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Molekulare Anpassungen an Umwelteinflüsse

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seit 2013 - heute

Die Aufrechterhaltung des physiologischen Gleichgewichtes unter fluktuierenden Umweltbedingungen ist für alle Organismen lebensnotwendig. In Eukaryoten wird die Adaption an Stresssignale aus der Umwelt und die Limitierung von Nährstoffen bzw. zellulärer Energie, durch eine evolutionär konservierte Proteinkinase gesteuert, die in Pflanzen als SnRK1 (SNF1-related protein kinase 1) bezeichnet wird. Die von SnRK1 ausgehende Signaltransduktion führt zu einer Reihe von Änderungen in der Genexpression, die letztendlich dazu führen, dass energiekonsumierende zelluläre Prozesse, wie etwa Zellteilung und Proteinsynthese, herunterreguliert werden und energieerzeugende Stoffwechselwege induziert werden.

KOOPERATIONSPARTNER

NAME
Standort
Land
MPI für Molekulare Pflanzenphysiologie
potsdam-Golm
Deutschland
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
erlangen-Nürnberg
Deutschland

Die Aufrechterhaltung des physiologischen Gleichgewichtes unter fluktuierenden Umweltbedingungen ist für alle Organismen lebensnotwendig. In Eukaryoten wird die Adaption an Stresssignale aus der Umwelt und die Limitierung von Nährstoffen bzw. zellulärer Energie, durch eine evolutionär konservierte Proteinkinase gesteuert, die in Pflanzen als SnRK1 (SNF1-related protein kinase 1) bezeichnet wird. Die von SnRK1 ausgehende Signaltransduktion führt zu einer Reihe von Änderungen in der Genexpression, die letztendlich dazu führen, dass energiekonsumierende zelluläre Prozesse, wie etwa Zellteilung und Proteinsynthese, herunterreguliert werden und energieerzeugende Stoffwechselwege induziert werden. Bisher ist nicht gut verstanden, wie unterschiedlichste Signale zu einer generellen aber auch teilweise stress- und gewebespezifischen SnRK1-vermittelten Antwort führen können. In unseren bisherigen Arbeiten konnten wir durch eine Kombination von Metabolitprofiling, Flussanalysen und Transkriptomics zeigen, dass die Verfügbarkeit von Saccharose für Wachstum und Entwicklung der Kartoffelknolle durch das Signalmetabolit Trehalose-6-phosphat (T6P) vermittelt wird. Hohe T6P Gehalte korrelieren mit hohen Saccharosegehalten, was zur direkten Hemmung der SnRK1 Aktivität durch T6P führt. Wird der T6P Gehalt durch die Expression einer bakteriellen Trehalose-6-phosphat Phosphatase in transgenen Knollen herunterreguliert, so führt dies zu einer Aktivierung von SnRK1 und einer damit verbundenen Verminderung des Knollenwachstums.

In weitergehenden Untersuchungen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnten wir eine Proteinfamilie charakterisieren, deren Mitglieder mit der katalytischen Untereinheit von SnRK1 über eine konservierte Proteindomäne interagieren. Diese DUF581-Proteine können über ihre variable Region eine Reihe möglicher SnRK1 Substrate binden und dienen damit möglicherweise als Adaptoren, welche unter bestimmten physiologischen Bedingungen spezifische Substratproteine in den SnRK1 Komplex rekrutieren können und damit zu einer gewissen Spezifität der SnRK1 Antwort beitragen. Die DUF581-Proteine selbst sind auf transkriptioneller Ebene stark reguliert, so dass unter einer bestimmten Stressbedingung nur ein Subset von DUF581 Isoformen exprimiert wird und damit auch nur bestimmte Substrate durch SnRK1 phosphoryliert werden könnten. In laufenden Arbeiten wird die Interaktion verschiedener Proteine mit DUF581 Isoformen und SnRK1 biochemisch und zellbiologisch untersucht. Außerdem werden Arabidopsis Pflanzen mit veränderter Expression von DUF581 Protein physiologisch und molekular charakterisiert. Die Ergebnisse dieser Arbeiten tragen zu einem tieferen Verständnis der SnRK1 Signaltransduktion bei und sollen langfristig dazu führen, Strategien zur Erzeugung stressresistenter Pflanzen zu entwickeln.

Weitere Projekte

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