Zusammenhang zwischen Zeit und Energie in Pflanzengenen

Forscher haben eine breite Palette von Daten über den pflanzlichen Stoffwechsel und die biologischen Rhythmen zusammengestellt, die diesen Prozess steuern. Mithilfe dieser Daten haben sie neue und aktualisierte Modelle der Genexpression bei Pflanzen gebaut.

Klimawandel und Umwelt

Die interne Uhr der Pflanze, die zirkadiane Uhr, ist für die Steuerung vieler Aspekte ihres Wachstums und Stoffwechsels zuständig. Insbesondere die Orchestrierung des Kohlenstoff-Metabolismus über den Tag-Nacht-Zyklus hinweg, ist für die Pflanzenzellen von wesentlicher Bedeutung, um Hungerzeiten zu vermeiden. Forscher des Projekts TIMET (Linking the clock to metabolism) wählten drei eng miteinander verbundene biologischen Systemen aus, um diese mithilfe von EU-Mitteln, zu untersuchen: die zirkadiane Uhr, den Kohlenhydratstoffwechsel und den Isoprenoidstoffwechsel. Verantwortlich für die Produktion von bis zu 30 000 Biomolekülen, umfassen Isoprenoide Cholesterin, Vitamin K und alle Steroidhormone. Die Projektforschung stützte sich auf die Akkumulation und die Integration großer Datenmengen in ein komplexes Modell - einen sogenannten systembiologischen Ansatz. Die Forschungsergebnisse integrierten die Produkte der Uhr-Gen-Expression und verknüpften sie mit mehreren Uhr- Ausgangspfaden. Die Transkriptom- und Proteom-Daten zeigten, dass die täglichen Rhythmen der molekularen Produktivität durch die Veränderung der Tageslänge und die metabolischen und Uhr-Mutationen sowie durch den Klimawandel beeinflusst werden. Die Kohlenhydratregulierung wurde stündlich berechnet und die Ergebnisse deuten auf ein Feedback auf Systemebene hin. Interessanterweise wurde festgestellt, dass der Kohlenhydratabbau sich im Laufe des Tages fortsetzt. Frühere Modelle haben zwischen einem Tages- und einem Nachtzustand unterschieden. Die Arbeit machte deutlich, wie Energie- und Kohlenstoffausnutzung optimiert werden und es wurden globalen Faktoren identifiziert, die die Wachstumsrate steuern. Das Team produzierte auch eine Publikation, in der der Zusammenhang zwischen Zucker und zirkadianer Kontrolle des Wurzelwachstums gezeigt wurde. Darüber hinaus entdeckten sie Schlüsselmoleküle und Metaboliten und bauten eine Dateninfrastruktur auf, um weitere Forschung zu unterstützen. Neu entwickelte Modelle enthüllten neue Gruppen und Netzwerke von Genen, die den pflanzlichen Stoffwechsel Tag und Nacht in einem unerwartet flexiblen System regulieren. Ein übergreifendes Rahmenmodell wurde auf der Basis dieser neuen Erkenntnisse mithilfe eines simulierten Uhr-Mutanten getestet, um die Veränderungen in der Biomasse zu erklären. Zum ersten Mal verknüpfte das TIMET-Team die veränderte Genexpressionsdynamik mit quantitativen Veränderungen auf einer der höchsten Steuerungsebenen der Pflanze. Die von TIMET untersuchten Stoffwechselwege gehören zu den wichtigsten bei der Bestimmung des Ernteertrags, sowohl für Nahrungsmittel als auch für Non-Food-Kulturen. Zukünftige Arbeiten werden zweifellos auf die Anwendung des Systemansatzes auf wirtschaftlich wichtigsten Kulturen in der Landwirtschaft sowie auf andere biologische Systeme ausgerichtet sein.

Schlüsselbegriffe

Pflanzenstoffwechsel, Genexpression, zirkadiane Uhr, Stoffwechselweg, Ernte

Linking the clock to metabolism

Zusammenhang zwischen Zeit und Energie in Pflanzengenen

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