Zur Entschlüsselung der dynamischen, lichtinduzierten H2O2-Bildung in Chloroplasten und ihrer Übertragung in das Cytosol und den Zellkern

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Meyer
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552784813

Als endosymbiotische Organellen sind Chloroplasten auf das Kerngenom angewiesen, um mit den meisten ihrer Proteine versorgt zu werden. Damit stehen die Entwicklung der Plastiden und die Genexpression im Zusammenhang mit adaptiven Stressreaktionen, weitgehend unter der Kontrolle des Kerns. Um eine bedarfsgerechte Genexpression und Translation zu gewährleisten, haben sich mehrere retrograde Kontrollmechanismen entwickelt, mit denen Chloroplasten dem Zellkern ihren aktuellen physiologischen Zustand mitteilen. Unter diesen Mechanismen stellt die redoxabhängige Signaltransduktion möglicherweise die direkteste Verbindung zwischen der zentralen Photosynthesemaschinerie und der Genexpression bei Belichtung dar. Während der Photosynthese entstehen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) wie Superoxid (O2-) und Wasserstoffperoxid (H2O2) als Nebenprodukte. H2O2 wird seit langem als retrogrades Signal angesehen, aber die Beweise dafür sind bisher weitgehend indirekt und es fehlen Informationen über die lichtabhängige Dynamik von H2O2 in Chloroplasten und im Cytosol. Genetisch kodierte Biosensoren wie HyPer7 für H2O2 und Grx1-roGFP2 für das Glutathion-Redox-Potential (EGSH) bieten die Möglichkeit, diese Parameter in lebenden Zellen zu untersuchen, aber die Anwendung dieser Sensoren in Kombination mit einer geeigneten Beleuchtung war bisher eine Herausforderung. Für dieses Projekt haben wir einen neuartigen Aufbau mit automatisierter interner Belichtung von Pflanzen in einem Fluoreszenz-Plattenlesegerät entwickelt, so dass die Verzögerung zwischen Belichtung und tatsächlichen Multiplex-Messungen auf ein Minimum reduziert wird. Durch den Einsatz verschiedener Biosensoren sowohl im Chloroplastenstroma als auch im Cytosol können nun lichtinduzierte Veränderungen von H2O2 und EGSH in beiden Kompartimenten verfolgt werden. Mit dem Ziel, H2O2-Signale von Chloroplasten zu entschlüsseln, werden diese Messungen später durch Untersuchungen der lichtinduzierten Redoxdynamik des Nukleoplasmas und der Veränderungen des Redoxzustands des NADP-Pools ergänzt. Die Signaltransduktion mittels H2O2 wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie z. B. dem Ort seiner Produktion nach der Superoxid-Dismutation, seiner Entgiftung in den Chloroplasten, dem Export von H2O2 durch die Chloroplastenhüllmembranen und der Entgiftung im Cytosol. Die Entgiftung im Cytosol durch verschiedene Peroxidasen in Verbindung mit verschiedenen Oxidoreduktasen wie Thioredoxinen und Glutaredoxinen kann die Übertragung von H2O2-Signalen auf Zielproteine wie Transkriptionsfaktoren ermöglichen. Die dynamische Analyse der entsprechenden Parameter in intakten Arabidopsis-Pflanzen in Kombination mit pharmakologischen und genetischen Eingriffen soll neue Informationen liefern, die zur Entschlüsselung der H2O2-abhängigen retrograden Signalübertragung beitragen werden. Die aus diesem Projekt gewonnenen Informationen werden voraussichtlich neue Ideen für die Entwicklung von Pflanzen mit erhöhter Stressresistenz liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. José Manuel Ugalde