Gemeine Fichte ist ein großer Nadelbaum, der in Nord-, Mittel- und Osteuropa beheimatet ist. Nadelbäume machen einen beträchtlichen Teil der terrestrischen Biomasse aus und dienen als bedeutende Kohlenstoffsenke, wobei der Großteil des Kohlenstoffs in die Zellwände des Holzgewebes gelangt. Die wirtschaftlich wichtige Gemeine Fichte ist da keine Ausnahme.
Die Gemeine Fichte ist eine Modellart von Gymnospermen – holzige Pflanzen, die nackte Samen auf Zapfen produzieren, ohne Blüten und Früchte zu bilden – deren Zellwand des sekundären Xylems (wasserleitendes Gefäßgewebe, auch „Holz“ genannt) 27 % eines wichtigen enthält phenolisches Polymer – Lignin.
Lignin verleiht Zellwand-Polysacchariden Steifigkeit und strukturelle Unterstützung. Es wird auch für die Herstellung wichtiger biobasierter Materialien geschätzt. Somit ist die Gemeine Fichte nicht nur als wichtige Nutzholzpflanze, sondern auch als Quelle reichhaltiger organischer Chemikalien von Bedeutung.
Daher wurde im Laufe der Jahre viel geforscht, um die komplizierten Stoffwechselwege zu entschlüsseln, die am Wachstum und der Metabolitenproduktion dieser Art beteiligt sind, an der Spitze stehen Forscher in Finnland.
Jetzt hat Professor Kazuyuki Kuchitsu von der Tokyo University of Science (TUS), Japan, ein führender Forscher auf dem Gebiet der reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in Pflanzen, mit finnischen Wissenschaftlern zusammengearbeitet, um die Lignin-Biosynthese in Fichte zu untersuchen.
Frühere Forschungen haben gezeigt, dass die letzten Polymerisationsstufen bei der Herstellung von Lignin die Oxidation von Monolignolen zu phenolischen Radikalen beinhalten, die dann nicht-enzymatisch gekuppelt werden, entweder unter Verwendung von Wasserstoffperoxid (H2O2) unter Verwendung von Peroxidase oder Sauerstoff unter Verwendung von Laccase. Mit der Zeit wurde auch die Rolle biogener ROS-Enzyme bei der Ligninsynthese und dem Fichtenwachstum identifiziert.
ROS, wie Superoxid-Anion-Radikale, H2O2 und Hydroxyl-Radikale, können durch eine Reihe von Quellen in der Plasmamembran und den Zellwänden von Pflanzen produziert werden und in den Apoplasten (den Raum außerhalb der Plasmamembran einer Pflanzenzelle) gelangen. Diese Quellen umfassen verschiedene Enzyme, beispielsweise Oxidasen und Peroxidasen, sowie respiratorische Burst-Oxidase-Homologe (RBOHs, auch bekannt als NADPH-Oxidasen).
Unter Verwendung von zytoplasmatischem NADPH (reduziertes Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat) als Elektronendonor produzieren die pflanzlichen RBOHs Superoxid-Anion-Radikale, die dann zu H2O2 dismutieren. Die Forschung von Prof. Kuchitsu hat gezeigt, dass dieser Mechanismus der Produktion von ROS für viele molekulare Prozesse in Pflanzen, einschließlich Pollenschlauchwachstum und Befruchtung, entscheidend ist.
In der ligninbildenden Zellkultur und dem sich entwickelnden Xylem der Rotfichte ist PaRBOH1 das am stärksten exprimierte RBOH-Gen.
Aber wie wird PaRBOH1 reguliert?
Um diese Frage zu beantworten, untersuchte das Team von Prof. Kuchitsu von der TUS in Zusammenarbeit mit finnischen Wissenschaftlern die ROS-produzierende Aktivität und den Regulationsmechanismus von PaRBOH1 in Nacktsamern, einschließlich der Nadelbaumart Fichte. Ihre Studie zeigte zum ersten Mal, dass PaRBOH1 durch Calciumionen und Phosphorylierung aktiviert wird, um ROS zu produzieren.
Darüber hinaus wurde im Zellextrakt des sich entwickelnden Xylems eine Proteinkinaseaktivität beobachtet, die bestimmte Serin- und Threoninreste in PaRBOH1 phosphoryliert.
Diese Ergebnisse wurden in veröffentlicht Grenzen der Pflanzenwissenschaft. Das an der Studie beteiligte multinationale Team umfasste Dr. Kenji Hashimoto von TUS; Dr. Kaloian Nickolov von der Universität Oulu, Finnland; Dr. Adrien Gauthier von der Aghyle Unit, Institut Polytechnique UniLaSalle, Frankreich; und Dr. Anna Kärkönen vom Natural Resources Institute Finland (Luke), Finnland.
Die Ergebnisse der RBOH-Regulierung in der ersten untersuchten Gymnospermenart, der Gemeinen Fichte, zeigen, dass alle Samenpflanzen – Gymnospermen (nackt gesät) oder Angiospermen (geschlossen gesät) – die gleichen Mechanismen zur Kontrolle der RBOH-Aktivität teilen.
Prof. Kuchitsu erklärt, warum dies von Bedeutung ist: „ROS wurden normalerweise als toxische Substanzen angesehen, aber unsere Studie zeigt, dass mehrere Pflanzenfunktionen, einschließlich der Stressreaktion und der vegetativen und reproduktiven Entwicklung der Pflanze, durch ROS reguliert werden, das von biogenen ROS-Enzymen produziert wird.“
Prof. Kuchitsu beleuchtet auch die praktische Anwendung ihrer Erkenntnisse. Aufgrund ihres Potenzials für die Nutzung als neue Energie- und Stoffquellen gewinnt die Erforschung der Baumentwicklung und der Mechanismen, die die wertvollen Bestandteile in ihren Zellen steuern, an Dynamik. „Unsere Forschung könnte in Zukunft zur Förderung des Baumwachstums beitragen und dabei helfen, die Technologie zur Herstellung wertvoller Materialien voranzutreiben“, bemerkt Prof. Kuchitsu.
Mehr Informationen:
Kaloian Nickolov et al, Regulierung der PaRBOH1-vermittelten ROS-Produktion in Gemeiner Fichte durch Ca2+-Bindung und Phosphorylierung, Grenzen in der Pflanzenwissenschaft (2022). DOI: 10.3389/fpls.2022.978586