Die Rolle der Sanguinarinreduktase in der Kontrolle des Benzophenanthridin-Metabolismus in Pflanzen

Abstract

Die Sanguinarinreduktase (SR) reduziert die von Eschscholzia californica produzierten hochgiftigen Benzophenanthridinalkaloide zu den weniger toxischen Dihydroalkaloiden. Der Kontakt mit einem Elicitor führt über eine Signalkette zur Hochregulation der Alkaloidbiosynthese. Mechanismen zur Limitierung der Alkaloidbildung waren bisher nicht bekannt. Die Ergebnisse aus dem RNAi-basierten silencing der SR zeigen, dass die Kapazität der Alkaloidbiosynthese stark von der Aktivität der SR abhängt, da deren Substrat und Produkt einen großen Einfluss auf die Signalkette und den Biosynthesefluss haben. Dieser selbstregulatorische Mechanismus stoppt die Alkaloidbiosynthese oberhalb einer kritischen Konzentration. Ein erstmaliges Screening nach Gen, Protein und Aktivität der SR in einer Vielzahl von Pflanzen zeigt, dass die SR eine Erfindung der frühen Dikotyledonen ist. Für die Entstehung des Enzyms aus einem inaktiven Vorläuferprotein waren mehrere Mutationen im aktiven Zentrum und der Erwerb eines für die Aktivität notwendigen Inserts erforderlich. Den Selektionsdruck lieferte wahrscheinlich die Toxizität der Benzophenanthridine.

Cultured cells of Eschscholzia californica harbour the cytoplasmatic enzyme sanguinarine reductase (SR) reducing benzophenanthridines to less-toxic dihydroalkaloids. These cells react to microbial elicitors with a burst of alkaloid formation. While the signal path leading to the overexpression of biosynthetic enzymes is well-known, it is not clear how the biosynthesis of toxic phytoalexins is limited in order to avoid compromizing the fitness of the producing cells. Results of the RNAi-based silencing of SR reveal an intense regulatory impact of its substrate and product on the alkaloid biosynthesis indicating a self-regulatory mechanism that stops the overproduction above a critical level of accumulation. This multi-site control is a novel example of control proteins associated with the biosynthetic chain. A multitude of plants were screened by PCR for the presence of DNA sequences homologous to the gene of SR. The same plants were tested immunologically for the protein of SR as well as for sanguinarine-reducing activities. In conclusion, SR must have evolved in the early eudicots under the selection pressure of benzophenanthridine toxicity.