Biosynthese und Funktionen von Jasomonaten - eine zellbiologische Analyse

Abstract

Die Arbeit beschreibt der Analyse der Jasmonatbildung und -wirkung in pflanzlichen Modellsystemen: (1) Gerste als monokotyle Pflanze mit besonders abundantem Auftreten von Jasmonat-induzierten Proteinen; (2) Tomate als bestuntersuchte Pflanze für die pflanzliche Wundantwort; (3) Arabidopsis als wichtiges Modell der pflanzlichen Molekulargenetik; und (4) Medicago truncatula als Modellpflanze der arbuskulären Mykorrhiza. Die Fragestellungen wurden vorrangig mittels zellbiologischer und molekulargenetischer Methoden bearbeitet. Der Schwerpunkt lag neben der Analyse der intrazellulären und gewebespezifischen Lokalisation der Biosyntheseenzyme in Beiträgen zur Funktionsanalyse von JA und JA-regulierten Prozessen. Hierzu wurden Jasmonat-induzierbare Proteine (JIPs) charakterisiert, um einerseits deren Funktion zu klären und sie andererseits als Reporter einer Jasmonatwirkung nutzen zu können. Gleichzeitig wurden die zellbiologischen Arbeiten durch molekularbiologische (Analyse von Jasmonat-induzierten Veränderungen der Genexpression, Ansätze zur reversen Genetik mittels transgener Pflanzen) und biochemische (Bestimmung des endogenen Gehalts an Jasmonsäure und ihrer Metaboliten) Ansätze ergänzt. Die für die pflanzliche Entwicklung gewonnenen Daten zeigen, dass spezifische Gewebe des Keimlings (Gerste) bzw. der Blüte (Tomate und Arabidopsis) die Gene der JA-Biosyntheseenzyme exprimieren. Diese Expression führt zu einer Akkumulation von Jasmonaten, die in einem spezifischen Oxylipin-Muster des jeweiligen Organs resultiert. Hinsichtlich der Reaktion der Pflanze auf Stress wurde mittels der Ergebnisse zum spezifischen Vorkommen der JA-Biosyntheseenzyme und der JA-Bildung in den Leitgeweben ein Modell entworfen, das eine Amplifikation der Wundantwort in der Pflanze beschreibt. Weiterhin spielen Jasmonate auch in der Stressantwort der Wurzel eine Rolle: Am Beispiel der Symbiose mit arbuskulären Mykorrhizapilzen wurde gezeigt, dass Jasmonate für die Funktion dieser Interaktion wichtig sind.

The work describes the analysis of formation and function of jasmonic acid (JA) in several plant species used as models: (1) barley as monocotyledonous plant with abundant occurrence of JA-induced proteins; (2) tomato as the best-investigated plant species in respect to the wound response; (3) Arabidopsis as an important model of plant molecular genetics; and (4) Medicago truncatula as model of arbuscular mycorrhiza. Analyses of all these plants were carried out mainly by cell biological and molecular methods. A focus of the work was the intracellular and tissue-specific localization of enzymes involved in the biosynthesis of JA. Furthermore, functional analysis of JA and JA-regulated processes was done by characterization of JA-induced proteins (JIPs). Consequently, JIPs could be used as reporters for the occurrence and signalling properties of jasmonates. The cell biological work was complemented by molecular biological (analysis of altered gene expression caused by jasmonates, analysis of transgenic plants) as well as biochemical (determination of endogenous levels of JA and JA-derivatives) approaches. Data on plant developmental stages showed that the expression of genes coding for enzymes of JA biosynthesis takes place tissue- and cell-specifically in seedlings (barley) and flowers (tomato and Arabidopsis). The expression was accompanied by an accumulation of JA and JA-derivatives leading to an specific oxylipin profile in such plant organs. Enzymes of JA-biosynthesis and the formation of JA were found to occur specifically in vascular tissues of tomato. A model was created how the amplification in plant wound response may occur by JA. Jasmonates were also found to play a role in stress responses of plant roots. As exemplified for the symbiosis with arbuscular mycorrhizal fungi, we showed that JA is essential for the establishment of this symbiotic interaction.