Tailored coumarin biosynthesis for plant protection

Beesley, Alexander; Conrath, Uwe (Thesis advisor); Schirawski, Jan (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Beim Anbau von Nutzpflanzen passen sich die Schadorganismen zunehmend an die angewendeten Schutzmaßnahmen für die Pflanzen an, wodurch alternative Strategien für den Pflanzenschutz nötig werden. In vorangegangenen Arbeiten der Arbeitsgruppe Conrath wurde das Cumarin Scopoletin als eine für den Pflanzenschutz vielversprechende, natürliche Substanz identifiziert. Scopoletin wirkt z.B. gegen Phakopsora pachyrhizi, ein wichtiges Pathogen der Sojabohne. Zudem sind transgene, Scopoletin-hyperakkumulierende Sojabohnensorten für das von Fusarium virguliforme ausgelöste "Sudden Death Syndrom" (SDS) weniger empfindlich. Im ersten Teil der vorliegenden Dissertation habe ich untersucht, worauf die verringerte Anfälligkeit von transgenen Sojabohnen für SDS beruht. Die mit einer qRT-PCR-basierten Methode ermittelte Infektionsintensität ergab keinen Unterschied zwischen Wildtyp-Pflanzen und Scopoletin-hyperakkumulierenden, transgenen Pflanzen. Vielmehr scheint die antioxidative Kapazität von Scopoletin dazu zu führen, dass Mykotoxin-induzierte reaktive Sauerstoffarten abgefangen wurden und somit weniger Zelltod herbeiführen können. Im Weiteren habe ich untersucht, wie der Scopoletin-Gehalt in Pflanzen weiter gesteigert werden kann, um möglicherweise noch bessere Effekte für den Pflanzenschutz zu erzielen. Durch Verwendung des Transkriptionsfaktors MYB72 aus Arabidopsis konnte ich die Expression von untersuchten Genen des Phenylpropanstoffwechsels in transgenen Pflanzen (Arabidopsis, Tabak, Sojabohne) steigern. Damit einhergehend waren auch erhöhte Gehalte an Scopoletin und seinem Glykosid Scopolin in den Pflanzen messbar. Transgene Tabakpflanzen, die AtMYB72 und AtF6’H1 ko-überexprimierten, hatten einen erhöhten Gehalt an Salicylsäure und eine erhöhte Resistenz gegen das Tabak-Mosaikvirus. Eine sehr starke Hyperakkumulation des antioxidativen Scopoletins korrelierte jedoch auch mit nachteiligen Effekten, wie z.B. einer Wachstumshemmung. Um diese nachteiligen Effekte zu vermeiden, habe ich die Produktion des Scopoletin-Derivats Sideretin untersucht, um den Gehalt des stark antioxidativ wirkenden Scopoletins möglicherweise zu reduzieren. Die Ko-Expression aller für die Sideretin-Biosynthese notwendigen Gene führte in transgenen Sojabohnen zu einer stark verringerten Infektion mit P. pachyrhizi. Da die Ko-Expression vieler Gene für eine gezielte Modifizierung der Cumarin-Biosynthese zunehmend komplexer wird, habe ich im dritten Teil meiner Dissertation Strategien untersucht, mit deren Hilfe eine vereinfachte Klonierung von Multigen-Konstrukten möglich werden sollte. Das 2A-Peptid ermöglichte die Translation von zwei Peptiden aus einer kodierenden DNA-Sequenz. Dies könnte unter anderem nützlich sein, um Gene bei der Regulation durch nur einen Promotor gezielt zu exprimieren. Meine Arbeit belegt, dass eine verstärkte und gelenkte Cumarin-Biosynthese einen wichtigen Beitrag zum Pflanzenschutz leisten kann.

Einrichtungen

• Fachgruppe Biologie [160000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Biochemie und Molekularbiologie der Pflanzen [161620]