Blüte U. Krämer I. Kubigsteltig M. Bernal M. Piotrowski D. Schünemann Fakultät

Projektgruppe: Dr. Ines Kubigsteltig

Meine Arbeit am Lehrstuhl für Molekulargenetik und Physiologie der Pflanzen teilt sich in zwei Projekte auf:

I) Koordinationsaufgaben im Schwerpunktprogramm
   SPP1529 der DFG:

  Im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1529 “Evolutionäre Lösungen ökologischer Herausforderungen in Pflanzen: Molekulare Mechanismen adaptiver Merkmale in den Brassicaceen s.l.“ werden interdisziplinäre Forschungsaktivitäten in 15 Teilprojekten an 12 Standorten in Deutschland und Europa gefördert.... weiter

II) Forschungsarbeiten zur Jasmonatsignalkette:

  Die Jasmonsäure (JA) gehört als wichtiger Vertreter der Oktadekanoide zu den pflanzenspezifischen Signalstoffen, die neben den „klassischen Phytohormonen (Auxine, Cytokinine, Gibberelline, Abscisinsäure und Ethylen)” den pflanzlichen Organismus steuern. Ihre Hauptaufgaben liegen dabei in so verschiedenen Bereichen wie der Schädlingsabwehr und der Reproduktion.... weiter

 

Koordinationsaufgaben im Schwerpunktprogramm
SPP1529 der DFG

Im DFG-Schwerpunktprogramm SPP1529 “Evolutionäre Lösungen ökologischer Herausforderungen in Pflanzen: Molekulare Mechanismen adaptiver Merkmale in den Brassicaceen s.l.“ werden interdisziplinäre Forschungsaktivitäten in 15 Teilprojekten an 12 Standorten in Deutschland und Europa gefördert.
Die zentrale Zielsetzung dabei ist, verschiedene wissenschaftliche Disziplinen sowie experimentelle und in silico Ansätze zusammenzubringen, um durch einen deutlichen, qualitativen Fortschritt ein umfassenderes Verständnis von natürlicher Diversität, Ökologie und Evolution der Pflanzen zu erzielen.

Das Koordinationsprojekt übernimmt dabei folgende zentrale Aufgaben:

  • Administrative Aufgaben der Kommunikation und Organisation innerhalb des SPP1529. Hierzu zählt die Organisation sowie die Vorbereitung von methodischen Workshops, jährlicher „Annual Meetings“ und des "International ADAPTOMICS Symposiums".
  • Unterstützung des Informationsaustausches auf wissenschaftlicher Ebene. Hierzu zählt die Förderung der Kommunikation und Kooperation zwischen den Teilprojekten mit dem Ziel, den Beginn neuer Gemeinschaftsinitiativen zu erleichtern und diese zu unterstützen.
  • Schaffung eines neuen ADAPTOMICS-Lehrmoduls für die Ausbildung junger Wissenschaftler. Dafür ist geplant, mit Hilfe der im SPP1529 vertretenen Expertisen und Ressourcen ein flexibles und in der Praxis getestetes Lehrmodul für die interdisziplinäre wissenschaftliche Ausbildung zu schaffen, das die Herangehensweisen sowie grundlegendes theoretisches und praktisches Wissen aller Teildisziplinen von ADAPTOMICS kombiniert und vermittelt.
  • Sichtbarmachung der Aktivitäten und Ergebnisse des SPP1529 in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und der Öffentlichkeit. Ein zentrales Element des Koordinationsprojekts ist dabei die Internet-basierte Ressource (www.adaptomics-dfg.de), die die Aktivitäten der Projektkoordination zusammenführt.
     

 

Jasmonate sind Signalstoffe der pflanzlichen Abwehr und Reproduktion

Die Jasmonsäure (JA) gehört als wichtiger Vertreter der Oktadekanoide (Oktadeka = 18, abgeleitet von der dreifach ungesättigten C18-Fettsäure α-Linolensäure, die als Ausgangsstoff für die Biosynthese dieser Stoffklasse dient) zu den pflanzenspezifischen Signalstoffen, die neben den „klassischen Phytohormonen (Auxine, Cytokinine, Gibberelline, Abscisinsäure und Ethylen)” den pflanzlichen Organismus steuern. Ihre Hauptaufgaben liegen dabei in so verschiedenen Bereichen wie der Schädlingsabwehr und der Reproduktion.
Ausgehend von äußeren Reizen oder einem genetisch festgelegtem Programm folgend verändert sich der Gehalt an physiologisch aktiven Oktadekanoiden in den Zellen und Geweben ständig und löst damit wiederum die Expression oktadekanoidabhängiger Zielgene aus. So steigt beispielsweise der Gehalt an 12-oxo-Phytodiensäure (OPDA, einer Vorstufe der JA und ebenfalls physiologisch aktiver Signalstoff) und JA in verwundeten Geweben rasch um ein Vielfaches an, was bewirkt, dass der Stoffwechsel der verletzten Pflanze sich auf die neuen Aufgaben a) Vertreibung des angreifenden Schädlings und b) Wundheilung umstellt.

pWährend die Biosynthese der Jasmonate, ausgehend von der freien α-Linolensäure, die in veresterter Form einen Hauptbestandteil der chloroplastidären Membranen ausmacht, gut untersucht und nahezu aufgeklärt ist, und auch die Anzahl der durch Jasmonate regulierten Zielgene stetig anwächst, gibt es noch große Wissenslücken im Bezug auf die Regulation der Signalstoffbiosynthese (inklusive der Freisetzung veresterter Fettsäuren), sowie die an der weiteren Signaltransduktion beteiligten Komponenten.
 

Können neue Arabidopsismutanten helfen, die Jasmonatsignalkette aufzuklären?

Im Rahmen eines durch den Sonderforschungsbereich 480 geförderten Projektes werden in unserem Labor die molekularen Mechanismen, die hinter der Oktadekanoidbildung und -wirkung in Höheren Pflanzen stehen, näher untersucht.

pDazu wurde, auf der Basis transgener Arabidopsis-Pflanzen, die das Reportergen uidA (β-Glukuronidase) unter der Kontrolle des Allenoxidsynthase-(AOS)-Promotors exprimieren (Kubigsteltig et al., 1999), ein Mutageneseprogramm durchgeführt, welches die Selektion von Mutanten mit veränderter AOS-Regulation zum Ziel hatte. Das Enzym AOS bot sich für diesen Zweck in besonderer Weise an, da es nicht nur selbst als Zielgen durch biologisch aktive Oktadekanoide (OPDA, JA) transkriptionell induziert wird, sondern den ersten spezifischen Schritt während der Jasmonatbiosynthese katalysiert und somit einen direkten Zugriff auf die Modulation des Signalstoffes erlaubt. Nach Beendigung des Mutageneseprogrammes lagen uns 12 Arabidopsismutanten vor, von denen 4 Linien eine reduzierte Ansprechbarkeit des AOS-Promotors zeigten, während bei 8 weiteren Linien eine konstitutive Promotoraktivität nachgewiesen werden konnte. Diese cas-(constitutive allene oxide synthase)-Mutanten wurden auf der Basis ihrer unterschiedlichen morphologischen Phänotypen und ihrer Transgenexpressionsmuster (GUS-Färbung) vorläufig in vier Gruppen klassifiziert (siehe Abbildung 1). Die anschließend durchgeführten physiologischen Untersuchungen der cas-Mutanten (Metabolitenanalysen, Transkriptionsanalysen) wiesen auf eine veränderte Regulation der Signalstoffbiosynthese hin und bestätigten somit den Erfolg des durchgeführten Screeningverfahrens (Kubigsteltig & Weiler, 2003).

Mutanten cas1 Habitus

Abb. 1: Histochemischer Nachweis der x-Glukuronidaseaktivität in 2 Wochen alten cas-Mutanten von Arabidopsis thaliana. In Abhängigkeit der unterschiedlich ausgeprägten AOS-Promotoraktivitäten ergeben sich bei den vier Gruppen verschiedene Färbemuster. Klicken Sie auf Abb. 1, um alle Gruppen zu sehen.

Abb. 2: Habitus einer cas1-Pflanze zu Beginn der generativen Phase (klicken Sie auf Abb.2, um das gesamte Foto zu sehen). Es bilden sich typischerweise mehrere Blattrosetten an der Infloreszenzachse aus, während die Blüten männlich steril bleiben. Vergrößerung: cas1-Blüte (links), Wildtyp-Blüte (rechts).

Als besonders vielversprechend stellte sich die Mutante cas1 aus folgenden Gründen dar:

  • Die homozygote cas1-Mutante zeigt einen auffälligen, bislang nicht beschriebenen Habitus (siehe Abbildung 2). In der vegetativen Wachstumsphase entwickeln die Pflanzen kürzere Wurzeln und geschraubte Rosettenblätter, während der Übergang zur generativen Phase durch die Bildung mehrerer Blattrosetten übereinander an der ebenfalls leicht gedrehten Infloreszenzachse charakterisiert ist. Wichtigstes Merkmal ist jedoch die fast vollständige Sterilität der Mutante, die überraschenderweise ähnlich wie bei allen bislang bekannten Jasmonatbiosynthesemutanten (Übersicht bei Berger, 2002), durch die exogene Applikation von Methyljasmonat zumindest zum Teil kompensierbar ist.
  • Wie alle cas-Mutanten weist cas1 erhöhte Mengen an biologisch aktiven Oktadekanoiden (OPDA, JA) auf. In Abhängigkeit induktiver Reize (Verwundung, Coronatin) zeigt sich, dass weder die Ansprechbarkeit noch die Gesamtkapazität der Oktadekanoidbiosynthese im Vergleich zum Wildtyp verändert sind. Auch die Perzeption von exogen applizierter JA ist nicht generell unterbunden, was durch Wurzellängentests nachgewiesen wurde. Dies alles legt des Schluss nahe, dass durch die Mutation eine Art Vorinduktion der Jasmonatbiosynthese stattfindet und untermauert die These, dass es sich bei cas1 um eine echte Regulationsmutante handelt.
  • Neben der verstärkten AOS-Expression zeigt sich bei cas1 eine erhöhte Transkription weiterer jasmonatregulierter Gene. Es wurden umfangreiche Expressionsanalysen mittels Microarray-Technologie begonnen, wobei auch Doppelmutanten mit coronatine insensitive 1 (coi1-1, Feys et al., 1994) untersucht wurden. Dabei zeigte sich deutlich, dass die durch die cas1 Mutation veränderte Genexpression nur zum Teil auf den erhöhten Signalstoffgehalt in den Blättern zurückzuführen ist.
  • Erste genetische Untersuchungen ergaben, dass der cas1 Phänotyp auf eine rezessive Mutation an einem einzelnen Genort zurückgeführt werden kann. Durch genetische PCR-gestützte Kopplungsanalyse gelang es, diesen Lokus auf einen Bereich von ca. 8 – 10 centiMorgan auf Chromosom IV zu begrenzen.

 
Zitierte Literatur

Berger S (2002) Jasmonate-related mutants of Arabidopsis as tools for studying stress signaling. Planta 214: 497-504.

Feys BJF, Benedetti CE, Penfold CN, Turner JG (1994) Arabidopsis mutants selected for resistance to the phytotoxin coronatine are male sterile, insensitive to methyl jasmonate, and resistant to a bacterial pathogen. Plant Cell 6: 751-759.

Kubigsteltig I, Laudert D, Weiler EW (1999) Structure and regulation of the Arabidopsis thaliana allene oxide synthase gene. Planta 208: 463-471.

Kubigsteltig I, Weiler EW (2003) Arabidopsis mutants affected in the transcriptional control of allene oxide synthase, the enzyme catalyzing the entrance step in octadecanoid biosynthe-sis. Planta 217: 748-757.
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