Identifizierung molekularer Signaltransduktionskomponenten des retrograden Redoxsignalings und Auflösung kompartimenteller Redoxdynamiken in der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum

• Antragsteller: Professor Dr. Bernard Lepetit
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515451811

Diatomeen sind Mikroalgen, die zu den bedeutendsten globalen Primärproduzenten gehören. Sie besitzen komplexe Plastiden, welche sie über sekundäre Endosymbiose aus einer Rotalge gewonnen haben. Daher besteht ihre Plastidenhülle aus vier Membranen, gegenüber deren zwei in Grünalgen und Gefäßpflanzen. Vor zehn Jahren haben wir die Existenz von lichtabhängigem retrograden Redoxsignaling - die Steuerung der Kerngenexpression über einen Stimulus aus dem Plastiden - in der Diatomee Phaeodactylum tricornutum nachgewiesen. Dabei identifizierten wir den Redoxzustand des Plastochinonpools (PQRS) als Ausgangspunkt dieser Signalkaskade. Seit damals wurden keine weiteren Details des retrograden Redoxsignalings in Diatomeen publiziert. Außerdem sind die Dynamiken anderer Redoxkomponenten wie dem pH, ATP und H2O2, die alle von den Lichtbedingungen abhängen und potentiell vom retrograden Signaling beeinflusst sind bzw. es selber beeinflussen, in Diatomeen völlig unverstanden. In diesem Projekt möchte ich molekulare Komponenten des retrograden Redoxsignalings in Diatomeen enthüllen und daher erste Einsichten in die Signalkaskade, die im Plastiden entspringt und im Zellkern endet, gewinnen. Außerdem möchte ich die lichtabhängigen kompartimentellen Redoxdynamiken des pHs, von ATP und von H2O2 entschlüsseln, besonders im Hinblick auf das Zusammenspiel der photosynthetischen Lichtreaktion mir der mitochondrialen Respiration. Zusammen mit der dynamischen Regulation der Lichtreaktion, welche ich in anderen Projekten untersuche, werden mir die Ergebnisse dieses Projektes ein ganzheitlicheres Verständnis der Photophysiologie ermöglichen. Damit kann ich neue Modelle bezüglich der Lichtakklimatisierung in Diatomeen, aber auch darüber hinaus in anderen Taxa etablieren. Um diese Ziele zu erreichen, haben wir umfangreiche Vorarbeiten durchgeführt. So führten wir Transkriptomanalysen unter wechselnden Lichtbedingungen und mittels Manipulationen der photosynthetischen Elektronentransportkette durch. Aus vier identifizierten Hauptgruppen von Genen, die über unterschiedliche Schalter reguliert werden, habe ich zwei Gruppen ausgewählt, nämlich Gene, die über i) den PQRS und ii) ein Signal auf der Akzeptorseite des Photosystems I, wahrscheinlich H2O2, reguliert werden. In Task 1 sollen mit Hefe-1-Hybrid Assays für jeweils sechs Promotoren der Gene dieser beiden Gruppen die jeweils bindenden Transkriptionsfaktoren ermittelt werden. Diese werden dann mittels CRISPR-Cas in P. tricornutum ausgeschaltet und anschließend bezüglich ihrer Bedeutung für das retrograde Signaling untersucht. Außerdem etablierten wir fluoreszierende Proteinsensoren für den pH, ATP und H2O2 in verschiedenen Kompartimenten in P. tricornutum. In Task 2 werden wir weitere Sensorlinien für alle relevanten Kompartimente erstellen. Anschließend werden wir die kompartimentellen Redoxdynamiken unter wechselnden Lichtbedingungen mit und ohne Einschränkungen der Photosynthese und Respiration untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lieven De Veylder