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Arbeitsgebiete

I. Photo-oxidativer Stress

II. Anpassung an Kältestress

III. Zelluläre Signalwege bei Blattseneszenz und Kältestress

 

I Photooxidativer Stress: biochemische und molekulare Mechanismen und Strategien der Stress-Toleranz

Über die Pigmentsysteme und Reaktionen der Photosynthese können in grünen Pflanzen reaktive sog. "aktivierte Formen" des Sauerstoffs entstehen. Aktivierter Sauerstoff tritt verstärkt bei CO2-Mangel und unter Stressbedingungen auf, wenn das NADPH nicht ausreichend schnell durch die CO2-Assimilation verbraucht wird und es zu einem Stau von Anregungsenergie im Elektronentransport der Photosynthese kommt. Reaktive Sauerstofformen können Membranen, Pigmente, Proteine, Nukleinsäuren angreifen, und dieser "oxidative Stress" kann letal für die Pflanze sein. Daher verfügt die Pflanze über zahlreiche Schutzmechanismen zur Vermeidung bzw. Entfernung aktivierter Sauerstofformen ("Antioxidantien").Trotz vielfältiger Schutzmechanismen werden bei den meisten Pflanzen bestimmte, gerade für die Photosynthese unentbehrliche, Proteine durch Licht geschädigt. Das D1-Protein aus dem Reaktionszentrum des Photosystems II (PSII) und das Enzym Katalase, welches die Entgiftung von H2O2 in den Peroxisomen katalysiert, werden im Licht inaktiviert, abgebaut und müssen durch Neusynthese ersetzt werden (Reparatur). Dieser "Turnover" nimmt mit der Lichtintensität zu. Die Reparaturmechanismen müssen ständig genau kontrolliert und den Lichtbedingungen angepasst werden. Die Neusynthese für die Reparatur wird sowohl für das D1-Protein als auch für die Katalase auf der Ebene der Translation reguliert. Die Analyse translationaler Kontrollmechanismen bei der Synthese der Katalase bildet derzeit einen Arbeitsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe. Wenn die Reparatur-Kapazität nicht mehr Schritt halten kann, kommt es zur Hemmung des PSII der Photosynthese ("Photoinhibition") und zu einem Verlust der Katalase. Damit geht eine wichtige Komponente des antioxidativen Schutzes verloren. Die Folge sind Ertragseinbußen und verstärkte photooxidative Schäden, die vor allem unter Stressbedingungen, z.B. bei hoher Lichtintensität, Hitze, Kälte, Salzstress, Schadstoffbelastung, auftreten. Es gibt jedoch Pflanzen, die an extreme Umweltbedingungen angepasst sind. Sie müssen eine ausreichende Stress-Toleranz entwickelt haben und Lichtschäden wirksam vermeiden können. Beispiele, an denen wir Mechanismen der Stress-Toleranz erforschen, sind z. B. Kälte-gehärtetes Wintergetreide (das bei niedriger Temperatur gewachsen ist und den Winter überdauern kann) und alpine Hochgebirgspflanzen, die unter extrem ungünstigen Umweltbedingungen mit einer sehr kurzen Vegetationsperiode zu leben gelernt haben. In einer alpinen Hochgebirgspflanze (Homogyne alpina L.) wurde eine lichtstabilere Katalase gefunden und kloniert. Sie wird in Insektenzellkulturen heterolog exprimiert, um die für die Stabilität bzw. Lichtempfindlichkeit der Katalasen verantwortlichen Strukturen bzw. Sequenzbereiche zu untersuchen.

II. Anpassung an Kältestress

Viele Pflanzen können sich an niedrige Temperaturen akklimatisieren. Das erfordert die Expression besonderer Kälte-spezifischer Gene, durch deren Zusammenwirken und daraus resultierenden Änderungen des Stoffwechsels Kälte-bedingte Schäden vermieden werden. Diese umfassen einerseits die Proteine bzw. Enzyme, welche für den Schutz gegen Kälteschäden verantwortlich sind, und andererseits Regulationsfaktoren, welche die Expression dieser Proteine kontrollieren.  

III. Zelluläre Signalwege bei Blattseneszenz und Kältestress

Umwelt- oder entwicklungsbedingte Veränderungen führen in höheren Pflanzen zur differentiellen Genexpression. Dabei werden charakteristische zelluläre Signalwege beschritten, um spezifische Gene an- oder auszuschalten. Komponenten wie Transkriptionsfaktoren, Kalziumionen und Proteinkinasen sind daran beteiligt. Faktoren, die bei der zellulären Signaltransduktion bei Kältestress und Seneszenz in Mais und Tabak eine Rolle spielen, wurden charakterisiert. Die Funktion dieser regulatorischen Proteine soll aufgeklärt und weitere Signalmoleküle identifiziert werden. Hierzu werden moderne Methoden der Molekularbiologie zur Untersuchung von DNA/Protein- und Protein/Protein-Interaktionen eingesetzt. Das Projekt wird in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Prof. Kusano an der Tohoku-University, Sendai, Japan, durchgeführt.Drittmittelfinanzierung der Forschungsarbeiten.

Die Forschungsarbeiten des Arbeitskreises wurden durch Sachbeihilfen der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

 

geändert am 16. August 2012  E-Mail: Webmasterm.fauth@bio.uni-frankfurt.de

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Druckversion: 16. August 2012, 07:18
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