Studien zur Aufklärung der Biosynthese apoplastischer Polyester in höheren Pflanzen

Abstract

Suberinablagerungen in den Wurzeln höherer Pflanzen tragen entscheidend zur Regulation des Wasserhaushaltes bei. Sie ermöglichen der Wurzel eine selektive Aufnahme von Nährstoffen, erlauben den Ausschluss toxischer Substanzen und stellen eine Barriere für die Penetration von Pathogenen dar. Der Suberin-assoziierte Polyester der Samenschale trägt zum Schutz des Embryos bei und ermöglicht embryonalen Geweben eine Überdauerung von negativen Umwelteinflüssen bei Samendormanz. Trotz der entscheidenden Bedeutung dieser Zellwand-assoziierten Biopolyester für den Lebenszyklus höherer Pflanzen blieben die bisherigen Erkenntnisse zur Biosynthese von Suberin und Suberin-assoziierten Polyestern lückenhaft. In dieser Arbeit konnten durch Datenbank-basierte Recherche und organspezifische Expressionsstudien in Arabidopsis thaliana Gene identifiziert werden, deren Translationsprodukte an der Biosynthese der genannten Zellwandpolyester direkt und indirekt beteiligt sind.<br /> In einem reverse genetics Versuchsansatz konnte CYP86B1/RALPH als Fettsäure-ω-Hydoxylase in der Biosynthese von Wurzelsuberin und dem Zellwandpolyester der Samenschale charakterisiert werden. CYP86B1 stellt die erste in vivo charakterisierte ω Hydoxylase von Fettsäuren mit einer Kettenlänge >C20 in höheren Pflanzen dar. Da ω oxygenierte Fettsäuren zentrale Bausteine des aliphatischen Suberins darstellen, ist CYP86B1 ein Schlüsselenzym der Biosynthese des Wurzelsuberins und des Samenschalen-Polyesters. <br /> Für die putative Peroxidase POX konnte ebenfalls eine indirekte Beteiligung an der Biosynthese des Suberins der Wurzel und des Polyesters der Samenschale nachgewiesen werden. <br /> In einem weiteren experimentellen Ansatz dieser Arbeit konnten durch die Kreuzung von Insertionsmutanten und die Generierung von Doppelmutanten Erkenntnisse über die regulatorischen und enzymatischen Zusammenhänge in der Suberinbiosynthese gewonnen werden. Im Rahmen dieser Kreuzungsexperimente wurden Mutantenlinien generiert, die durch ein hochgradig verändertes Wurzelsuberin charakterisiert sind. Die Doppelmutanten ralph/horst und ralph/pox waren charakterisiert durch hochgradig veränderte Kompositionen des Suberin-Polyesters der Wurzel und der Samenschale.<br /> Anhand physiologischer Studien konnte gezeigt werden, dass sich die Mutante pox durch eine verringerte Permeabilität der Samenschale auszeichnet. In der knockout Mutante cyp86B1/ralph und der Doppelmutante ralph/horst konnte in einem Austrocknungsexperiment unter Laborbedingungen eine erhöhte Toleranz gegen Dehydrierung nachgewiesen werden. <br /> Zur Erweiterung der Erkenntnisse der regulatorischen Zusammenhänge der Suberin-Biosynthese auf transkriptioneller Ebene wurde eine Aufnahme der differenziellen Genexpression ausgewählter Suberinmutanten mittels Microarray durchgeführt. <br /> Ein weiterer Ansatz dieser Arbeit diente der Charakterisierung der P450 Monooxygenase CYP704B2 in Oryza sativa. In den hier durchgeführten Analysen des Kutins und der kutikulären Wachse von Antheren der korrespondierenden Mutante cyp704B2 konnte gezeigt werden, dass CYP704B2 ein zentrales Enzym der Biosynthese des Antherenkutins ist. Die Aberrationen des Antherenkutins tragen zur Ausbildung der männlichen Sterilität der Linie cyp704B2 bei.