LandWand: Untersuchung des Umbaus und der Rekrutierung von internen und externen Hemicellulosen in den Zellwänden der Zygnematophyceae (Zygnema, Mesotaenium) und des Lebermooses Marchantia

• Antragsteller: Professor Klaus Herburger, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen ; Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528114108

Die Zellen der meisten Grünalgen und Landpflanzen sind von einer primären Zellwand umgeben, die eine tragende und dennoch dehnbare Matrix aus verschiedenen Polysacchariden darstellt und die Algen vor Umweltstress, z.B. Austrocknung, schützt. Ein großer Teil der Zellwand-Polysaccharide sind Hemicellulosen, die enzymatisch geschnitten und umgehend mit anderen Hemicellulosen in der Nähe verknüpft werden können. Diese Reaktionen werden durch zellwandgebundene Transglycanasen katalysiert, die sowohl in den Zygnematophyceaen als auch in ihrer Schwestergruppe, den Landpflanzen, reichlich vorkommen. Interessanterweise sind Transglycanasen in früher evolvierten Charophyten (z.B. Klebsormidiophyceae) weniger abundant. Es gilt als belegt, dass die Transglycosylierung von Hemicellulosen eine Schlüsselrolle im Zellwandstoffwechsel aufrecht wachsender Landpflanzen spielt, ihre Funktionen in Algen sind jedoch kaum verstanden, obwohl Genfamilien, die die verantwortlichen Enzyme kodieren, in land-erobernden Algen stark expandierten, was darauf hindeutet, dass sie eine wichtige Rolle bei der Vorbereitung der Algen für den Landgang gespielt haben. Zudem evolvierte Xyloglucan – das Hauptsubstrat der meisten Transglycanasen und die häufigste Landpflanzen-Hemicellulose – erst in den Zygnematophyceae. Unsere jüngsten Daten zeigen, dass diese Algen Xyloglucan und andere Hemicellulosen in überraschend großen Mengen in die Umwelt abgeben und externe Polysaccharide durch Transglykosylierung wieder in ihre Zellwände rekrutieren können. Wir glauben, dass diese unerforschte Hemicellulose-Sekretion und Rekrutierung von Polysacchariden den Algen geholfen hat, dynamische Biokrusten zu etablieren, die höchstwahrscheinlich ihre primären Lebensräume während des Landganges waren und auch heute noch weltweit zu finden sind. Um die Rolle der Polysaccharid-Sekretion und -Rekrutierung besser zu verstehen, werden wir eine Reihe von Kultivierungsexperimenten entwickeln und den Polysaccharid-Fußabdruck von Zygnema und Mesotaenium mittels modernster glykobiologischer Techniken analysieren. Wir werden das Sekretionsmuster mit der basalen Landpflanze Marchantia vergleichen, von der bekannt ist, dass sie Xyloglucan aus Rhizoiden freisetzt. Zudem werden wir Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung und Zellwand-Ultrastruktur als Folge der Polysacharid-Rekrutierung analysieren. Wir nutzen neu entwickelte Methoden der Click-Chemie, um die Freisetzung und Rekrutierung von Polysachariden in lebenden Zellen zu verfolgen. Hier wird auch ein möglicher artübergreifender Austausch von Polysacchariden berücksichtigt. Abschließend werden Veränderungen relevanter kohlenhydrataktiver Enzyme als Reaktion auf verschiedene externe Polysaccharide und Austrocknungsstress per Transkriptom-Analysen untersucht. Wir gehen davon aus, dass unsere detaillierte Untersuchung des Umbaus und der Rekrutierung von Polysacchariden völlig neue Einblicke in die Rolle der Zellwand während des Landganges liefern wird.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2237: MAdLand - Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung