Monolignoloxidoreduktasen in Arabidopsis thaliana

Lignin ist eines der Hauptbestandteile von Pflanzen und stellt eines der häufigsten organischen Polymere auf unserer Erde dar. Lignin wird aus kleineren Bausteinen aufgebaut, die als Monolignole bezeichnet werden. Diese werden von der Pflanzenzelle gebildet und anschließend außerhalb der Zelle zum Lignin zusammengefügt. Dadurch sind Pflanzen in der Lage die Schwerkraft zu überwinden und in die Höhe zu wachsen! Darüber hinaus schützt das Lignin die Pflanze auch gegen pflanzenfressende Feinde. Allerdings ist nur wenig darüber bekannt wie die Pflanze die Eigenschaften des Lignins verändern und anpassen kann. Kürzlich haben wir eine Familie von Enzymen entdeckt, sogenannte Monolignoloxidoreduktasen, die die chemischen Eigenschaften der Ligninbausteine verändern, indem sie die Alkoholgruppe der Monolignole zur Aldehydgruppe oxidieren. Die Monolignoloxidoreduktasen gehören zu einer weit verbreiteten Familie von Flavin-abhängigen Enzymen, die für eine Vielzahl biochemischer Reaktionen in der Pflanze genutzt werden. Wir vermuten, dass durch die Aktivität der Monolignoloxidoreduktasen das Verhältnis der Monolignole und ihrer korrespondierenden Aldehyde verändert wird und es dadurch zu einer Veränderung der Zusammensetzung des Lignins kommen könnte. In unserem Forschungsprojekt werden wir die Rolle dieser Enzyme für die Biosynthese und Veränderung des Lignins am Beispiel der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) untersuchen. Diese Blütenpflanze dient seit mehreren Jahrzehnten als Modell für die Erforschung von biochemischen, genetischen und physiologischen Prozessen in Pflanzen. Die Ackerschmalwand besitzt insgesamt fünf verschiedene Monolignoloxidoreduktasen, deren biochemische Eigenschaften untersucht werden sollen. Darüber hinaus werden wir auch bestimmen in welchen Geweben der Pflanze diese Enzyme aktiv sind und welchen Einfluß dies auf die Zusammensetzung des Lignins hat. Dafür werden modernste Methodenzum Einsatz kommen. Dadurchwirdes möglichdie Bedeutungder Monolignoloxidoreduktasen für die Bildung es Lignins bei der Entwicklung von Pflanzen zu verstehen. Gleichzeitig erhoffen wir uns Einblicke inwieweit Monolignoloxidoreduktasen die Pflanze gegen verschiedene Stressfaktoren, wie Trockenheit oder pflanzenfressende Insekten, schützen können. Dadruch werden wir nicht nur wertvolle Erkenntnisse zur Entwicklung von Pflanzen und deren Verteidigungsmechanismen erlangen, sondern auch Einsicht gewinnen, wie die Zusammensetzung des Lignins gezielt verändert werden kann, um diesen pflanzlichen Rohstoff besser nutzbar machen zu können. Die wissenschaftlichen Ziele sind nur durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit möglich und daher werden die Arbeitsgruppen von Peter Macheroux am Institut für Biochemie an der TU Graz und Tomas Werner am Institut für Biologie an der Universität Graz mit Kollegen am Weizmann Institute of Science (Prof. Aharoni) und dem Great Lakes Bioenergy Research Center in Wisconsin (Prof. Ralph) eng zusammenarbeiten.