PER ASPERA - ER-Architektur im Zusammenhang mit Produktivität im Samen

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) reguliert den Transport der Proteine und Lipide durch das sekretorische Endomembransystem der Pflanzenzelle. Das ER ist somit von grosser Bedeutung für die Speicherung von pflanzlichen Proteinen, die einen wichtigen Stellenwert in der menschlichen und tierischen Ernährung einnehmen. Das ER ist vom Aufbau her einzigartig und zeichnet sich durch eine hohe Dynamik aus, die mit der funktionellen Spezialisierung in verschiedenen Geweben und Entwicklungsstadien einhergeht. Aufbauend auf ein kollaboratives Netzwerk, das sich über die letzten fünf Jahre entwickelt hat, kombiniert das Konsortium Expertise in Molekular- und Zellbiologie, Biochemie, Mikroskopie und Getreidebiotechnologie, um ein tieferes Verständnis der Beziehung zwischen Struktur und Funktion des ER zu erlangen. Ziel des Projekts ist es, die Schlüsselproteine zu identifizieren, welche für die Morphologie des ER bestimmend sind, sowie ihre molekulare Funktion, Regulation und Interaktion zu erfassen. Dadurch soll die Interaktion zwischen Organellen im Detail erforscht werden. Besonderes Augenmerk soll auf die Kontaktstellen zwischen ER und Plasmamembran beziehungsweise Speichervakuolen gelegt werden. Durch das bessere Verständnis der Zusammenhänge und Mechanismen soll es möglich werden, die zentralen Proteine, die die Formgebung des Endomembransystems steuern, zu verändern, und damit die Synthese von Proteinen und Lipiden zu beeinflussen. Die Arbeit soll sowohl in Modellpflanzen als auch in Getreidesorten durchgeführt werden.

Das Endoplasmatische Retikulum (ER) ist ein Zellorganell, das den Transport von Proteinen und Lipiden im sekretorischen System der Zelle reguliert und als Speicherort für Proteine dient, die in der Ernährung von Mensch und Tier eine wesentliche Rolle spielen. Das ER hat eine einzigartige und dynamische Architektur, die sich je nach Zelltyp und Aufgabe verändern kann. Besonders in Speicherorganen wie etwa Samen bildet das ER weitere davon abgeleitete Organellen aus, die zur Akkumulation von Proteinen dienen, die für die spätere Keimung essentiell sind. In diesem kollaborativen Projekt wurden Expertisen aus den Bereichen der Pflanzenmolekularbiologie, Zellbiologie, Biochemie, Mikroskopie und Getreidegenetik kombiniert, um die Korrelation zwischen Struktur und Funktion des ER zu untersuchen. Im österreichischen Teil des Projektes wurde vor allem die Morphologie des ER während der Samenentwicklung von Getreide untersucht und die Formveränderung der Speicherorganellen dokumentiert. Es konnte gezeigt werden, dass es in Gerstensamen zu starken Veränderungen der Membranen kommt, und die Speichervakuolen fusionieren. Um die Bildung von Speicherorganellen in einfacheren Modellpflanzen untersuchen zu können, wurden vom ER abgeleitete Protein-speicherkörper in Blättern von Tabak induziert, wo sie normalerweise nicht vorkommen. In diesem System konnte auch das Anwendungspotential von Speicherorganellen für die Bioverkapselung von Antigenen gezeigt werden: die Verabreichung eines in pflanzlichen Proteinkörpern eingebetteten Antigens führte zu einer signifikant besseren Immunantwort als die Verabreichung des löslichen Antigens, und es konnte somit ein Adjuvans-effekt durch die Bioverkapselung erzielt werden. In einem anderen Teil des Projektes wurde die Bedeutung der ER Morphologie für die Bildung von Speicherorganellen untersucht. Zu diesem Zweck wurde der Effekt von Retikulons auf die Form und Zahl von Protein-speicherkörpern studiert. Retikulons sind Membranproteine im ER, die eine überwiegende Tubularisierung bewirken, sodass das Organell vor allem in Form von engen Membranröhren in der Zelle vorliegt, und weniger als plattenartige Zisternen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Formveränderung des ER Auswirkungen auf die Bildung von Speicherorganellen hat, und bei vermehrter Retikulon-Produktion die Zahl und Größe der Proteinkörper in der Zelle abnimmt.