Publications - Cell and Metabolic Biology

Pflanzen müssen gegen vielfältige biotische und abiotische Umwelteinflusse eine Abwehr aufbauen. Aber gleichzeitig müssen sie wachsen und sich vermehren. Jasmonate sind neben anderen Hormonen ein zentrales Signal bei der Etablierung von Abwehrmechanismen, aber auch Signal von Entwicklungsprozessen wie Blüten‐ und Trichombildung, sowie der Hemmung von Wachstum. Biosynthese und essentielle Komponenten der Signaltransduktion von JA und seinem biologisch aktiven Konjugat JA‐Ile sind gut untersucht. Der Rezeptor ist ein Proteinkomplex, der “JA‐Ile‐Wahrnehmung” mit proteasomalem Abbau von Repressorproteinen verbindet. Dadurch können positiv agierende Transkriptionsfaktoren wirksam werden und vielfältige Genexpressionsänderungen auslösen. Dies betrifft die Bildung von Abwehrproteinen, Enzymen der JA‐Biosynthese und Sekundärstoffbildung, und Proteinen von Signalketten und Entwicklungsprozessen. Die Kenntnisse zur JA‐Ile‐Wirkung werden in Landwirtschaft und Biotechnologie genutzt.

Jasmonates are ubiquitously occurring lipid-derived signaling compounds active in plant development and plant responses to biotic and abiotic stresses. Upon environmental stimuli jasmonates are formed and accumulate transiently. During flower and seed development, jasmonic acid (JA) and a remarkable number of different metabolites accumulate organ- and tissue specifically. The accumulation is accompanied with expression of jasmonate-inducible genes. Among these genes there are defense genes and developmentally regulated genes. The profile of jasmonate compounds in flowers and seeds covers active signaling molecules such as JA, its precursor 12-oxophytodienoic acid (OPDA) and amino acid conjugates such as JA-Ile, but also inactive signaling molecules occur such as 12-hydroxy-JA and its sulfated derivative. These latter compounds can occur at several orders of magnitude higher level than JA. Metabolic conversion of JA and JA-Ile to hydroxylated compounds seems to inactivate JA signaling, but also specific functions of jasmonates in flower and seed development were detected. In tomato OPDA is involved in embryo development. Occurrence of jasmonates, expression of JA-inducible genes and JA-dependent processes in flower and seed development will be discussed.

Apocarotinoide werden durch hochspezifische Spaltungsreaktionen oxidativer Enzyme an den Doppelbindungen von Carotinoiden maßgeschneidert. Es können neue Chromophore entstehen, die zusätzliche Nuancen des gelb‐roten Farbspektrums eröffnen. Farblose C13‐Apocarotinoide können potente Duft‐ und Aromastoffe sein. Viele Apocarotinoidfunktionen mit Hormoncharakter sind lange bekannt (Abszisinsäure in Pflanzen, Trisporsäure in Pilzen, Retinsäure in Säugern). Eine neue Klasse von Apocarotinoid‐Pflanzenhormonen, die die Sprossverzweigung der Pflanzen mitbestimmen, wurde kürzlich als Strigolactone identifiziert. In ihrer Biosynthese wie auch in der von mykorrhizainduzierten C13/C14‐Apocarotinoiden treten mehrstufige aufeinanderfolgende Carotinoidspaltungsreaktionen auf. Das Wissen über Synthesewege und Funktionen von Apocarotinoiden eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen im Zierpflanzenbau, bei der Bekämpfung parasitischer Unkräuter und in der Beeinflussung von Blütendüften und Fruchtaromen.

Die Lebensgemeinschaft mit Mykorrhizapilzen stellt Pflanzen mineralische Nährstoffe und Wasser zur Verfügung und gilt daher als evolutionäre Grundlage für die Entwicklung der Landpflanzen. Die heute weit verbreitete arbuskuläre Mykorrhiza (AM) ist insbesondere unter widrigen Bedingungen (Nährstoffmangel, Trocken‐, Salz‐ oder Schwermetallstress sowie Pathogenbefall) für die Pflanze von Nutzen. Der pilzliche AM‐Partner, der obligat auf die Interaktion angewiesen ist, wird im Gegenzug mit Kohlenhydraten versorgt. Der Artikel beschreibt den aktuellen Stand der Forschung bezüglich der Etablierung und Regulation der AM durch die Pflanze. Es werden die frühen Erkennungssignale und die nachfolgende Wegbereitung der Pflanze für den eindringenden Pilz, die Kohlenhydratversorgung des AM‐Pilzes, wie auch die Limitierung der pilzlichen Infektionen mittels Autoregulation und die Rolle der Phytohormone für eine funktionelle und ausgeglichene Symbiose behandelt.

Pflanzen und bestimmte Pilze haben im Laufe ihrer Entwicklungsgeschichte „gelernt”︁, in einer engen Assoziation im Boden, der Mykorrhiza, eine äußerst erfolgreiche Symbiose miteinander einzugehen. Arbuskuläre Mykorrhizapilze helfen Pflanzen sich auf nährstoffarmen Böden ausreichend mit Wasser, Nährsalzen und Spurenelementen zu versorgen und fördern entscheidend Diversität und Produktivität von Pflanzengesellschaften. Darüber hinaus zeigen mykorrhizierte Pflanzen eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Pathogenbefall. Im Gegenzug „bezahlt”︁ die Pflanze den Pilz für diesen Gewinn mit Kohlenhydraten in Form einfacher Zucker (Glucose, Fructose). Durch manche Erfolge in der Erforschung der Mykorrhiza auf Metaboliten‐ und Genebene beginnen wir allmählich zu erahnen, wie komplex die molekularen Interaktionen dieser Symbiose sind. Es ist zu erwarten, dass das steigende Interesse an der Mykorrhizaforschung zu neuen Einsichten in die Strategien von Pflanzen und Pilzen in der Entwicklung mutualistisch‐symbiontischer Assoziationen führen wird.

Chemische Signale wurden bereits im 19.Jahrhundert als Regulatoren von Wachstum und Entwicklung der Pflanzen postuliert.In den letzten 70 Jahren wurde die Wirkungsweise der klassischen Pflanzenhormone wie der Auxine, Gibberelline, Cytokinine, Ethylen und Abscisinsäure aufgeklärt. Doch erst im letzten Jahrzehnt entdeckte man die Bedeutung der Brassinosteroide, der Peptidhormone und der Jasmonate.