N-vironment - Die N-end Rule in der pflanzlichen Antwort auf Umwelteinflüsse

Die Veränderung von Pflanzen zur Erhöhung des Ernteertrags trotz wechselnder Bedingungen stellt eine wichtige Antwort auf Klimaänderungen und wachsende Unsicherheiten bezüglich des landwirtschaftlichen Umfeldes dar. Selektiver und konditionaler proteolytischer Abbau von Regulatorproteinen ist eines der wichtigsten Regulationsprinzipien in Pflanzen. Das Ziel des N-vironment Programms ist das vollständige, mechanistische Verständnis der Rolle des N-end rule Weges der Proteolyse bei der Kontrolle pflanzlicher Reaktionen auf Umwelteinflüsse. Um dieses Ziel zu erreichen, soll ein Consortium aus international führenden europäischen Gruppen gebildet werden, die Erfahrung in einem der zahlreichen Facetten des N-end rule Weges mitbringen, insbesondere in Bezug auf die biochemischen Basis des Abbauweges, die Reaktion auf Sauerstoffmangel, die Regulation von Stress und die metabolische Signaltransduktion. Am Projekt nehmen sechs Gruppen aus vier Institutionen teil, mit komplementärer Expertise in molekularen Pflanzenwissenschaften, Biochemie und Chemie. Das Programm des N-vironment Consortiums wird durch sechs miteinander verknüpfte Work Packages (WPs) erreicht, die von vier Partnern (drei finanziert durch ERA-CAPS und ein assoziiertes Labor) durchgeführt werden. Ziel der WPs ist die Beantwortung fundamentaler Fragen, welche, basierend auf kürzlich veröffentlichten Erkenntnissen von Consortiumsmitgliedern, die Rolle des N-end rule Weges als wichtigen Regulator der pflanzlichen Entwicklung und der Antwort auf Umweltbedingungen betreffen. Frage 1: Was sind die Substrate und Komponenten des N-end rule Weges ? Frage 2: Wie ist der N-end rule Weg in die zelluläre Signaltransduktion integriert ? Frage 3: In welchem Ausmaß beeinflusst der N-end rule Weg die zelluläre Antwort auf biotische und abiotische Umwelteinflüsse ? Das vorgeschlagene Forschungsprogramm führt zu innovativen Resultaten auf diesem neuen Gebiet der Pflanzenbiologie. Insbesondere bringt das Programm neue Erkenntnisse zu Mechanismen der Regulation von Proteinstabilität, zu Mechanismen der Wahrnehmung von Umweltstress, zu Funktionen von Proteinen in der Stressregulation, sowie zur Bedeutung des N-end rule Weges für die Tomate als agronomisch wichtige Pflanze. Der im Antrag thematisierte Bereich der molekularen Pflanzenbiologie entwickelt sich rasch und wird von Mitgliedern des Consortiums führend vertreten. So gehen die Entdeckung von Substraten, von Wegen des Eintritts in den Proteolyseweg und die erste Beschreibung von Komponenten auf Constortiumsmitglieder zurück. Es stehen viele Ressourcen exklusiv für dieses Kollaborationsprojekt zur Verfügung, was zu Synergismen in diesem Projekt beiträgt, sodass Europa mit Unterstützung von ERA-CAPS eine führende Rolle auf diesem Gebiet übernehmen kann.

Das Projekt >Die N-end rule in der pflanzlichen Antwort auf Umwelteinflüsse< wurde als EU- initiiertes ERA-CAPS Projekt zusammen mit zwei weiteren Gruppen, aus Großbritannien und Deutschland, sowie zwei assoziierten Gruppen aus Italien, durchgeführt. Im Zentrum stand die Rolle des Proteinabbauweges N-end rule pathway bei der Bewältigung von Umwelteinflüssen. Es konnte gezeigt werden, dass dieser Abbauweg in Pflanzen an der Messung der Sauerstoffkonzentration sowie an der Messung der Konzentration des Botenstoffes Stickoxid beteiligt ist. Als Resultat ergibt sich eine Vernetzung von Umwelteinflüssen mit der zellulären Transkriptionskontrolle, die das Überleben von Pflanzen unter Bedingungen der Überflutung (Sauerstoffmangel) sowie einer Reihe weiterer Stress- Bedingungen (welche niedrige Stickoxid Konzentration in der Zelle verursachen) ermöglicht. Der Empfänger der Forschungsförderung hat zur Aufklärung der Rolle von Stickoxid an der Transkriptionskontrolle beigetragen. Des Weiteren wurden Mutanten im N-end rule Abbauweg charakterisiert und den anderen beteiligten Gruppen für Versuche bereit gestellt, sowie Arabidopsis Linien mit Reporterkonstrukten bereitgestellt, mit deren Hilfe der N-end rule Proteinabbau in Pflanzen verfolgt werden kann. Ein Hauptaugenmerk lag auf der weiteren Untersuchung der Enzymologie des N-end rule Abbauweges. Dieser Weg besteht aus einem Set von Enzymen, welche die amino-terminale Aminosäure von Proteinen erkennen und je nach Natur dieser Aminosäure die proteolytische Zerstörung eines Proteins einleiten. Der Erkennungsfaktor für amino-terminales Leucin ist noch nicht bekannt. Es wurden Mutanten analysiert, die Defekte im Abbau eines Modellsubstrats mit amino-terminalem Leucin haben. Es konnte ein beteiligter Faktor identifiziert werden, doch gibt es weitere unbekannte Faktoren, sodass die endgültige Charakterisierung dieses neuen Abbauweges in die Zeit eines Folge-Projektes fallen wird. Parallel zur Charakterisierung der Mutanten wurde ein alternativer Weg erforscht, um Protein-Interaktionen des N-end rule Weges zu erkennen. Weiters wurden Proteine untersucht, welche Domänen enthalten, die an amino-terminale Reste binden können. Die Modellpflanze Arabidopsis hat mehrere Kandidatenproteine mit solchen Domänen. Diese wurden auf eine Rolle im Abbauweg untersucht.