Zelluläre Verteilung von Ascorbat, Glutathion, Salicylsäure

Pflanzen sind während der Entwicklung und des Wachstums ständig wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt. Wenn diese Bedingungen negative Auswirkungen auf den Pflanzenmetabolismus haben, werden sie als abiotischer (z.B. Starklicht, Schwermetallbelastung, Trockenheit, Salzstress) oder biotischer (z.B. Pathogenbefall) Stress bezeichnet. Pflanzen habe verschiedene Mechanismen entwickelt, um sich gegen solche Stressbedingungen zu schützen. Viele davon sind essentiell, um ein Überleben der Pflanzen zu sichern. Eines der wichtigsten Schutzsysteme ist der Askorbat-Glutathion Zyklus. Er entgiftet Sauerstoffradikale, die in Folge verschiedener Stresseinwirkungen in den Pflanzenzellen entstehen, und wichtige Zellkomponenten zerstören können. Deshalb wird das antioxidative Stresssystem der Pflanzen häufig als Stressindikator in pflanzenwissenschaftlichen Untersuchungen verwendet. Askorbat und Glutathion spielen wichtige Rollen in der Entgiftung von Sauerstoffradikalen, die sonst biologische Membranen, Proteine, RNA und DNA zerstören und zu Mutationen, Krebs und Zelltod führen können. Außerdem schützen sie Pflanze vor verschiedenen Herbiziden, Xenobiotika und Schwermetallen, die gebunden und in Vakuolen transportiert werden, wo sie eingeschlossen bleiben und der Zelle keinen Schaden mehr zufügen können. Eine weitere wichtige Rolle für den Schutz von Pflanzen gegen Stress spielt Salizylsäure. Sie spielt eine wichtige Rolle in der Ausbildung von Resistenz gegenüber Pflanzenpathogenen. Die Funktion von Salizylsäure wird von Sauerstoffradikalen beeinflusst. Deshalb spielt das Gleichgewicht zwischen Askorbat, Glutathion und Salizylsäure in verschiedenen Organen, Geweben und Kompartimenten eine wichtige Rolle in der Abwehr gegen abiotischer und biotischer Stresssituationen. Die Synthese und der Abbau von Askorbat, Glutathion und Salizylsäure in der Pflanze ist hoch kompartiment- spezifisch. Außerdem sind deren Bedeutungen in einzelnen Zellen während abiotischer Faktoren noch weitgehend unerforscht, da Untersuchungen des Glutathiongehaltes während abiotischer Stresssituationen fast ausschließlich in ganzen Organen (z.B. Blätter, Wurzel) und nicht in einzelnen Zellen bzw. deren Kompartimenten durchgeführt worden sind. Deswegen ist das Ziel dieser Arbeit mit cytohisto- und biochemischen Untersuchungen (Transmissions- Elektronmikroskopie, HPLC) Askorbat, Glutathion und Salicylsäure in einzelnen Zellen und deren Kompartimente während verschiedener abiotischer Stresssituationen (Starklicht, Schwermetalbelastung, Trockenheit, Salzstress, Bakterieninfektion) zu charakterisieren. Außerdem werden die Expression von Abwehrgenen, Phytochelatine und die subzelluläre Akkumulation von Sauerstoffradikalen untersucht. Um die Hypothese zu testen, dass kompartiment-spezifische Unterschiede eine wichtige Schutzfunktion während der oben genannten abiotischen Stresssituationen spielen, werden Untersuchungen an stresssensitiven und toleranten Arabidopsismutanten durchgeführt und mit dem Wildtyp Col-0 verglichen. Außerdem wird die Hypothese getestet, ob hohe Konzentrationen von Askorbat, Glutathion und Salizylsäure in bestimmten Kompartimenten (z.B. Plastiden während Starklichts, Trocken und Salzstress; Cytosol während Schwermetalbehandlung) essentiell sind, um Pflanzen gegen abiotischem Stress zu schützen. Die Daten aus den Untersuchungen dieses Projekts, werden das derzeitige unzureichende Wissen über die Rolle von Askorbat, Glutathion und Salizylsäure im Schutz gegen abiotischen Stress klären und mögliche Strategien für den Pflanzenschutz öffnen.

Die zunehmende industrielle und landwirtschaftliche Verwendung von Rohstoffen und die dadurch einhergehenden Freisetzung von Abfall- und Giftstoffen führt zum Globalen Wandel, von dem vor allem unser Klima stark betroffen ist. Extreme Klimaschwankungen von Temperatur und Niederschlag stellen ein zunehmendes Problem für die Landwirtschaft dar und führen zu großen Ernteausfällen. Antioxidantien wie Ascorbat und Glutathion spielen in der Abwehr von Pflanzen gegen Umweltstress eine bedeutende Rolle, da sie Sauerstoffradikale entgiften, die Aktivität von Enzymen regulieren und eine wichtige Rolle in der Regulierung von Abwehrgenen spielen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die subzelluläre Bedeutung von Ascorbat und Glutathion während verschiedener abiotischer Stresssituationen (Starklicht, Trockenheit, Salzstress, Schwermetallbehandlung) zu charakterisieren, um aufzuklären wie diese Antioxidantien in die Stressaufnahme, -weiterleitung und -abwehr im subzellulären Bereich eingebunden sind. Die Ergebnisse dieses Projektes zeigten, dass hohe Ascorbat- und Glutathionkonzentrationen in Chloroplasten und Peroxisomen eine bedeutende Schutzfunktion gegen Sauerstoffradikalbildung während Starklicht, Trocken- und Salzstress in Pflanzen spielen. Während dieser Stresssituationen konnte zum ersten Mal nachgewiesen werden, dass Wasserstoffperoxid sich in Vakuolen anreichert und dass Ascorbat Wasserstroffperoxid in Vakuolen entgiftet. Die verstärkte Symptomausprägung bei Pflanzen während Schwermetallbelastung (z.B. Cadmium) konnte in Zusammenhang mit niedrigen subzellulären Glutathionkonzentrationen gebracht werden. Dies unterstreicht die Bedeutung von Glutathion für die Entgiftung von Schwermetallen. Außerdem zeigten die Ergebnisse dieses Projektes, dass sich Glutathion während Bakterininfektionen (Pseudomonas syringae) in Peroxisomen anreichert und dass der Zusammenbruch des antioxidativen Schutzsystems in Peroxisomen mit zunehmender Symptomausprägung korreliert. Die Ergebnisse lieferten bedeutende Informationen über die Anpassung von Pflanzen an abiotischen Stresssituationen, die in weiterer Folge für die Entwicklung von Abwehr- bzw. Anpassungsstrategien angewendet werden können. Dies ist von großer Bedeutung für die Landwirtschaft, die mit stressresistenten Nutzpflanzen größeren Ernteausfällen -verursacht durch den Klimawandel-entgegenwirken könnte.