Die Bedeutung von WHIRLY1 für die Detektion von Stress-Signalen in den Chloroplasten und ihre Weiterleitung an den Zellkern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karin Krupinska
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279515066

Entwicklung und Produktivität der Pflanzen hängen von einer effizienten Anpassung der Photosynthese an die Umweltbedingungen ab und werden durch Stressfaktoren stark eingeschränkt. Störsignale, die unter Stressbedingungen am Photosyntheseapparat in den Chloroplasten entstehen, führen im Zellkern zu einer veränderten Genexpression und ermöglichen so eine Akklimatisierung. Zu den gut untersuchten Störsignalen gehören reaktive Sauerstoffverbindungen und Redoxänderungen in der Elektronentransportkette. Die Signalübertragung zwischen Chloroplasten und Zellkern ist noch weitgehend unverstanden. In diesem Projekt soll untersucht werden, ob das dual in den Chloroplasten und im Zellkern lokalisierte RNA/DNA-Bindeprotein WHIRLY1 an der Detektion und Übertragung von Störsignalen aus den Chloroplasten in den Zellkern beteiligt ist. In Voruntersuchungen zeigte sich, dass WHIRLY1 in den Chloroplasten sowohl in den Nukleoiden als auch an den Thylakoiden vorkommt und damit eine Brückenfunktion zwischen Photo¬syntheseapparat und Genexpression einnehmen kann. Entsprechend zeigen transgene Gerstenpflanzen mit verminderter Menge an WHIRLY1 unter Lichtstressbedingungen Störungen in der Chloroplastenentwicklung. WHIRLY1 kann in oligomerer und monomerer Konformation vorliegen. Es wird postuliert, dass stressinduzierte Redoxveränderungen im Photosyntheseapparat die oligomeren Formen des Proteins destabilisieren. Das Verhältnis von Oligomeren zu Monomeren soll durch biochemische Verfahren an Gerstenpflanzen, die verschiedenen Stressbedingungen ausgesetzt sind, ermittelt werden. Ergänzende Untersuchungen sollen mit isolierten Chloroplasten, bei denen durch Zugabe von Hemmstoffen der Photosynthese der Redoxzustand verändert wird, durchgeführt werden. Transgene Gerstenpflanzen, die unterschiedliche Mengen von WHIRLY1 akkumulieren, stehen für Untersuchungen zur Bedeutung von WHIRLY1 für die Anpassung an verschiedene Stressbedingungen (Trockenheit, hohe Lichteinstrahlung und Kühle) zur Verfügung. Es ist geplant, die Photosynthese sowie die Genexpression mittels Microarrays unter ausgewählten Stressbedingungen zu analysieren. Die Verteilung von WHIRLY1 in der Zelle soll immunologisch untersucht werden. Für Untersuchungen zum Mechanismus einer möglichen stressinduzierten Umverteilung des Proteins stehen transgene Arabidopsispflanzen, die mutierte Formen des WHIRLY1-Proteins bilden, zur Verfügung. Neben der Aminosäure Lysin-91, die wichtig für die Bildung von Oligomeren ist, wurde auch die konservierte Aminosäure Cystein-159, die für die Änderung der Konformation infolge von Redoxveränderungen wichtig sein kann, mutiert. Zusätzlich stehen transplastomische Tabakpflanzen zur Verfügung, die WHIRLY1 und die mutierten Formen des Proteins in den Plastiden synthetisieren. Zur Visualisierung einer möglichen Freisetzung von WHIRLY1 aus den Chloroplasten sollen fluoreszierende Fusionsproteine (WHIRLY1:ILOV) in transgenen Arabidopsispflanzen zum Einsatz kommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen