Primärmetabolismus nematoden-induzierter Synzytien

Der pflanzenparasitäre Zystennematode Heterodera schachtii befällt neben einer großen Zahl von Kulturpflanzen auch die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Die Parasiten dringen in die Wurzeln ein, wo sie die Bildung eines Nährzellgewebes induzieren. Also obligate Parasiten sind die Nematoden vollständig von der Nährstoffversorgung durch die Pflanze abhängig. Die zur Verfügung gestellten Nährstoffe können entweder unverändert von den Parasiten aufgenommen werden, oder sie werden vom Metabolismus des Nährzellgewebes modifiziert, so dass für den Nematoden essentielle oder wichtige Stoffe synthetisiert werden. Nährstoffe werden außerdem von den Pflanzenzellen des Nährzellgewebes benötigt, um die strukturellen und funktionalen Veränderungen seiner Zellen zu ermöglichen. Die metabolischen Prozesse in nematodeninduzierten Nährzellgeweben sind bisher weitgehend unbekannt. Im hier beantragten Projekt sollen daher Produkte des Primärmetabolismus mittels GC-MS untersucht werden. Ferner soll mit Hilfe von stabilen Isotopen die Dynamik von verschiedenen Reaktionen und Synthesewegen analysiert werden. Basierend auf den Ergebnissen dieses ersten Teils des Projekts werden dann im zweiten Teil einzelne Synthesewege oder Enzymreaktionen im Detail untersucht. Hierfür werden einerseits molekularbiologische Methoden wie qRT-PCR und gene silencing eingesetzt, andererseits Enzymaktivitätsassays und Messungen einzelner Metaboliten durchgeführt. Die Ergebnisse aus dem Projekt werden neue Einblicke in die Funktionsweise nematodeninduzierter Nährzellen ermöglichen und damit signifikant zum besseren Verständnis des Wirt-Parasit-Verhältnisses beitragen. Gene silencing und T-DNA Insertionsmutanten liefern direkte Nachweise für die Funktion bestimmter Gene. Aus diesen Erkenntnissen können dann in Zukunft neuartigeStrategien für die Entwicklung nematodenresistenter Pflanzen entwickelt werden.

Pflanzenparasitierende Nematoden verursachen jährlich Schäden in Milliarden Eurobeträgen an weltweit wichtigen landwirtschaftlichen Kulturpflanzen. Die Parasiten dringen in die Wurzeln ein, wo sie die Bildung eines Nährzellgewebes induzieren. Als obligate Parasiten sind die Nematoden vollständig von der Nährstoffversorgung durch die Pflanze abhängig. Die zur Verfügung gestellten Nährstoffe können von dem Parasiten entweder unverändert oder von der Pflanze metabolisiert aufgenommen werden. Nährstoffe werden außerdem von den Pflanzenzellen des Nährzellgewebes benötigt, um die strukturellen und funktionalen Veränderungen seiner Zellen zu ermöglichen. Bisher ist nur wenig über metabolische Prozesse nematodeninduzierter Nährzellgeweben bekannt. In dem Projekt wurden Metabolite des Primärmetabolismus mittels GC-MS untersucht. Ferner wurden mit Hilfe von dem stabilen Kohlenstoffisotop 13C die Dynamik von verschiedenen Reaktionen und Synthesewegen untersucht. Die erhaltenen Daten wurden dann mit den Ergebnissen einer Transkriptomanalyse verglichen, die während eines früheren Projekts durchgeführt wurde. Die Datenintegration zeigte einen höchst spezifischen Primärmetabolismus der Nährzellengewebe, der sich signifikant von allen anderen Pflanzengeweben unterscheidet. Vor allem der Zuckermetabolismus war stark verändert, sowie die Synthese verschiedener Aminosäuren und phosphorylierter Metabolite. Mit Hilfe der Verteilung des 13C-Isotops konnte ferner gezeigt werden, dass Kohlenstoff auch rasch in Lipide und Makromoleküle eingebaut wurde. In vertiefenden Studien wurde zunächst die Rolle von Invertasen und Saccharose Synthasen für die kompatible Pflanzen-Nematoden-Interaktion untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass Nematodenentwicklung in Invertase und Saccharose Synthase Mutanten stark erhöht war. Das deutet darauf hin, dass die parasitären Nematoden einen hohen Saccharosegehalt bevorzugen, was auf einen erhöhten Energiebedarf schließen lässt. Ferner ist Saccharose ein wichtiges Kommunikationsmolekül im Pflanzenmetabolimus. In Nematoden-Attraction-Assays wurde der Cross-Talk zwischen dem Disaccharid und verschiedenen Pflanzenhormonen untersucht und ein signifikanter Einfluss auf die Nematodenattraktion herausgefunden. Schließlich wurde die Rolle des pflanzlichen Argininmetabolismus für die Nematodenentwicklung untersucht. Während eine reduzierte Argininbiosynthese einen positiven Effekt auf die Parasiten zeigt, beeinträchtigt sie ein reduzierter Argininverbrauch nicht. Die Ergebnisse aus dem Projekt werden neue Einblicke in die Funktionsweise nematodeninduzierter Nährzellen ermöglichen und damit signifikant zum besseren Verständnis des Wirt-Parasit-Verhältnisses beitragen.