Projekte des TRR 175

Chloroplasten-Ribonukleoprotein CP29A - Anpassung chloroplastidärer RNA-Pools während der Kälteakklimatisierung

Das RNA Bindeprotein CP29A bildet kälteinduzierte Granuli mit Hilfe einer prionenähnlichen Domäne, die für Spleißen und Translation in der Kälte relevant ist und besonders in jungen Geweben ihre Wirkung entfaltet. Wir werden die Bestandteile der CP29A-Granula bestimmen, genetische Interaktoren identifizieren, und kälteinduzierte molekulare Läsionen im Sprossapex der cp29a Mutante bestimmen. Ein bereits identifizierter, zur Phasentrennung befähigter Interaktionsparter ist die RNA Helikase RH3, deren Rolle in der Kälteakklimatisierung wir ebenfalls funktionell untersuchen werden

Licht- und kälteabhängige Integratoren der Chloroplasten-Genexpression und des C-Metabolismus in Chlamydomonas

Niedrige Temperaturen sind eine der größten abiotischen Herausforderungen, die das Wachstum und Überleben phototropher Organismen durch Beeinträchtigung der Photosynthese einschränken. Im Rahmen unseres Projekts haben wir den Integrator NTRC (NADPH-abhängige Thioredoxin-Reduktase C) im Chloroplasten als Redox-Regulator des Calvin-Benson-Bassham (CBB)-Zyklus-Proteins 12 (CP12) entdeckt.

NTRC moduliert damit den C-Stoffwechsel unter kalten Bedingungen in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii. Um den molekularen Mechanismus der NTRC-Funktion weiter aufzuschlüsseln, werden wir seine Wechselwirkung mit einem neu identifizierten Interaktionspartner, dem 2Fe-2S-Cluster-haltigen Protein NEET, untersuchen. Mithilfe modernster genetischer, biochemischer und bildgebender Verfahren wollen wir die molekulare Dynamik und räumliche Organisation des NTRC/CP12/NEET-Systems aufklären und untersuchen, wie es mit extremen Licht- und Kältestressbedingungen umgeht.

Plastiden-vermittelte Akklimatisationskinetiken in Pflanze-Pflanze-Pathosystemen

Unsere bisherigen Studien mit parasiteninfizierten Arabidopsispflanzen zeigten, dass sich das Expressionsmuster von Genen für plastidäre Proteine, wie CP31A und HMOX1, unter ungünstigen Bedingungen verändern, wohingegen CP31A-defiziente, parasiteninfizierte Arabidopsispflanzen eine verbesserte Fitness aufwiesen. In diesem Projekt sollen mittels Genkomplementationen, Knockdowns, RIP-Seq und Elektronenmikroskopie, die Funktionen dieser Gene unter Stressbedingungen untersucht werden. Werden wir dadurch Akklimatisationsregulationswege in nicht photosynthetisch aktiven Plastiden aufklären.

The role of cold acclimation in C. ohadii physiological and transcriptional responses to extreme illumination stress

C.ohadii, kürzlich aus biologischen Sandkrusten (BSC) in der Wüste isoliert, einer der rauesten Umgebungen der Erde, weist eine beispiellose Resistenz gegenüber extremer Lichteinstrahlung (EIL) und sehr hohen Photosyntheseraten auf.

Um spezifische EIL-Reaktionselemente von C. ohadii zu untersuchen, konzentrierten sich die meisten bisherigen Arbeiten auf EIL-Stress während des Wachstums bei optimaler Temperatur, wobei die Frage, wie C. ohadii mit Kälte-/EIL-Stress in den frühen Morgenstunden in der Wüste umgeht, außer Acht gelassen wurde. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie C. ohadii seine bemerkenswerte Photosyntheseeffizienz während EIL in der Kälte durch bisher unentdeckte transkriptionelle und translatorische Regulation aufrechterhält. Wir werden die Bedeutung der identifizierten molekularen Mechanismen, die C. ohadii Resistenz gegen Kälte-EIL verleihen, durch gentechnische Veränderungen von Chlamydomonas reinhardtii weiter untersuchen.

Die Rolle von Thioredoxinen und der Regulation des Stärkestoffwechsels in der Licht- und Temperaturakklimatisation

In diesem Projekt untersuchen wir die Rolle des Thiol-Redox-Systems der Chloroplasten und des nachgeschalteten Stroma-Stoffwechsels bei der dynamischen Akklimatisierung an wechselnde Lichtintensitäten und niedrige Temperaturen bis hin zu Frostbedingungen. In unseren früheren Arbeiten haben wir festgestellt, dass sowohl das NTRC der Chloroplasten als auch der Stärkestoffwechsel entscheidende Mediatoren für die Kälteakklimatisierung und Frosttoleranz sind, während NTRC und die Thioredoxine m1 und m2 für die Akklimatisierung bei schwankenden Lichtintensitäten unverzichtbar sind. Nun wollen wir die Mechanismen, die diesen Reaktionen in Arabidopsis-Pflanzen zugrunde liegen, im Detail analysieren.

Die Funktion chloroplastidärer Zucker und der plastidären Hüllmembran während der Kälteakklimatisation

Die funktionellen Details der Zuckerakkumulation im Stroma während der Kälteakklimatisierung sind nur unzureichend verstanden. Wir haben weitere Belege dafür gefunden, dass Zucker im Chloroplasten an der Kälteakklimatisierung beteiligt sind, einen neuen Zuckertransporter im Chloroplasten identifiziert, der Einfluss auf die Frosttoleranz hat, und gezeigt, dass die Zuckerhomöostase im Stroma den Signalaustausch zwischen Chloroplasten und Zellkern beeinflusst. Ein differentielles Proteom der Hülle identifizierte neue Akklimatisierungsmodulatoren.

Unsere vorgeschlagene Arbeit trägt zum Verständnis bei, wie diese Modulatoren die Akklimatisierung funktionell beeinflussen, erweitert unser Verständnis der Signalübertragung zwischen Chloroplasten und Zellkern während der Akklimatisierung und zeigt, wie Chloroplasten die Proteinhäufigkeit der Hülle regulieren, was einen entscheidenden Einfluss auf die Akklimatisierung hat.

Einfluss der Ascobat basierten Signalübertragung auf den plastidären Metabolismus und die Photosynthese

Unser Projekt entschlüsselt Komponenten der Wahrnehmung und Signalwirkung von Ascorbat. In der nächsten Förderperiode werden wir die Rolle des PAS/LOV PROTEINS bei der Lichtakklimatisation und dessen Zusammenspiel mit anderen Lichtrezeptoren untersuchen. Zudem werden wir die Rolle anderer mutmaßlicher Regulatoren der Ascorbat-Biosynthese untersuchen und Signalkomponenten des Primärstoffwechsels identifizieren, aufbauend auf unserer Genome-Wide Association Study (GWAS). Außerdem wollen wir den Einfluss von Ascorbat auf die Regulierung des pflanzlichen Methyloms untersuchen. Schließlich werden wir EMS-Kandidaten zu validieren, um neue Signalkomponenten des Ascorbat-Signalwegs zu identifizieren, die die Photosynthese beeinflussen.

Akklimatisation von Transportprozessen über die Chloroplasten Hüllmembranen

Der Austausch von Komponenten zwischen Chloroplasten und dem Zytosol ist nicht nur für die Aufrechterhaltung grundlegender Zellfunktionen von entscheidender Bedeutung, sondern ermöglicht auch eine feine Regulierung als Reaktion auf herausfordernde Umweltreize. Metaboliten müssen bidirektional über die Membranen der Chloroplastenhülle transportiert werden, da der Chloroplast der Ort der Synthese einer Vielzahl von Stoffwechselverbindungen ist. Die Ergebnisse der ersten Förderperiode deuteten auf eine deutliche Beteiligung mehrerer Metabolitenkanalproteine der äußeren Hülle an der Kälteakklimatisierung hin. Zum einen wurde JASSY neu als OPDA-Transportkanal in der äußeren Chloroplastenhülle identifiziert. Als nächstes wurde gezeigt, dass OEP23, ebenfalls ein Kanalprotein der äußeren Hülle mit bislang unbekannter Spezifität, in seiner Häufigkeit unter Kälteakklimatisierung reguliert wird. Die Rolle von JASSY und OEP23 wird hinsichtlich ihrer Funktion, Regulation und Struktur mit besonderem Schwerpunkt auf Akklimatisierungsreaktionen untersucht werden.

Akklimatisation an wechselnde Lichtintensitäten: zyklischer Elektronentransport

Die Thylakoidmembranproteine PGR5 und PGRL1 sind am zyklischen Elektronenfluss (CEF) beteiligt und spielen eine entscheidende Rolle für die Pflanzenentwicklung unter wechselnden Lichtverhältnissen. Kürzlich haben wir herausgefunden, dass PGRL1 die Menge und Aktivität von PGR5 reguliert, anstatt eine wesentliche strukturelle Komponente des CEF zu sein. In diesem Projekt wollen wir die Regulation des PGR5-abhängigen CEF durch PGRL1 und andere Proteine untersuchen. Wir werden die Wechselwirkung des CEF mit anderen Elektronentransportwegen in Chloroplasten analysieren und Ansätze zur Verbesserung der Akklimatisierung durch Modifizierung regulatorischer Komponenten des CEF entwickeln und testen.

Die molekulare Funktion der Uracil Phosohoribosyltransferase (UPP) in der Proteostase des Chloroplasten und ihr Effekt auf die Akklimatisation

UPP weist eine Moonlighting-Funktion auf, die für die Chloroplastenentwicklung unerlässlich ist. Proteomanalysen mit entsprechenden amiRNA-Linien, gefolgt von einer GO-Term-Analyse, zeigten eine gestörte Proteostase, wenn UPP begrenzt war. In Übereinstimmung damit wurden eine beeinträchtigte Chloroplasten-Translationskapazität und Photosyntheseeffizienz sowie eine verringerte Elektronenlöschung (NPQ) beobachtet. Ein mutmaßliches Ziel von UPP wurde im Rieske-Eisen-Schwefel-Protein PetC identifiziert, das in den entsprechenden Mutanten weniger häufig vorkam. Dies führte zu einer Blockade des Elektronentransports und einer Hochregulation der Thylakoid-gebundenen FtsH-Proteasen, die für die Reparatur des beschädigten D1-Proteins von zentraler Bedeutung sind. Während dieser Förderperiode ist es unser Hauptziel, die molekulare Funktion von UPP aufzuklären. Dazu werden Interaktionsanalysen (TurboID, Co-IP) durchgeführt, um die direkten Interaktionspartner von UPP zu identifizieren. Wir erweitern unsere Analyse auf das Einzellmodell Chlamydomonas, wo ein entsprechendes UPP-Homolog identifiziert werden konnte. Die Herunterregulierung von Chlamy UPP durch induzierbare amiRNA-Konstrukte zeigte eine Herunterregulierung von UPP und PetC in ähnlichem Ausmaß, begleitet von Chlorose und einer Beeinträchtigung der Photosyntheseausbeute.

Untersuchung des K+ Transports über die innere Hüllmembran der Chloroplasten, um die Bedeutung der plastidären Ionenhomöostase für die Akklimatisation zu entschlüsseln

Die pflanzliche Anpassung an Umweltveränderungen ist partiell abhängig von Ionentransportern in der inneren Chloroplastenhüllmembran (IM). Wir fokussieren uns auf KEA und PEC Familienmitglieder. Zunächst werden wir die Struktur von IM KEA aufklären. In der Alge Chlamydomonas konnten wir eine neue Funktion für IM KEA bei der Anpassung an Hochlicht feststellen. Diese werden wir detailliert studieren. Im zweiten Teil werden wir Arabidopsis Mutanten einsetzen, um den Zusammenhang zwischen PEC-Funktion und der von abiotischem Stress induzierten stromalen Ca2+-Signale zu untersuchen. Im Fokus steht unsere Entdeckung, dass Jasmonsäure PEC und stromales Ca2+ steuert.

Zusammenspiel von Chloroplastensignalen und nukleo-zytoplasmatischer Prozesse bei Akklimatisationsantworten

Die Chloroplastenbiogenese ist für die ordnungsgemäße Entwicklung von Pflanzen und ihre Anpassung an die Umwelt unverzichtbar und hängt vom Licht sowie vom umfangreichen Informationsaustausch zwischen Chloroplasten und dem nukleozytoplasmatischen Kompartiment ab. Mehrere Hinweise deuten darauf hin, dass Störungen der Homöostase der Plastidengen-Expression (PGE) regelmäßig zur Aktivierung von Akklimatisierungs- und Toleranzreaktionen führen, vermutlich über retrograde Signalwege. Wir haben den Proteinphosphatase7-ähnlichen (pp7l) Mutanten identifiziert, der eine verzögerte Chloroplastenentwicklung aufweist. Interessanterweise beeinträchtigt der Verlust von PP7L die Translation und die Reifung der ribosomalen RNA (rRNA) in Chloroplasten, obwohl sich PP7L im Zellkern befindet. Darüber hinaus haben wir PP7L als Integrator von Reaktionen auf Umweltveränderungen entdeckt. Die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Chloroplastensignal- und Wahrnehmungswegen im Zellkern und im Zytoplasma ist von grundlegender Bedeutung, um unser Verständnis davon zu verbessern, wie Pflanzen eine sich verändernde Umwelt wahrnehmen und darauf reagieren. In diesem Projekt wollen wir PP7L nutzen, um die Zusammenhänge zwischen chloroplastenabgeleiteten und nukleozytoplasmatischen Prozessen bei der Chloroplastenbiogenese und den Akklimatisierungsreaktionen zu entschlüsseln.

Analyse der `chloroplast unfolded membrane protein response´ in plastidären Membranen in Chlamydomonas reinhardtii

Erhöhte Temperaturen und Lichtintensität stellen eine Herausforderung für die Proteinhomöostase in Pflanzenzellen dar, da sie die Geschwindigkeit der thermischen und oxidativen Proteinentfaltung erhöhen. Unsere Ergebnisse deuten auf die Existenz eines Qualitätskontrollsystems für Chloroplastenproteine hin, das Proteinaggregate, die sich in oder an den Thylakoidmembranen gebildet haben, erkennen und beseitigen kann. Dieses Qualitätskontrollsystem für Proteine ist der Kern der Chloroplasten-Unfolded-Membrane-Protein-Response (cpUMPR). Das Ziel dieses Projekts ist es, die Komponenten dieses Qualitätskontrollsystems und seine Substrate zu charakterisieren und die Auslöser, Sensoren und Signaltransduktionskomponenten der cpUMPR aufzuklären.

Mechanisms and components of STN7- and GUN1-dependent retrograde signalling

The plastid protein GENOMES UNCOUPLED 1 (GUN1) and the nuclear transcription factors GOLDEN-LIKE1 and 2 (GLK1 and 2) operate in the same retrograde signalling pathway defined by de-repressed LHCB1 marker gene expression during treatment with norflurazon or lincomycin. We found in preceding work that GUN1 and GLK play a role in acclimation to cold. Our project includes: (i) Physiological characterisation of GUN1-GLK functions in the cold, (ii) Identification of novel of GUN1-GLK signalling components by genetic screens, (iii) Dissection of cis-regulatory elements of GUN1-mediated GLK transcriptional regulation, and (iv) Characterization of GLK targets.

Lokale Abfangkapazität reaktiver Sauerstoffspezies und retrograde Regulierung: Schwellen bei Lichtakklimatisation

Chloroplasten enthalten sowohl Thioredoxin-abhängige als auch Glutathion (GSH) /Glutaredoxin (GRX)-abhängige Redoxsysteme, die auf schnell wechselnden Protein-Cysteinyl-Redoxzuständen beruhen und zur Thiol-Schalter-vermittelten Stoffwechselregulation, Entgiftung von Wasserstoffperoxid und Reparatur oxidativer Schäden beitragen. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie die reduktive Kapazität des stromalen GSH/GRX-Redoxsystems zur Signalübertragung und zur Akklimatisation bei Lichtüberschuss beiträgt. Hierzu werden wir physiologische Parameter mit Hilfe genetisch kodierter Biosensoren subzellulär dynamisch auslesen und „Omics“-Technologien, Reporterlinien und Linien mit verändertem GSH/GRX-Redox-Status einsetzen.

Vorhersage von Akklimatisationsmodulatoren und Integratoren auf Basis von Omics-Daten

Das zentrale Ziel dieses Projekts ist es, die Akklimatisierung auf Systemebene zu verstehen, indem spezifische und generische Akklimatisierungsreaktionselemente klassifiziert werden, wobei der Schwerpunkt auf Prozessen liegt, die vom Chloroplasten koordiniert werden. Daher werden wir Datenanalysestrategien entwickeln und anwenden, die die Analyse großer Datensätze aus massenspektrometriebasierten quantitativen Shotgun-Proteomik-Experimenten mit 15N-Stoffwechselmarkierung und eine graphbasierte Integration und einen Vergleich von Daten aus verschiedenen Systemebenen verschiedener Pflanzenarten ermöglichen.

Mathematische Modellierung regulatorischer Prozesse während der Akklimatisierung

Die Akklimatisierung von Pflanzen an eine sich verändernde Umgebung hat dramatische Auswirkungen auf die Regulation der Stoffwechselwege. Obwohl bekannt ist, dass die Regulation an der Schnittstelle zwischen primärem und sekundärem Stoffwechsel eine zentrale Rolle bei der Akklimatisierung an niedrige Temperaturen und starkes Licht spielt, sind die zugrunde liegenden Stoffwechseldynamiken weniger gut verstanden. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung eines quantitativen mathematischen Modells des subzellulären Pflanzenstoffwechsels, um die Rolle der in den Chloroplasten angesiedelten Stoffwechselwege bei der Stabilisierung des Primär- und Sekundärstoffwechsels während der Exposition gegenüber Kälte und starker Lichteinstrahlung zu untersuchen. Eine Kombination aus nichtwässriger Fraktionierung und experimentellen Hochdurchsatzmethoden wird eingesetzt, um die Dynamik des Pflanzenstoffwechsels auf subzellulärer Ebene aufzuklären. Methoden aus der angewandten Mathematik, der Systemtheorie und der Bioinformatik werden verwendet, um Strategien der Stoffwechselregulation zu identifizieren.

Decoding the input syntax of photosynthetic gene expression

Forschungsorientierte Nutzung von FAIR Daten für die Pflanzenbiologie

Langfristig hängt der Erfolg moderner, interdisziplinärer, hypothesengestützter Forschung zunehmend von Forschungsdatenmanagementdiensten und -infrastrukturen ab, die die Erfassung, Verarbeitung, den Austausch und die Archivierung von Forschungsdaten erleichtern. Dieses Projekt zielt darauf ab, einen Rahmen für das Datenmanagement und die Datenverarbeitung in Übereinstimmung mit den FAIR-Datenprinzipien der Auffindbarkeit, Zugänglichkeit, Interoperabilität und Wiederverwendbarkeit von Daten zu schaffen und wird dazu beitragen, unsere Forschungsanstrengungen im Bereich der Pflanzenakklimatisierungsforschung optimal zu nutzen.