Abteilung Pflanzen-Biotechnologie

Subzelluläre Kompartimentierung

Was geschieht in den Reaktionsräumen einer Pflanzenzelle?

Pflanzliche Zellen sind stark kompartimentiert, und in den verschiedenen Reaktionsräumen können sehr unterschiedliche Bedingungen vorherrschen. Um Stoffwechselwege in einzelnen Kompartimenten untersuchen zu können, müssen Metabolitgehalte kompartiment-spezifisch untersucht werden.
Da aber Metabolite oft schnell umgesetzt werden, ist es keineswegs einfach, Kompartimente voneinander zu trennen, ohne während der Trennung Änderungen der Metabolitgehalte in Kauf nehmen zu müssen.
Eine bei Pflanzenzellen sehr erfolgreiche Methode zur Kompartimentanalytik ist die "Nicht-wässrige Fraktionierung", bei der Gewebe zunächst gefriergetrocknet werden, um ihnen das Wasser zu entziehen. Nach der Trocknung können die meisten Stoffwechselreaktionen nicht mehr ablaufen, da Enzyme nur in wässriger Lösung aktiv sind. Das getrocknete Material kann nun in Dichtegradienten aus organischen Lösemitteln fraktioniert werden, wobei die Zellkompartimente ihrer Dichte nach aufgetrennt werden (s. Abbildung).
Wir nutzen diese Methode, um die tatsächlichen Metabolitkonzentrationen in den verschiedenen Reaktionsräumen der Zelle messen zu können und so besser zu verstehen, wie Stoffwechselvorgänge organisiert werden und wie die Organellen einer Zelle miteinander interagieren.

Unsere Arbeiten haben gezeigt, dass die Verteilung von Metaboliten innerhalb der Zelle abhängig von Umweltbedingungen ist. Insbesondere lösliche Zucker wie Saccharose oder das Trisaccharid Raffinose ändern z.B. in der Kälte ihre Lokalisierung. Wir konnten nachweisen, dass Raffinose in der Kälte spezifisch in die Plastiden umgelagert wird, wo sie eine wichtige Rolle in der Frosttoleranz hat.
Die subzelluläre Verteilung der Zucker hat aber auch während einer ganz normalen Wachstumsphase einen entscheidenden Einfluss auf die Regulation des Primärstoffwechsels. Durch Untersuchungen an einem vakuolären Enzym, der Invertase, die Saccharose in Glukose und Fruktose spaltet, fanden wir heraus, dass die Vakuole den Stoffwechsel des Zytosols gleichsam "abpuffert", um starke Schwankungen in den Konzentrationen wichtiger Metabolite zu verhindern. Die Aufteilung von Zuckern zwischen Zytosol und Vakuole spielt darüber hinaus eine wichtige Rolle für die Versorgung der nicht-grünen Organe, denn die in der Vakuole gelagerten Hexosen werden in den meisten Pflanzen nicht transportiert. So hat die Kompartimentierung also einen wichtigen Einfluss auf "sink/source"-Beziehungen und - weil die Speichergewebe oft die erntebaren Teile der Pflanze sind - damit auch auf den Ertrag. Wie sich Änderungen der subzellulären Metabolitverteilung auf den Zellstoffwechsel auswirken, untersuchen wir mit mathematischen Methoden der Systembiologie

Publikationen zum Thema

  1. Hoermiller, I.I., Naegele, T., Augustin, H., Stutz, S., Weckwerth, W., Heyer, A.G.: Subcellular reprogramming of metabolism during cold acclimation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Environ. 40, 602–610 (2017). https://doi.org/10.1111/pce.12836.
  2. Nägele, T., Heyer, A.G.: Approximating subcellular organisation of carbohydrate metabolism during cold acclimation in different natural accessions of Arabidopsis thaliana. New Phytol. 198, 777--787 (2013). https://doi.org/10.1111/nph.12201.
  3. Iftime, D., Hannah, M.A., Peterbauer, T., Heyer, A.G.: Stachyose in the cytosol does not influence freezing tolerance of transgenic Arabidopsis expressing stachyose synthase from adzuki bean. Plant Science. 180, 24--30 (2011). https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2010.07.012.
  4. Nägele, T., Kandel, B.A., Frana, S., Meissner, M., Heyer, A.G.: A systems biology approach for the analysis of carbohydrate dynamics during acclimation to low temperature in Arabidopsis thaliana. FEBS J. 278, 506--518 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1742-4658.2010.07971.x.
  5. Knaupp, M., Mishra, K.B., Nedbal, L., Heyer, A.G.: Evidence for a role of raffinose in stabilizing photosystem II during freeze--thaw cycles. Planta. 234, 477--486 (2011). https://doi.org/10.1007/s00425-011-1413-0.
  6. Wingenter, K., Trentmann, O., Winschuh, I., Hörmiller, I.I., Heyer, A.G., Reinders, J., Schulz, A., Geiger, D., Hedrich, R., Neuhaus, H.E.: A member of the mitogen-activated protein 3-kinase family is involved in the regulation of plant vacuolar glucose uptake. Plant J. 68, 890--900 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1365-313X.2011.04739.x.
  7. Wingenter, K., Schulz, A., Wormit, A., Wic, S., Trentmann, O., Hoermiller, I.I., Heyer, A.G., Marten, I., Hedrich, R., Neuhaus, H.E.: Increased Activity of the Vacuolar Monosaccharide Transporter TMT1 Alters Cellular Sugar Partitioning, Sugar Signaling, and Seed Yield in Arabidopsis. Plant Physiol. 154, 665--677 (2010). https://doi.org/10.1104/pp.110.162040.

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