Die pflanzlichen Biopolyester Kutin und Suberin

Abstract

Ziel meiner Arbeit war es, anhand ausgewählter Lipidstoffwechsel-Mutanten Rückschlüsse auf die Beteiligung der untersuchten Gene an der Polyesterbildung von Kutin und Suberin zu ziehen. Untersucht wurden die Polyesterzusammensetzungen einer CYP450-abhängigen ω-Hydroxylase <em>Bncyp704b1</em> in Brassica napus, einer BAHD-Acyltransferase Sldcr in <em>Solanum lycopersicum</em>, einem ABC-Transporter abcg11, sowie die Transkriptionsfaktorenfamilie shn1, shn2 und shn3 in <em>Arabidopsis thaliana</em>. <br /> In B. napus wurde die doppelt rezessive Linie des Gens <em>BnCYP704B1</em> untersucht. Die Mutante <em>Bncyp704b1</em> weist im Vergleich zum Wildtyp vergrößerte Antheren mit veränderter Kutikulazusammensetzung und defekte Pollenwände, mit Folge einer Semisterilität, auf. In der Mutante wurde ein Defizit von C16- und C18-ω-Hydroxysäuren und deren Folgeprodukte im Antherenkutin nachgewiesen. In Anlehnung an den Polyesterbiosyntheseweg und anhand der Resultate konnte die putative ω-Hydroxylasefunktion für C₁₆- und C₁₈-Fettsäuren in der Kutinbildung der Antherenkutikula bestätigt werden. <br /> Der RNAi-Knockdown des <em>SlDCR</em>-Gens führte in <em>S. lycopersicum</em> zu enormen Veränderungen der Morphologie der Tomatenfruchtschale. Mikroskopische Untersuchungen der braungefärbten Schale zeigten, dass die Tomatenfruchtschale mehrere Zelllagen aufweist, die unter UV-Licht fluoreszieren. Durch Transportstudien mit isolierten Kutikeln konnte eine erhöhte Wasserpermeabilität nachgewiesen werden. Die Analyse der chemischen Zusammensetzung der Kutikula ergab, sowohl bei den Wachsen als auch im Kutin, drastische Veränderungen der Kompositionen, was die Beteiligung des Gens an der Kutikulabildung belegt. Die Reduktion der C16-9/10-Dihydroxyfettsäuremenge (C₁₆-DHFS) und die Akkumulation der Vorstufen im Kutin belegen die SlDCR-Beteiligung an der C16-DHFS-Synthese. Die Sequenzhomologie zum Ortholog AtDCR und in vitro Studien der AtDCR führen zur Annahme, dass es sich bei der SlDCR ebenfalls um eine BAHD-Acyltransferase handelt die CoA-aktivierte C16 ω Hydroxysäuren mit Glycerin verknüpft, woraus folgend C₁₆-DHFS-glycerin gebildet wird. <br /> Der ABC-Transporter <em>ABCG11</em> wurde mithilfe von Cosuppressionslinien des Gens untersucht bei denen die Polyesterzusammensetzungen von Sprossachse, Blatt, Wurzel, Blüte und Schote analysiert wurden. Es konnten in allen Polyestern veränderte Zusammensetzungen beobachtet werden, welche im Kutin die Substanzklassen der ω-Hydroxysäuren, Disäuren und mittkettig oxygenierten Säuren betrafen und im Suberin die der ω-Hydroxysäuren und Disäuren. Da in allen Polyestern der Knockdownlinien nur die Disäuren eine Verringerung und in Überexpressionslinien eine Erhöhung zeigten, was schlüssig mit der ABCG11-Transportermenge ist, konnte die Substratspezifität für den ABCG11-Transporter auf gesättigte und ungesättigte C₁₆-/C₁₈-Disäuren eingeengt werden. <br /> Die SHINE-Transkriptionsfaktorenfamilie wurde mithilfe eines artifiziellen RNAi Knockdowns mit den drei Mitgliedern dieser Familie als Target in <em>A. thaliana</em> untersucht. Die <em>shine</em>-Linien wiesen Organfusionen in der Blüte auf. Die Analyse der Kutikulazusammensetzung ergab in der Mutante eine Verringerung des Blütenkutins und eine Erhöhung der Alkane der Blattwachse. Im Kutin konnte das Defizit an den C₁₆-und C₁₈-ω-Hydroxysäuren, Disäuren und mittkettig oxygenierten Säuren ausgemacht werden. Auf Grundlage des bisher bekannten Kutinsynthesewegs und durch Expressionsstudien konnten die ω-Hydroxylasegene <em>CYP86A4</em> und <em>CYP86A7</em> und die Mittketten-Alkan-Hydroxylase <em>CYP96A15</em> als SHINE-Target ausgemacht werden.