Gewebe- und zellspezifische Lokalisation der Alkaloidbiosynthese in Papaver somniferum L.

Abstract

Schlafmohn (Papaver somniferum L.) enthält neben den Analgetika Morphin und Codein über 80 verschiedene Alkaloide, die zur Klasse der Tetrahydrobenzylisochinolin-Alkaloide gehören. Bisherige Ergebnisse aus biochemischen Untersuchungen lassen auf eine Beteiligung mehrerer Zelltypen an der Biosynthese dieser Alkaloide schließen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die gewebespezifische Lokalisation mittels Immunofluoreszenzmikroskopie von fünf an der Alkaloidbiosynthese im Schlafmohn beteiligten Enzymen: Im ersten Abschnitt der Biosynthese von L-Tyrosin bis zu dem zentralen Intermediat (S)-Retikulin wurde die (R,S)-3'-Hydroxy-N-Methylcoclaurin-4'-O-Methyltransferase (4'OMT) ausgewählt. Ausgehend von (S)-Retikulin standen die (R,S)-Retikulin-7-O-Methyltransferase (7OMT), die zu Laudanin führt, sowie das Berberinbrückenenzym (BBE), das am Beginn der Benzophenanthridinalkaloid-Synthese steht, zur Verfügung. Spezifisch für den Morphinbiosyntheseweg wurden die Salutaridinol-7-O-Acetyltransferase (SalAT) und die Codeinonreduktase (COR) verwendet. Als Marker für die Milchröhren wurde zusätzlich ein Antikörper gegen ein Major Latex Protein hergestellt. In der Kapsel und im Stängel wurden die 4'OMT, die 7OMT und die SalAT in parenchymatischen Zellen und Geleitzellen der Leitbündel lokalisiert. Dagegen wurde die COR in den Milchröhren der Pflanze nachgewiesen. In jungen Wurzeln kurz nach der Differenzierungszone wurden die 4'OMT, die 7OMT und die SalAT im Perizykel des sich differenzierenden Zentralzylinders und das Berberinbrückenenzym in parenchymatischen Zellen der Wurzelrinde lokalisiert. Die COR konnte in den Milchröhrengliedern lokalisiert werden, die erst mit weiterer Wurzeldifferenzierung auftreten. Die Lokalisation der Transkripte durch in situ-Hybridisierung konnte für die 7omt- und die cor-mRNA durchgeführt werden. Beide Transkripte waren in Geleitzellen des Phloems im Stängelleitbündel lokalisiert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen eine Regulation der Alkaloidbiosynthese durch Kompartimentierung der unterschiedlichen Abschnitte der Biosynthese.

The opium poppy Papaver somniferum is the commercial source for the analgesics morphine and codeine. Along with these two morphinan alkaloids, opium poppy produces approximately eighty other alkaloids belonging to other tetrahydrobenzylisoquinolin-derived classes. Results from biochemical investigations suggested the involvement of multiple cell types in alkaloid biosynthesis in poppy. In this work, the tissue-specific localization obtained with immunofluorescence microscopy of five enzymes involved in alkaloid biosynthesis is reported: (R,S)-3'-hydroxy-N-methylcoclaurine 4'-O-methyltransferase (4'OMT) central to the biosynthesis of most tetrahydrobenzylisoquinolin-derived alkaloids, the berberine bridge enzyme (BBE) specific to the sanguinarine pathway, (R,S)-reticuline 7-O-methyltransferase (7OMT) specific to laudanosine formation, and salutaridinol 7-O-acetyltransferase (SalAT) and codeinone reductase that lead to morphine. In addition, major latex protein 15 was used as a marker protein for laticifer cells. In capsule and stem 4'OMT , 7OMT and SalAT are found predominantly in parenchyma cells and companion cells of the vascular bundle and COR is localized to laticifers. In developing root tip, 4'OMT, 7OMT and SalAT are found in the pericycle of the stele and the berberine bridge enzyme is localized to parenchyma cells of the root cortex. COR was localized to laticifer cells which occur later in root differentiation. An in situ-hybridisation of the transcripts was performed for the 7omt- and the cor-mRNA. Both transcripts were localized to the companion cells of the vascular bundle of the stem. These results indicate a regulation of biosynthesis by spatial separation of different parts of alkaloid biosynthesis.