Development and validation of metabolic models to simulate the operation and interaction of antioxidant systems
Final Report Abstract
Antioxidative Systeme sind in Pflanzen für die Entgiftung reaktiver Sauerstoffspezies zuständig und regulieren auch Wachstums- und Entwicklungsprozesse. Wesentliches Ziel des bearbeiteten Projektes war es, das theoretische Verständnis für das antioxidative Netzwerk zu vertiefen, indem Computersimulationen des antioxidativen Systems erstellt und anhand von Messungen überprüft werden sollten. Um Veränderungen von Stresssituationen zu erzeugen, wurden Arabidopsis thaliana Pflanzen unter niedrigen Lichtintensitäten angezogen und dann Starklicht ausgesetzt. Diese Behandlung führte erwartungsgemäß zu Vergilbungserscheinungen, aber auch zu starken Anpassungsreaktionen verschiedener Komponenten des antioxidativen Systems. Obgleich der Anteil von Ascorbat unter diesen Bedingungen stark anstieg, nahm im Apoplasten nur die Konzentration an Dehydroascorbat zu. Die apoplastische Ascorbatoxidase wurde unter Starklicht gehemmt. Es wurde eine auf der Fällung von Cerium durch H2O2 basierende Methode weiterentwickelt, um H2O2 auf subzellulärer Ebene zu quantifizieren. Jedoch konnte in Arabidopsis keine deutliche Ce-Akkumulation, die signifikant über unspezifischer Bindung lag, nachgewiesen werden. Auf Basis der Messdaten wurde ein Programmmodul für das antioxidative System des Apoplasten entwickelt und mit dem cytosolischen Ascorbatpool verknüpft. Die Simulation zeigte, dass Ascorbat im Apoplasten instabil ist und die Aufrechterhaltung erheblichen Export erfordert. Um die Konzentration an Dehydroascorbat zu stabilisieren, muss ein Rücktransport vom Apoplasten in das Cytosol angenommen werden. Dies wurde durch Transportexperimente untermauert. Hohe Peroxidaseaktivitäten im Apoplasten konnten eine Anhäufung von H2O2 durch NADH Oxidase in Simulationsläufen nur kurzfristig begrenzen. Wie in situ vielfach gezeigt, führte auch die Simulation zu einer schnellen Akkumulation von H2O2, obgleich der Apoplast neben Peroxidasen, Ascorbat und phenolische Verbindungen enthielt, die eigentlich für den Abbau von H2O2 sorgen. Da auch Messungen unter Lichtstress keine Hinweise auf apoplastisches H2O2 ergeben hatten, sollte bei einer Programmweiterentwicklung die Aktivität von NADH Oxidase so geschaltet werden, dass sie nur durch bestimmte Ereignisse wie Z. B. Pathogenbefall aktiviert wird. Ein weiteres Augenmerk wurde auf die Untersuchung der Dehydroascorbatreduktase gelegt, da diese Funktion durch frühere Modelle in Frage gestellt war. Aufgrund der Tatsache, dass es nicht gelang homozygote T DNA Insertionsmutanten für DHAR1 zu isolieren, kann man vermuten, dass das Enzym eine essentielle Funktion im Stoffwechsel besitzt. Es wurde eine heterozygote Linie isoliert, die nur die Hälfte der normalen DHAR besaß. Diese Aktivität war im Gegensatz zu den Wildtyp Pflanzen nicht durch Starklichtstress induzierbar. Da DAR Aktivitätsreduktion und Verlust der Induzierbarkeit keinen Einfluß auf den Redox Status von Dehydroascorbat/Ascorbat oder GSSG/GSH hatten, reichen entweder sehr geringe DAR Aktivitäten oder das Enzym hat tatsächlich keine Rolle für die Redoxbalance bei der Lichtanpassung. Genevestigatoranalysen legten die Vermutung nahe, dass das Enzym an der Pathogenabwehr beteiligt sein könnte.
Publications
- Key stone meeting, Copper mountains: Heavy Metal Signaling and Oxidative Stress From Cellular to Organismic Responses 11.4.2006
Polle A
- Workshop Bielefeld: 27.6.06 Role of antioxidant systems in the control of cellular oxidants: measurements and models
Polle A
- (2009) Quantitative X-ray microanalysis of hydrogen peroxide within plant cells. Microscopy Research and Technique 72:49-60
Chen S, Olbrich A, Langenfeld-Heyser R, Fritz E, Polle A
