Biosynthese und Funktion der Bildung von Volatilen in verholzten Pflanzen und Gräsern
Viele Pflanzen reagieren auf den Fraß von Pflanzenfressern, indem sie komplexe flüchtige Gemische produzieren. Diese Gemische bestehen aus Verbindungen verschiedener chemischer Klassen wie Terpenoiden, aromatischen Estern und Blattgrünflüchtlingen. Wir untersuchen die biochemischen und genetischen Grundlagen der Herbivoren-induzierten Produktion flüchtiger Stoffe in Gehölzen und Gräsern. Die Gewinnung grundlegender Kenntnisse über diese Prozesse wird uns helfen, die biologische Rolle einzelner flüchtiger Verbindungen in Pflanzen-Insekten-Interaktionen aufzuklären.
Die Evolution der insekteninduzierten Terpenbiosynthese bei den Gräsern
Dr. Tobias Köllner
(in Zusammenarbeit mit Dr. Feng Chen, Universität von Tennessee)
Ziel dieses Projektes ist es, die molekularen Grundlagen der insekteninduzierten Terpenbiosynthese in Sorghum und die Evolution der verantwortlichen Terpensynthasen in verschiedenen Gräsern zu untersuchen. Derzeit haben wir drei Terpen-Synthase-Gene aus Sorghum identifiziert, die eine erhöhte Expression nach Herbivoren-Fütterung zeigten. Die biochemische Charakterisierung ergab, dass die drei TPS die gleichen Sesquiterpene produzieren, jedoch mit völlig unterschiedlichen Produktverteilungen. Vergleichende Studien mit Terpen-Synthase-Orthologen aus Sorghum, Reis und Mais werden uns helfen, Schlüsselaminosäuren zu identifizieren, die sich im Laufe der Evolution verändert haben und zu veränderten Produktspezifitäten führten.
Erkundung des Untergrunds: Wie Pappelwurzeln sich gegen Pflanzenfresser verteidigen
Als Reaktion auf Herbivorie produzieren viele Pflanzen Abwehrstoffe, die entweder giftig oder abstoßend für den Pflanzenfresser oder attraktiv für natürliche Feinde des Pflanzenfressers sein können. Diese direkten und indirekten Abwehrmechanismen stellen oft starke Barrieren gegen verschiedene Angreifer dar. Solche induzierten pflanzlichen Abwehrmechanismen sind oberirdisch intensiv untersucht worden, aber über die induzierten Abwehrmechanismen von Wurzeln, insbesondere von Bäumen, ist wenig bekannt. In diesem Zusammenhang untersuchen wir die Herbivorie-induzierte Akkumulation von chemischen Metaboliten in Wurzeln der Westlichen Balsampappel (Populus trichocarpa). Der Fraß von Maikäfer (Melolontha melolontha)-Larven an Pappelwurzeln führt zu einer stark erhöhten Akkumulation von Salicylaldehyd. Um die biochemischen Mechanismen der beobachteten Herbivorie-induzierten Wurzelreaktion zu untersuchen, wurde ein Transkriptom-Datensatz erstellt, um alle differentiell exprimierten Gene in Pappelwurzeln zu identifizieren. Das weitere Ziel der Studie ist die Identifizierung und Charakterisierung von Enzymen, die für die Bildung von Salicylaldehyd verantwortlich sind. Putative Kandidatengene eines β-oxidativen Biosynthesewegs wurden identifiziert und wir charakterisieren nun die Zimtsäure-CoA-Ligasen (CNL), Zimtamoyl-CoA-Hydratasen/Dehydrogenasen (CHD) und 3-Ketoacyl-CoA-Thiolasen (KAT) in Pappeln. Weiterhin sollen transgene Bäume generiert werden, die dann in Verhaltensversuchen mit Maikäferlarven eingesetzt werden, um die biologische Rolle von Salicylaldehyd als Verteidigungskomponente aufzuklären.
Der Geruch von Wurzeln: Biochemische Grundlagen der Terpen-Biosynthese in Pappelwurzeln
Pflanzen produzieren und emittieren eine große Vielfalt an flüchtigen organischen Verbindungen, die zu verschiedenen chemischen Klassen gehören, wie z.B. Terpenoide oder grüne Blattflüchtlinge. Vorläufige Experimente zeigten, dass das Fressen von Maikäferlarven (Melolontha melolontha) an Pappelwurzeln die Emission von flüchtigen Monoterpenen induziert. Wie andere Pflanzen enthält auch die Pappel eine große Familie von Terpen-Synthase-Genen (tps), die für Schlüsselenzyme der Terpen-Biosynthese kodieren. Ziel der Studie ist die Identifizierung von Terpensynthasen, die für die Bildung von flüchtigen Monoterpenen in Pappelwurzeln verantwortlich sind. Identifizierte Kandidatengene werden weiter charakterisiert und ihre enzymatische Aktivität wird in vitro untersucht. Weiterhin sollen Aminosäuren im aktiven Zentrum der Terpensynthasen gezielt verändert werden, um die Produktbildung der Terpensynthasen zu verändern.
Biochemische und funktionelle Aspekte des Metabolismus von DIMBOA-Glc in Mais und Weizen
Benzoxazinoide (BXDs) sind pflanzliche Sekundärmetabolite, die für ihre defensiven und allelopathischen Eigenschaften bekannt sind. Sie werden hauptsächlich in Pflanzen aus der Familie der Gräser (Poaceae) produziert, darunter auch in landwirtschaftlichen Nutzpflanzen wie Mais, Weizen und Roggen. Die Biosynthese von BXDs wurde in Mais ausgiebig untersucht und insbesondere der Biosyntheseweg für die benzoxazinoiden Hydroxamsäuren ist in dieser Pflanze vollständig aufgeklärt. Der Kernweg beginnt mit Indol-3-Glycerinphosphat, das mehrere Oxidationen, eine Glucosylierung und eine Methylierung durchläuft, die zu 2,4-Dihydroxy-7-methoxy-1,4-benzoxazin-3-on-Glucosid (DIMBOA-Glc) führt. DIMBOA-Glc ist das am häufigsten vorkommende BXD in unbeschädigtem Mais, wird jedoch nach Herbivorenfraß in eine Vielzahl anderer Verbindungen wie HDMBOA-Glc, DIM2BOA-Glc und HDM2BOA-Glc umgewandelt. In Zusammenarbeit mit den Gruppen von Dr. Georg Jander (Boyce Thompson Institute, Ithaca, USA) und Prof. Dr. Matthias Erb (Universität Bern, Schweiz) haben wir kürzlich die Enzyme identifiziert und charakterisiert, die an der Bildung von HDMBOA-Glc, DIM2BOA-Glc und HDM2BOA-Glc in Mais beteiligt sind (siehe Abbildung). Das Ziel der vorliegenden Studie ist es, entsprechende Enzym-Homologe in Weizen zu identifizieren und zu untersuchen, wie sie sich möglicherweise entwickelt haben. Vorläufige BLAST-Analysen mit dem Weizengenom ergaben keine direkten Orthologe, was auf eine konvergente Evolution des DIMBOA-Glc-Stoffwechsels in den Gräsern hindeutet. Da Pilzbefall die Umwandlung von DIMBOA-Glc in andere BXDs in Weizen induzieren kann, wird uns ein transkriptomischer Datensatz, der von nicht befallenen und pilzbefallenen Weizenpflanzen stammt, helfen, hochregulierte Kandidatengene zu identifizieren. Weiterhin sind wir daran interessiert, die Biosynthese von benzoxazinoiden Lactamen wie HMBOA-Glc sowohl in Mais als auch in Weizen aufzuklären. Diese Verbindungen werden neben benzoxazinoiden Hydroxamidsäuren häufig in den Blättern gefunden, aber die für ihre Bildung verantwortlichen Enzyme sind noch unbekannt und die biologischen Rollen dieser Verbindungen sind unklar.
Auswirkungen der interspezifischen Hybridisierung auf das Pflanzenmetabolom
Hybridisierung ist eine wichtige evolutionäre Kraft, die schätzungsweise 30-70 % unserer modernen Pflanzenarten beeinflusst hat. Die Gattung Baccharis (Asteraceae), die in Südamerika beheimatet ist, bietet ein gutes Modellsystem für die Untersuchung der Hybridisierung und ihrer Folgen, da hier mehr als 30 mutmaßliche interspezifische Hybridarten beschrieben worden sind. Eines dieser Beispiele ist Baccharis intermedia, eine Hybride aus den chilenischen Arten B. linearis und B. macraei. Während B. linearis ein weit verbreiteter Strauch im Binnenland ist, wächst B. macraei ausschließlich auf sandigen und küstennahen Böden. Die Hybride B. intermedia, die an den Berührungspunkten zwischen den beiden Elternarten vorkommt, scheint die von B. linearis und B. macraei besetzten räumlich getrennten ökologischen Nischen überbrücken zu können. Obwohl B. linearis und B. macraei eng verwandte Arten sind, unterscheiden sich ihre Sekundärstoffwechselprofile erheblich. Dies bietet die Möglichkeit, die Folgen der Vermischung sehr unterschiedlicher Pflanzenmetabolome zu untersuchen. In diesem Projekt wollen wir a) die chemische Vielfalt natürlicher Populationen von Baccharis spp. charakterisieren, b) die Auswirkungen der Hybridisierung auf das chemische Profil der Hybriden beschreiben und c) feststellen, ob die Kombination des enzymatischen Repertoires der Elternarten durch allelische Komplementarität zu einer neuen Chemie in den Hybriden führen kann.
Aufklärung der Biosynthese von Neo-Clerodan-Diterpenen und ihrer Rolle bei der Abwehr von Insekten
Die Gattung Baccharis ist dafür bekannt, dass sie eine breite Palette von Sekundärmetaboliten mit unterschiedlichen pharmakologischen, antimikrobiellen und antiparasitären Eigenschaften produziert. Die Diterpenoide von Baccharis weisen drei Haupttypen von Kohlenstoffskeletten auf: Kauran-, Labdan- und Neo-Clerodan-Skelette. Während Diterpene vom Neo-Clerodan-Typ weithin mit der Insektenabwehr in Verbindung gebracht werden, ist bisher nur wenig über ihren Biosyntheseweg und die verschiedenen enzymatischen Schritte bekannt, die zu ihrem charakteristischen Furan-Ring und dem α,β-ungesättigten Lakton führen, die beide strukturell mit verstärkten antifeedativen Eigenschaften verbunden sind.
Eines der in B. macraei am häufigsten vorkommenden Neo-Clerodan-Diterpene ist Bacchasmacranon. Der von uns vorgeschlagene Stoffwechselweg deutet darauf hin, dass Bacchasmacranon wahrscheinlich aus Hardwickisäure hergestellt wird, die für ihre entzündungshemmenden und antiparasitären Eigenschaften bekannt ist. Während sich Bacchasmacranon in den oberirdischen Teilen von B. macraei stark anreichert, werden weder es selbst noch seine mutmaßlichen Zwischenprodukte in Wurzelgeweben gefunden. Darüber hinaus scheinen der eng verwandten Art B. linearis die letzten enzymatischen Schritte zu fehlen, die für die Bildung von Bacchasmacranon verantwortlich sind, während sie in der Lage ist, Hardwickiinsäure und ein ausgeprägtes Diterpenoidprofil zu produzieren. Daher wollen wir in diesem Projekt a) den Stoffwechselweg aufklären, der für die Bildung von Bacchasmacranon verantwortlich ist, indem wir die inter- und intraspezifische Vielfalt der Diterpenprofile von B. macraei und B. linearis nutzen, b) das insektenabwehrende Potenzial von Bacchasmacranon und seinen verschiedenen Stoffwechselzwischenprodukten bestimmen und c) neue Diterpene durch Untersuchung des chemischen Raums von B. macraei und B. linearis identifizieren.