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Photosynthetische Drüsentrichome (Projekt iPHACTORY)

Im Jahr 2019 wurde unser Verbundprojekt iPHACTORY: Interdisziplinäre Untersuchung von photosynthetischen Drüsentrichomen als metabolische Zellfabriken für drei Jahre von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Was sind die photosynthetischen Drüsentrichome und warum interessieren wir uns für deren Untersuchung?

Höhere Pflanzen erwarben verschiedene Schutzmechanismen, um ihre Umweltfitness zu erhöhen. Eine Strategie gegen biotische Angriffe besteht in der Produktion zahlreicher spezialisierter Metaboliten zur direkten oder indirekten Pflanzenabwehr. In diesem Zusammenhang spielen die Drüsentrichome eine wichtige Rolle für das Überleben der Pflanzen. Auf der Oberfläche der oberirdischen Pflanzenteile lokalisiert, produzieren, speichern und sezernieren sie hohe Mengen einer breiten Palette chemisch unterschiedlicher Verbindungen. Aufgrund extrem hoher Stoffwechselflüsse kann die Produktion bei einigen sogar bis zu 20% des Blatttrockengewichts erreichen, was Drüsentrichome als echte Zellfabriken qualifiziert. Viele dieser Metaboliten weisen nicht nur antimykotische, insektizide oder pestizide Eigenschaften auf, sondern sind auch von kommerzieller Bedeutung, was in den letzten Jahren zu einer erhöhten Aufmerksamkeit in der Trichombiologie geführt hat. So werden beispielsweise die ätherischen Öle aromatischer Pflanzen aus der Familie der Lamiaceae (Pfefferminze, Basilikum, Salbei, Oregano, Thymian, Lavendel) oder die für das Aroma und den bitteren Geschmack von Bier verantwortlichen Wirkstoffe (Hopfenzapfen) in Drüsentrichomen gesammelt.

Trotz multidisziplinärer Forschungsanstrengungen bleiben eine Reihe von Fragen bezüglich der Bioenergetik der Funktionsweise von Drüsentrichomen unbeantwortet. Unsere Wissenslücke bei den Faktoren, die die Produktion von Metaboliten regulieren, erfordert eine Grundlagenforschung, die die Flussverteilung durch verschiedene bekannte und noch zu erläuternde Vorläuferwege untersucht. Wir wollen herausfinden, wie die effiziente Produktion von spezialisierten Metaboliten erreicht wird und woher die Kohlenstoff- und Energieversorgung kommt, die diese extrem hohen Stoffwechselflüsse in pflanzlichen Drüsentrichomen aufrechterhält.

Wir werden dies durch die Anwendung eines interdisziplinären Ansatzes erreichen, der das Wissen aus Multiomik-Experimenten mit mathematischer Modellierung und rechnergestützten Analysen integriert. Als Modellsystem werden wir an photosynthetisch aktiven Trichomen der Tomate arbeiten. Umwelt- und genetische Störungen des Systems werden zusätzliche Erkenntnisse über die Aufrechterhaltung der metabolischen Produktivität liefern, indem wir die mögliche Beteiligung eines C4-photosyntheseähnlichen Netzwerks untersuchen. Hier in der QTB konstruieren wir Computermodelle, die die Grundlage für die Entwicklung innovativer Metabolic-Engineering-Strategien in Pflanzen und anderen Organismen für die Produktion der verschiedensten Klasse von Sekundärmetaboliten, den Terpenoiden, bilden sollen. Wir entwickeln sowohl stationäre als auch kinetische Modelle unter Verwendung verfügbarer Werkzeuge wie modelbase[*] und cobrapy[**].

  • Projektleiter: Dr. Anna Matuszyńska (QTB) und Prof. Dr. Alain Tissier (Leibniz-Institut für Pflanzenbiochemie (IPB))
  • An dem Projekt beteiligte Personen: Alejandro Brand, Doktorand (IPB SZB); Marvin van Aalst, Studentische Hilfskraft (HHU QTB, finanziert von MeProPhot)
  • Finanzierung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

 

Kontakt: Dr. Anna Matuszyńska

Wichtige Publikationen

  1. Tissier, A. (2018). Plant secretory structures: more than just reaction bags. Current opinion in biotechnology, 49, 73-79.
  2. Tissier, A., Morgan, J. A., & Dudareva, N. (2017). Plant volatiles: going ‘in’but not ‘out’of trichome cavities. Trends in plant science, 22(11), 930-938.
  3. Balcke, G. U., Bennewitz, S., Bergau, N., Athmer, B., Henning, A., Majovsky, P., ... & Tissier, A. (2017). Multi-omics of tomato glandular trichomes reveals distinct features of central carbon metabolism supporting high productivity of specialized metabolites. The Plant Cell, 29(5), 960-983.
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