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Abb. 1: Biosynthesewege zweier Trichom-spezifischer Terpene aus Solanaceen. Links zeigt die Biosynthese des Labdanoidditerpens Z-Abienol aus Tabak, rechts von Santalen und Bergamoten aus der Wildtomate Solanum habrochaites. Interessanterweise sind die Enzyme ShSBS und NtABS zu 65% identisch obwohl sie unterschiedliche Substrate umsetzen. Diese Erkenntnis erlaubt Untersuchungen zur Struktur-Funktionsabhängigkeit bezüglich der Substratspezifität pflanzlicher TPS. GGPP, Geranylgeranyl diphosphat; 8-OH-CPP, 8-Hydroxycopalyldiphosphat; NtCPS2, 8-OH-CPP-Synthase; NtABS, Z-Abienol-Synthase.
Abb. 1: Biosynthesewege zweier Trichom-spezifischer Terpene aus Solanaceen. Links zeigt die Biosynthese des Labdanoidditerpens Z-Abienol aus Tabak, rechts von Santalen und Bergamoten aus der Wildtomate Solanum habrochaites. Interessanterweise sind die Enzyme ShSBS und NtABS zu 65% identisch obwohl sie unterschiedliche Substrate umsetzen. Diese Erkenntnis erlaubt Untersuchungen zur Struktur-Funktionsabhängigkeit bezüglich der Substratspezifität pflanzlicher TPS. GGPP, Geranylgeranyl diphosphat; 8-OH-CPP, 8-Hydroxycopalyldiphosphat; NtCPS2, 8-OH-CPP-Synthase; NtABS, Z-Abienol-Synthase.

1. Terpenoidbiosynthese

Terpene werden aus Isoprenyldiphosphat-Vorstufen gebildet Diese umfassen Isopentenyl- und Dimethylallyldiphosphat (IPP bzw. DMAPP mit jeweils fünf C-Atomen), Geranyldiphosphat (GPP) (C10), E,E-Farnesyldiphosphat (FPP) (C15), und E,E,E-Geranylgeranyldiphosphat (GGPP) (C20). Monoterpene, Sesquiterpene und Diterpene werden aus GPP, FPP und GGPP synthetisiert. Terpensynthasen initiieren die Reaktion entweder durch Protonierung der Isoprenylkette (Klasse II TPS), oder durch Dephosphorylierung des Isoprenyldiphosphats (Klasse I TPS). Dieser Vorgang leitet einen Zyklisierungsprozess ein, dessen Resultat unterschiedlichste Terpengerüste sind. Terpene können nachfolgend oxidiert werden, häufig durch die Cytochrom C P450-Monooxygenase oder durch Dioxygenasen, gefolgt von weiteren Modifikationen wie beispielsweise Glykosylierungen oder Acetylierungen. Unsere Untersuchungen der Terpenbiosynthese werden überwiegend in Nachtschattengewächsen sowie Lippenblütengewächsen (Biosynthese phenolischer Diterpene) durchgeführt. Darüber hinaus analysieren wir die Terpenoidbiosynthese in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana.

In unserer Forschungsgruppe haben wir verschiedene Trichom-spezifische Terpensynthasen (TPS) aus Wildtomaten (Solanum habrochaites), Wildtabak (Nicotiana sylvestris) sowie Rauchtabak (Nicotiana tabacum) identifiziert und charakterisiert. Im Tabak werden sowohl Labdanoide als auch makrozyklische Diterpenoide produziert. Die in beide Biosynthesewege involvierten Terpensynthasen konnten identifiziert und charakterisiert werden. Labdanoidditerpen-cis-Abeniol ist eine Vorstufe Ambra-ähnlicher Aromastoffe, wie das begehrte Ambrox, das in der Parfümindustrie eingesetzt wird. Für die Biosynthese von Z-Abienol werden zwei Terpensynthasen benötigt. Zunächst wird die Umsetzung von GGPP in 8-Hydroxy-Copalyldiphosphat (NtCPS2) durch eine Klasse II-TPS katalysiert. Nachfolgend setzt eine Klasse I-TPS 8-OH-CPP in Z-Abienol um (NtABS, Abb. 2). In den glandulären Trichomen der Wildtomate (S. habrochaites) werden Sesquiterpencarboxylsäuren produziert, die der Pflanze Resistenz gegenüber verschiedenen Schadinsekten verleihen. Darunter sind Santalenol- und Bergomatenolsäure, die aus ?-Santalen und ?- und ?-Bergamoten gebildet werden. Interessanterweise konnten wir nachweisen, dass die TPS, die oben genannte Sesquiterpene synthetisiert (ShSBS) mit der Abienolsynthase aus Tabak verwandt ist, was auf einen gemeinsamen evolutionären Vorläufer hinweist. Diese Ähnlichkeit erlaubt uns Untersuchungen zur Struktur und Funktion der pflanzlichen TPS im Hinblick auf ihre Substratspezifität.

http://www.terpmed.eu/

Laufende Projekte: 

  • Modellierung und Mutagenese der ShSBS aus Tomate und der NtABS aus Tabak zur Untersuchung der Grundlagen der TPS-Substratspezifität. Mitarbeiter: Romy Töpfer (Promotionsstudentin) und Dr. Gerd Balke. Kooperation mit Wolfgang Brandt und Robert Klein (Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie, IPB)
  • Charakterisierung zusätzlicher TPS aus Nicotiana-Arten, die in die Labdanoidbiosynthese involviert sind. Mitarbeiter: Dr. Swanhild Lohse.
  • Produktspezifität der Cembratrienolsynthase aus Nicotiana sylvestris. Mitarbeiter: Tina Clauß und Dr. Gerd Balke. Kooperation mit Wolfgang Brandt (Abteilung Natur- und Wirkstoffchemie, IPB).
  • Aufklärung der Biosynthese der Sesquiterpencarboxylsäuren aus der Wildtomate. Mitarbeiter: Sebastian Zabel (Promotionsstudent) und Dr. Stefan Bennewitz. Kooperation mit Dr. Robert Schuurink, Universität Amsterdam.
  • Charakterisierung der TPS aus Arabidopsis thaliana. Mitarbeiter: Carolin Bernholz (Promotionsstudentin).
  • Aufklärung des Biosyntheseweges phenolischer Diterpene (Carnosinsäure) in Rosmarin und Salbei. Mitarbeiter: Dr. Kathleen Brückner, Elodie Ribas (Masterstudentin). Teil des EU-Projektes TERPMED

2. Die Zellenfabriken der Trichome und Metabolic Engineering

Obwohl sie nur einen kleinen Teil des Blattes einnehmen, tragen die glandulären Zellen der Trichome entscheidend zur pflanzlichen Biomasse bei. Die Substanzen, die von den Trichomen abgesondert werden, können bis zu 15% des Trockengewichtes eines Blattes einnehmen. Deshalb bilden die glandulären Zellen einen Hauptspeicher für Kohlenstoff-basierte Vorläufermoleküle, die in sekretierte Substanzen umgewandelt werden. Das Verständnis für die Funktionalität dieser Zellenfabriken ermöglicht deren Einsatz für Metabolic Engineering in planta und anderen Organismen. Um die zellulären Fabriken der Trichome zu untersuchen, kombinieren wir Metabolom-, Transkriptom- und genetische Methoden. Die Ergebnisse werden schließlich zu einem integrierten Modell zusammengefasst, das als Grundlage für Metabolic Engineering dienen soll. Zudem werden Trichom-spezifische Promotoren genutzt um Transgene in glandulären Zellen zu exprimieren. Dabei macht man sich deren Abgrenzung vom übrigen Teil der Pflanze und ihre hohe metabolische Aktivität für die Produktion von heterologen Terpenoiden zunutze.

Laufende Projekte

  • Expression von heterologen Terpenbiosynthesegenen unter Verwendung Trichom-spezifischer Promotoren. Mitarbeiter: Dr. Swanhild Lohse, Dr. Kathleen Brückner, Petra Schäfer.
  • Charakterisierung des Trichom-Metaboloms. Mitarbeiter: Dr. Gerd Balke, Dr. Stefan Bennewitz, Anja Henning.
  • Herstellung einer Terpen-Zellenfabrik in Mikroorganismen. Mitarbeiter: Petra Schäfer.
Abb. 2: Scanningelectronenmikroskopische Aufnahme von glandulären Trichomen des Typ VI in Tomate. (A) Solanum lycopersicum (LA4024). (B) S. habrochaites (LA2409).
Abb. 2: Scanningelectronenmikroskopische Aufnahme von glandulären Trichomen des Typ VI in Tomate. (A) Solanum lycopersicum (LA4024). (B) S. habrochaites (LA2409).

3. Entwicklung glandulärer Trichome

In Tomate sind die glandulären Trichome vom Typ VI die Hauptproduktionsstätten für Substanzen, die den Pflanzen Resistenz gegen eine Anzahl schädlicher Insekten verleihen. Diese Trichome bestehen aus einer zweizelligen Basis, einer intermediären Zelle und vier glandulären Zellen, die in einer Ebene angeordnet sind. In der Wildtomate Solanum habrochaites umschließen diese vier Zellen einen interzellulären Hohlraum, in dem die sekretierten Verbindungen akkumulieren. Aus diesem Grund ist die Speicherkapazität dieser Trichome sehr viel höher als in den kultivierten Arten, was zu einer größeren Menge an sekretierten Verbindungen und damit zu einer erhöhten Resistenz der Wildpflanzen gegen Schadinsekten führt. Um diese Resistenzmerkmale in Kulturtomaten einzubringen, ist es deshalb auch von großer Wichtigkeit nicht nur die Gene zu identifizieren, die für die Biosynthese der sekretierten Verbindungen wichtig sind, sondern auch jene Gene zu kartieren, die die spezifische Morphologie der Trichome bestimmen. Diese Fragestellungen sollen über einen genetischen Ansatz geklärt werden. Von großem Vorteil ist dabei die Möglichkeit, Hybride der beiden Tomatenarten S. habrochaites und S. lycopersicum herzustellen sowie die lückenlose genetische Karte und die vorhandene Genomsequenz der Tomate.

Laufendes Projekt

  • Genetische Entwicklung glandulärer Trichome vom Typ VI in Tomate. Mitarbeiter: Dr. Stefan Bennewitz, Sebastian Zabel (Promotionsstudent), Tina Clauß.

Diese Seite wurde zuletzt am 11.02.2013 geändert.

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