major leaf ferredoxin reveals new redox-regulatory adaptations in Arabidopsis thaliana. Physiol. Plant. 133: 584-598.
  • Strodtkötter, I., Padmasree, K., Dinakar, C., Speth, B., Niazi, P.S., Wojtera, J., Voss, I., Do, P.T., Nunes-Nesi, A., Fernie, A.R., Linke, V., Raghavendra, A.S. and Scheibe, R. (2009) Induction of the AOX1D isoform of alternative oxidase in A. thaliana T-DNA-insertion lines lacking isoform AOX1A is insufficient to optimize photosynthesis when treated with antimycin A. Mol. Plant 2: 284-297.
  • Hanke, G.T., Holtgrefe, S., König, N., Strodtkötter, I., Voss, I., and Scheibe, R. (2009) Use of transgenic plants to uncover strategies for maintenance of redox-homeostasis during photosynthesis. Adv. Bot. Res. 52, 207-251.
  • Scheibe, R. (2010) Redox-Regulation: Ein Netzwerk zur flexiblen Anpassung von Stoffwechsel und Entwicklung bei Pflanzen. Biologie in unserer Zeit 40, 92-100.