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Regulation of iron-sulfur (Fe-S) cluster assembly in plastids and coordination with plant physiology

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Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern in Pflanzen

Die Photosynthese, die Fähigkeit, Sonnenenergie in Nahrung umzuwandeln, ist entscheidend für die Erhaltung aller Lebensformen auf der Erde. Die wandlungsfähigen Kofaktoren – Eisen-Schwefel (Fe-S) Cluster sind wichtige Bestandteile der Chlorophyllkörner und spielen eine wesentliche Rolle bei der Photosynthese.

Klimawandel und Umwelt

Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der dynamischen Umweltbedingungen ist ein Verständnis der Steuerung und Funktion der Fe-S-Cluster in den Chlorophyllkörnern von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund initiierten Forscher das EU-finanzierte Projekt INTEGRREGULFESPLAST. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass das Cystein-Entschwefelungs-Enzym CpNifS für die Schwefelversorgung während des Aufbaus der Fe-S-Cluster in den Chlorophyllkörnern erforderlich ist. Das Protein CpSufE bindet sich an CpNifS, um Fe-S-Cluster aufzubauen. Allerdings herrscht nur begrenztes Wissen darüber, wie die Chlorophyllkörner diese Cluster aufbauen. Um dem abzuhelfen, wandten Forscher einen integrierten physiologisch-biochemisch-genetischen Ansatz für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) an, um die Systematik des Fe-S-Aufbaus in den Chlorophyllkörnern zu untersuchen. Die Pflanzen wurden unter erdfreien (hydroponischen) Bedingungen gezüchtet, um ihre Reaktion auf Ernährungs- und Umweltveränderungen bewerten zu können. Insbesondere wurden ein unterschiedlicher Gehalt an Fe und S sowie verschiedene Lichtverhältnisse getestet. Die Forscher bewerteten Veränderungen bei den physiologischen und phänotypischen Parametern wie beispielsweise der pflanzlichen Biomasse, dem Chlorophyllgehalt, der photosynthetischen Aktivität und der Genexpression. Mit Techniken wie dem Western-Blot-Verfahren und der Sammlung von Antikörpern beobachteten die Wissenschaftler Veränderungen beim geplanten Proteingehalt und bei der Fe-S-Steuerung. Induzierbare künstliche RNA-Interferenz-Konstrukte wurden entworfen, und ausgewählte KO-Pflanzenmutanten wurden verwendet, um bedingt Proteine auszublenden und ihre Funktionen zu untersuchen. Mithilfe der Sequenzanalogie konnten Projektmitglieder bereits mehrere Komponenten isolieren, die zu bestimmten Proteinfamilien gehören, die der Fe-S-Biogenese im Chlorophyllkorn zugeordnet werden. Eine wichtige Entdeckung war die Wechselwirkung zwischen dem Protein Adenosin-5'-Phosphosulfat- Reduktase (APR) und dem SufE sowie der Rolle, die es beim Schwefelstoffwechsel während der Fe-S-Clusterbildung spielt. Die Ergebnisse zeigten einen erschöpften Vorrat an APR-Proteinen, wenn der Fe-Vorrat gering ist, was darauf hindeutet, dass die Cystein-Entschwefelungsaktivität eisenabhängig ist. Der Gehalt an NifS und SufE blieb jedoch unbeeinflusst vom Fe-Vorrat. INTEGRREGULFESPLAST hat die Proteinfunktion mit der gesamten Pflanzenphysiologie verknüpft. Es wurden neuartige Einblicke in die frühen Steuerungsprozesse, die an der Fe-S-Biogenese beteiligt sind, gewonnen. Die Projektaktivitäten könnten letztlich angewandt werden, um die Produktion von Biomasse und die landwirtschaftlichen Produktivität zu fördern, was wichtige Auswirkungen auf die globale Ernährungssicherheit hätte.

Schlüsselbegriffe

Fe-S-Cluster, Photosynthese, Chlorophyllkorn, Cystein-Entschwefelungs-Enzym, CpNifS, CpSufE, hydroponisch, physiologisch, phänotypisch, Western Blot, Antikörper, Protein, RNA-Interferenz-Konstrukt, APR, Ernährungssicherheit

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