Biosynthesis and biological role of polyamine conjugates in flowers of Arabidopsis thaliana
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Tris-Hydroxyzimtsäure Spermidin Konjugate wurden bereits vor Jahrzehnten im Pollen zahlreicher Angiospermen gefunden. Durch knock out und know down Linien, mittels Transkriptionsanalyse und Immunolocalisation konnten in diesem Projekt mehrere Enzyme und die kodierenden Gene identifiziert werden, die in Arabidopsis thaliana an der HCAA-Biosynthese der Antheren beteiligt sind. Die Metabolite werden im Tapetum synthetisiert und akkumulieren während der Reifung des Pollens auf dessen Oberfläche. Mehrere Arabidopsis Mutanten zeigen einen direkten Effekt auf die Akkumulation Antheren- und Pollen-spezifischer Konjugate. Die CCoAOMT1, konnte im Tapetum lokalisiert werden und ist stellt CoA-aktivierte Feruloyl-Ester bereit. Diese werden durch eine Tapetum-spezifische BAHD-ähnliche Hydroxyzimtsäuretransferase (SHT) auf Spermidin übertragen. Die so konjugierten Feruloyl-Einheiten werden im nachfolgenden Schritt durch eine Cytochrom P450-abhängige Monooxygenase, CYP98A8, zu 5-Hydroxyferulasäure-Einheiten hydroxyliert. Der abschließende Modifizierungsschritt, in dieser Biosynthese betrifft im Gegensatz zur Hydroxylierung nur die spezifisch an der sekundären Aminogruppe des Spermidins verknüpfte 5-Hydroxyferulasäure-Einheit. Dieser Schritt wird durch eine entwicklungs- und organspezifische, CCoAOMT-ähnliche O-Methyltransferase, die AtTSM1 katalysiert. Dieser Biosyntheseweg resultiert in der Akkumulation der beiden Hauptkomponenten, einem Tris-Feruloyl und einem Bis-Feruloyl-Mono-Sinapoyl Spermidinkonjugat. Mittels LC-MS-MS Analyse konnten insgesamt mehr als 35 verschiedener Hydroxyzimtsäurespermidin-Konjugate auf der Oberfläche isolierter Pollenkörner ermittelt werden. Im Gegensatz zu SHT-defizienten Linien konnten In Wildtyp Arabidopsis Pflanzen, große Mengen an entsprechende Konjugaten nachgewiesen werden, die mittels Esterbindungen mit der Pollenwand verknüpft sind. Dies war von Pollen bislang unbekannt. Neben der SHT ist mindestens eine weitere BAHD-ähnliche Transferase, die Disinapoyltransferase (SDT) für die Vielfalt dieser Substanzklasse auf der Pollenoberfläche erforderlich. Entsprechende sht/sdt Doppelmutanten fehlen die Hydroxyzimtsäurekonjugate fast vollständig. Die resultierenden Konjugate-freien Pflanzen und Pollen ermöglichen es jetzt, die biologische Relevanz dieser Substanzklasse für den männlichen Gametophyten zu klären. Obwohl die Fragen zum: was und wie? weitgehend geklärt scheinen, bleibt die wichtige Frage zur biologischen Rolle dieser Substanzen vorerst weitgehend ungeklärt. Weder ein postulierter UV-Schutz noch ein Effekt auf die Pollenkeimung oder das Wachstum der Pollenschläuche ist experimentell erkennbar. Ein, aufgrund der Hydrophobizität der Substanzen möglicher Schutz des Pollens vor dem Austrocknen war ebenso wenig nachzuweisen, wie ein teilweiser Fraßschutz gegenüber auf Pollen-spezialisierten Käfern. Fungizide Eigenschaften konnten, aufgrund der mangelnden Löslichkeit der Reinsubstanzen oder Substanzgemische, in entsprechenden Wachstumsmedien nicht eindeutig erbracht werden. Ob die kovalent an die Pollenwand gebundenen Hydroxyzimtsäure-Spermidin Konjugate einen Einfluss auf die strukturellen Eigenschaften und/oder die Stabilität der Pollenwand haben, wird zurzeit mit physikalischen Methoden analysiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2009) Phenylpropanoid polyamine conjugate biosynthesis in Arabidopsis thaliana flower buds. Phytochemistry 70, 1392-1400
Fellenberg, C, Böttcher, C, and Vogt, T
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(2010) Profiling of hydroxycinnamic acid amides in Arabidopsis thaliana pollen by tandem mass spectrometry. Anal. Bioanal. Chem. 398, 2789-2801
Handrick V, Vogt T, and Frolov, A
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(2012) The role of CCoAOMT and COMT in Arabidopsis anthers. Planta 236, 41-51
Fellenberg C, van Ohlen M, Handrick V, and Vogt T
