Wie beeinflusst der Kupferhaushalt die pflanzliche EnTwicklung?
Überblick
Metalle wie Kupfer, Zink und Eisen sind aufgrund herausragender chemischer Eigenschaften aus der Evolution als essenzielle Kofaktoren hervorgegangen – unverzichtbar für die Funktionen einer Vielzahl von Proteinen und somit für alles Leben. Pflanzen sind mit der Herausforderung konfrontiert, dass die bioverfügbaren Konzentrationen dieser lebensnotwendigen Nährstoffe in Böden generell sehr niedrig und oft limitierend sind. Aufgrund dieser Tatsache ist es nachvollziehbar, und auch durch einzelne Resultate gestützt, dass der pflanzliche Metall-Ernährungsstatus einen regulatorischen Einfluss auch auf Entwicklungsvorgänge ausüben kann. Jedoch hat man dies und die zugrundeliegenden regulatorischen Mechanismen kaum gezielt untersucht. Zudem wurde die Verfügbarkeit von metallischen Nährstoffen in entwicklungsbiologischen Experimentalstudien bislang selten den Verhältnissen einer natürlichen Umwelt angenähert oder überhaupt kontrolliert.
Abbildung 1: Der Kupferstatus von Pflanzen beeinflusst die Entwicklung. Gezeigt wird Arabidopsis thaliana, die in hydroponischer Kultur unter Cu-Mangel (links, ohne Cu-Zusatz), Cu-ausreichenden Bedingungen (Mitte, 0,5 µM Cu) und Cu-Toxizität (rechts, 1,5 µM Cu) angezogen wurde.
Der pflanzliche Kupfer(Cu)-Ernährungsstatus hat einen starken Einfluss auf Fertilität und Blühzeitpunkt, aber die molekulare Entstehungsweise dieser Effekte ist nicht bekannt. Wohingegen mehrere Mitglieder der Arabidopsis thaliana Squamosa Promoter binding protein-Like (SPL) Transkriptionsfaktor-Proteinfamilie pflanzliche Entwicklungsvorgänge steuern, fehlt spl7 Mutanten der Transkriptionsfaktor, der eine Gruppe zentraler Cu-Mangelantworten reguliert. Diese Mutanten sind physiologisch Cu-defizienter als der Wildtyp. Darüber hinaus ist der Einfluss von Cu-Mangel auf den Blühzeitpunkt in spl7 Mutanten stark verändert. Das Ziel dieses Projekts ist die Identifikation regulatorischer Verbindungen zwischen Cu-Haushalt und der Kontrolle des Blühzeitpunkts, sowie Cu-Haushalt und der Wahrnehmung endogener Zucker, innerhalb der beteiligten molekularen Netzwerke. Unter Mikronährstoff-kontrollierten Wuchsbedingungen wird der Einfluss des Kupferstatus und des Funktionsverlusts von SPL7 auf den Blühzeitpunkt im Detail analysiert.
Darauf folgt eine revers genetische Analyse der Interaktionen zwischen Kupferstatus, Kupferhaushalt und dem regulatorischen Netzwerk der Blühzeitpunktkontrolle. Ziel ist auch die Charakterisierung der biologischen Funktionen der bislang weniger gut untersuchten Gruppe von SPL-Transkriptionsfaktoren, die nicht der Regulation durch microRNA156 unterliegen, im Kupferhaushalt und in der Metall-abhängigen Modulation der pflanzlichen Entwicklung.
Unsere Arbeiten werden Erkenntnisse liefern darüber, wie regulatorische Prozesse ausgelöst werden können in Abhängigkeit des pflanzlichen Status von Kupfer, dessen Kationen von allen essenziellen Metallen am stärksten an Ligandenmoleküle binden. Ein verbessertes Verständnis der Interaktionen zwischen dem Kupferhaushalt und der Steuerung des Blühzeitpunkts wird unser Wissen über die metabolische Kontrolle von Entwicklungsprozessen erweitern und ist essenziell für landwirtschaftliche Strategien zur Verbesserung der Menge und Qualität von Ernteprodukten auf Kupfermangelböden.
