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.

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.

In plant secondary metabolism, β‐acetal ester‐dependent acyltransferases, such as the 1‐O ‐sinapoyl‐β‐glucose:l ‐malate sinapoyltransferase (SMT; EC 2.3.1.92), are homologous to serine carboxypeptidases. Mutant analyses and modeling of Arabidopsis SMT (AtSMT) have predicted amino acid residues involved in substrate recognition and catalysis, confirming the main functional elements conserved within the serine carboxypeptidase protein family. However, the functional shift from hydrolytic to acyltransferase activity and structure–function relationship of AtSMT remain obscure. To address these questions, a heterologous expression system for AtSMT has been developed that relies on Saccharomyces cerevisiae and an episomal leu2‐d vector. Codon usage adaptation of AtSMT cDNA raised the produced SMT activity by a factor of approximately three. N‐terminal fusion to the leader peptide from yeast proteinase A and transfer of this expression cassette to a high copy vector led to further increase in SMT expression by factors of 12 and 42, respectively. Finally, upscaling the biomass production by fermenter cultivation lead to another 90‐fold increase, resulting in an overall 3900‐fold activity compared to the AtSMT cDNA of plant origin. Detailed kinetic analyses of the recombinant protein indicated a random sequential bi‐bi mechanism for the SMT‐catalyzed transacylation, in contrast to a double displacement (ping‐pong) mechanism, characteristic of serine carboxypeptidases.

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.