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Der Metabolismus des Schwefels in Pflanzen: Knotenpunkt von Grundstoffwechselwegen und molekularen Stressresistenzen / FOR 383

Sulfur Metabolism in Plants: Junction of Basic Metabolic Pathways and Molecular Mechanisms of Stress Resistance

15.09.2003

Programmbeschreibung / Programme Summary

Ausgehend von Cystein (Cys) synthetisieren Pflanzen ein komplexes Spektrum S-haltiger Verbindungen mit vielfältigen physiologischen Funktionen. Hierzu zählen u.a. das Tripeptid Glutathion (GSH), welches bei der Abwehr abiotischer Stressoren (reaktive Sauerstoffspezies, Schwermetalle) eine zentrale Rolle spielt, aber auch verschiedene Komponenten der Pathogenabwehr: Glucosinolate als sekundäre S-Verbindungen, S-reiche Proteine der Thionin-Familie, und aus Cys freigesetztes H2S. Da aber aktiviertes Sulfat (APS) und Cys zugleich zentrale Komponenten des Grundstoffwechsels und wichtiger Strukturelemente (z.B. Sulfolipide) sind, mussten Pflanzen Strategien entwickeln, um S-Verfügbarkeit und -Nachfrage im Verlauf der pflanzlichen Entwicklung mit den Anforderungen der Stressabwehr zu koordinieren. Zentrales Ziel der Forschergruppe ist die Erstellung eines Modells zur Koordination der S-Assimilation mit der Synthese von GSH, Glucosinolaten, S-reichen Abwehrproteinen und H2S unter Einsatz molekularphysiologischer und zellbiologischer Methoden. Die Analyse von Pflanzen unterschiedlicher Wuchsform (Arabidopsis thaliana, Brassica napus/juncea, Populus tremula/alba) erlaubt es, die Bedeutung eines spezifischen Sekundärstoffmetabolismus (Glucosinolate bei den Brassicaceen) bzw. die Bedeutung des Wuchstyps (krautige Pflanze vs. Baum) zu erfassen. Der Einsatz transgener Pflanzen mit veränderter Expression einzelner Gene erlaubt die Abschätzung ihrer Bedeutung für die Stressabwehr. Die Integration von Freilanduntersuchungen in den Forschungsansatz eröffnet die Perspektive, die Bedeutung der S-Ernährung-vermittelten Pathogenabwehr hinsichtlich ihrer Relevanz für den Nutzpflanzenanbau zu evaluieren.

Starting from the amino acid cysteine (Cys), higher plants synthesize a complex spectrum of S-compounds with diverse physiological functions. Among these are the tripeptide glutathione (GSH), which is central to the response against abiotic stressors (reactive oxygen species, heavy metals), but also several pathogen-directed defense compounds: Glucosinolates as secondary S-metabolites, S-rich PR proteins of the thionin-type, and H2S released from Cys. As activated sulfate (APS) and Cys are also basic components of primary metabolism and structural compounds (sulfolipids, proteins), plants had to develop strategies to reconcile S-availability and S-demand during plant development with the requirements of different stress responses. The major goal of the research unit is to develop a model for the coordination of S-assimilation with the synthesis of GSH, glucosinolates, S-rich defense proteins and H2S, using an integrated approach based on the tools of molecular physiology and cell biology. The comparative approach with plants of different physiotype (Arabidopsis thaliana, Brassica napus/juncea, Populus tremula/alba) will allow to address general and species-specific mechanisms, in particular the role of a luxuriant secondary metabolism (glucosinlates) and the impact of different growth patterns (herbaceous plant versus tree). The use of transgenic plants with changed expression of single genes will allow to assess their contribution to the overall stress response. The integration of field experiments will help to evaluate the relevance of S-nutrition-mediated defense reactions for resistance under field conditions.

Sprecher / Spokesperson:

Professor Dr. Thomas Rausch
Heidelberger Institut für Pflanzenwissenschaften (HIP) Abt. Molekulare Ökophysiologie der Universität Heidelberg
Im Neuenheimer Feld 360 · 69120 Heidelberg
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