Regulation der Zeaxanthin Epoxidase Aktivität

• Antragsteller: Professor Dr. Peter Jahns
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554388639

Das Xanthophyll Zeaxanthin (Zx) hat zentrale photoprotektive Funktionen in Pflanzen. Zx fungiert als Antioxidans in der Thylakoidmembran und ist wichtig für die Wärmedissipation überschüssiger Anregungsenergie in Photosystem II (PSII). Die präzise Regulation des Zx-Gehaltes in der Thylakoidmembran ist nötig, um die optimale Photosynthese-Effizienz unter nicht-sättigenden Lichtbedingungen, aber auch die maximale Photoprotektion im Starklicht zu gewährleisten. Zx wird im Xanthophyllzyklus durch die Violaxanthin (Vx) De-epoxidase aus Vx gebildet, und von der Zx Epoxidase (ZEP) wieder in Vx zurück umgewandelt. Vorarbeiten zeigten, dass die Lichtregulation der ZEP Aktivität essentiell für die Anpassung an Starklichtstress ist. Wir konnten zeigen, dass die ZEP im Starklicht inaktiviert und schließlich abgebaut wird, parallel zur Photoinhibition von PSII und dem Abbau des D1 Proteins. Dies deutet auf eine wichtige photoprotektive Funktion des Zx im PSII Reparaturzyklus hin. Zudem fanden wir Hinweise dafür, dass die Licht-induzierte Inaktivierung der ZEP auf einer Hemmung durch Wasserstoffperoxid beruht. Mittels zielgerichteter Mutagenese haben wir sechs konservierte Cystein-Reste gegen Serin und sieben konservierte Methionin-Reste gegen Leucin ausgetauscht. Diese konservierten Reste sind die wahrscheinlichsten Aminosäure-Kandidaten, die durch Wasserstoffperoxid bei Starklicht-Stress oxidiert werden. Wir haben einen simplen in vitro Assay für die ZEP Aktivität etabliert und darüber die Auswirkungen der einzelnen Mutationen untersucht. Dabei haben wir mehrere Mutationen identifiziert, die zu einer Reduktion oder sogar zu einer vollständigen Hemmung der ZEP Aktivität führen. Für einen Cystein-Rest schlagen wir eine essentielle Funktion bei der Bildung von Homodimeren vor und für zwei Methionin-Reste postulieren wir eine essentielle Rolle bei der Bindung eines Metall-Kofaktors. In diesem Projekt soll der Einfluss der Mutationen auf die ZEP-Aktivität und die Regulation der ZEP detailliert unter in vitro and in vivo Bedingungen untersucht werden. Dazu werden Arabidopsis Mutanten-Linien hergestellt, welche die einzelnen ZEP Mutanten stabil exprimieren. Dieser Ansatz wird das detaillierte Verständnis der Bedeutung der einzelnen Cystein- und Methionin-Reste für die Regulation der ZEP Aktivität unter physiologischen Bedingungen ermöglichen. Weiterhin soll unter in vitro Bedingungen die mögliche Funktion von einzelnen Cysteinen und Methioninen bei der Bildung von Homodimeren oder der Bindung eines Metall-Kofaktors geklärt werden. Dieser experimentelle Ansatz sollte es ermöglichen, Funktion und Regulation der ZEP unter Starklicht-Stress auf molekularer Ebene zu verstehen. Die zu erwartenden Ergebnisse sollten wichtige Informationen für das Verständnis der molekularen Mechanismen der Photoprotektion in Pflanzen liefern, die für die Verbesserung der Leistungsfähigkeit der Photosynthese und damit der Biomasse-Produktion von Nutzpflanzen genutzt werden können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen