Institut für molekulare Biowissenschaften

Prof. J. Feierabend

Thematik: Über die Pigmentsysteme und Reaktionen der Photosynthese können in grünen Pflanzen reaktive sog. "aktivierte Formen" des Sauerstoffs entstehen. Aktivierter Sauerstoff tritt verstärkt bei CO₂-Mangel und unter Stressbedingungen auf, wenn das NADPH nicht ausreichend schnell durch die CO ₂-Assimilation verbraucht wird und es zu einem Stau von Anregungsenergie im Elektronentransport der Photosynthese kommt. Reaktive Sauerstofformen können Membranen, Pigmente, Proteine, Nukleinsäuren angreifen, und dieser "oxidative Stress" kann letal für die Pflanze sein. Daher verfügt die Pflanze über zahlreiche Schutzmechanismen zur Vermeidung bzw. Entfernung aktivierter Sauerstofformen ("Antioxidantien").
Trotz vielfältiger Schutzmechanismen werden bei den meisten Pflanzen bestimmte, gerade für die Photosynthese unentbehrliche, Proteine durch Licht geschädigt. Das D1-Protein aus dem Reaktionszentrum des Photosystems II (PSII) und das Enzym Katalase, welches die Entgiftung von H₂ O₂ in den Peroxisomen katalysiert, werden im Licht inaktiviert, abgebaut und müssen durch Neusynthese ersetzt werden (Reparatur). Dieser "Turnover" nimmt mit der Lichtintensität zu. Die Reparaturmechanismen müssen ständig genau kontrolliert und den Lichtbedingungen angepaßt werden. Die Neusynthese für die Reparatur wird sowohl für das D1-Protein als auch für die Katalase auf der Ebene der Translation reguliert. Die Analyse translationaler Kontrollmechanismen bei der Synthese der Katalase bildet derzeit einen Arbeitsschwerpunkt unserer Arbeitsgruppe. Wenn die Reparatur-Kapazität nicht mehr Schritt halten kann, kommt es zur Hemmung des PSII der Photosynthese ("Photoinhibition") und zu einem Verlust der Katalase. Damit geht eine wichtige Komponente des antioxidativen Schutzes verloren. Die Folge sind Ertragseinbußen und verstärkte photooxidative Schäden, die vor allem unter Streßbedingungen, z.B. bei hoher Lichtintensität, Hitze, Kälte, Salzstress, Schadstoffbelastung, auftreten.
Es gibt jedoch Pflanzen, die an extreme Umweltbedingungen angepaßt sind. Sie müssen eine ausreichende Stress-Toleranz entwickelt haben und Lichtschäden wirksam vermeiden können. Beispiele, an denen wir Mechanismen der Stress-Toleranz erforschen, sind z. B. kälte-gehärtetes Wintergetreide (das bei niedriger Temperatur gewachsen ist und den Winter überdauern kann) und alpine Hochgebirgspflanzen, die unter extrem ungünstigen Umweltbedingungen mit einer sehr kurzen Vegetationsperiode zu leben gelernt haben. In einer alpinen Hochgebirgspflanze (Homogyne alpina L.) wurde eine lichtstabilere Katalase gefunden und kloniert. Sie wird in Insektenzellkulturen heterolog exprimiert, um die für die Stabilität bzw. Lichtempfindlichkeit der Katalasen verantwortlichen Strukturen bzw. Sequenzbereiche zu untersuchen.



II. Anpassung an Kältestress

Thematik: Viele Pflanzen können sich an niedrige Temperaturen akklimatisieren. Das erfordert die Expression besonderer Kälte-spezifischer Gene, durch deren Zusammenwirken und daraus resultierenden Änderungen des Stoffwechsels Kälte-bedingte Schäden vermieden werden. Diese umfassen einerseits die Proteine bzw. Enzyme, welche für den Schutz gegen Kälteschäden verantwortlich sind, und andererseits Regulationsfaktoren, welche die Expression dieser Proteine kontrollieren.
 


III. Zelluläre Signalwege bei Blattseneszenz und Kältestress
       (PD Dr. Th. Berberich)

Thematik: Umwelt- oder entwicklungsbedingte Veränderungen führen in höheren Pflanzen zur differentiellen Genexpression. Dabei werden charakteristische zelluläre Signalwege beschritten, um spezifische Gene an- oder auszuschalten. Komponenten wie Transkriptionsfaktoren, Kalziumionen und Proteinkinasen sind daran beteiligt. Faktoren, die bei der zellulären Signaltransduktion bei Kältestress und Seneszenz in Mais und Tabak eine Rolle spielen, wurden charakterisiert. Die Funktion dieser regulatorischen Proteine soll aufgeklärt und weitere Signalmoleküle identifiziert werden. Hierzu werden moderne Methoden der Molekularbiologie zur Untersuchung von DNA/Protein- und Protein/Protein-Interaktionen eingesetzt. Das Projekt wird in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe um Prof. Kusano an der Tohoku-University, Sendai, Japan, durchgeführt.


Drittmittelfinanzierung der Forschungsarbeiten

Die Forschungsarbeiten des Arbeitskreises wurden durch Sachbeihilfen der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Berberich, Th. and J. Feierabend: The onset of 70S chloroplast ribosome formation is determined by an early heat-sensitive stage in the ontogeny of rye leaves. Plant Cell Physiol. 35, 907-916 (1994).

Schmidt, M., I. Svendsen, and J. Feierabend: Analysis of the primary structure of the chloroplast isozyme of triosephosphate isomerase from rye leaves by protein and cDNA sequencing indicates a eukaryotic origin of its gene. Biochim. Biophys. Acta 1261, 257-264 (1995).

Kusano, T., Berberich, T., Harada, M., Suzuki, N. and Sugawara, K.: A maize DNA-binding factor with a bZIP motif is induced by low-temperature. Mol. Gen. Genet. 248, 507-517 (1995)

Berberich, T., Sugawara, K., Harada, M. and Kusano, T.: Molecular cloning, characterization and expression of an elongation factor 1 a gene in maize. Plant Mol. Biol. 29, 611-615 (1995)

Feierabend, J. and Dehne, S.: Fate of the porphyrin cofactors during the light-dependent turnover of catalase and of the photosystem II reaction center protein D1 in mature rye leaves. Planta 198, 413-422 (1996).

Schmitz, G., Schmidt, M. and Feierabend, J.: Characterization of a plastid-specific HSP90 homologue: Identification of a cDNA sequence, phylogenetic descendence and analysis of its mRNA and protein expression. Plant Mol. Biol. 30, 479-492 (1996).

Streb, P. and Feierabend, J.: Oxidative stress responses accompanying photoinactivation of catalase in NaCl-treated rye leaves. Botan. Acta 109, 125-132 (1996).

Feierabend, J., Streb, P., Schmidt, M., Dehne, S. and Shang, W.: Expression of catalase and its relation to light stress and stress tolerance. In: Physical Stresses in Plants. Genes and their Products for Tolerance. (Eds. S. Grillo & A. Leone), pp. 223-234, Springer, Berlin, Heidelberg, 1996.

Streb, P., Schaub, H. and Feierabend, J.: Latent oxidative stress responses of ozone-fumigated cucumber plants are enhanced by simultaneous cold exposures. Z. Naturforsch. 51c, 355-362 (1996).

Schmitz, G., Schmidt, M. and Feierabend, J.: Comparison of the expression of a plastidic chaperonin 60 in different plant tissues and under photosynthetic and non-photosynthetic conditions. Planta 200, 326-334 (1996)

Berberich, T. and Kusano, T.: Cycloheximide induces a subset of low temperature-inducible genes in maize. Mol. Gen. Genet. 254, 275-283 (1997).

Streb, P., Tel-Or, E. and Feierabend, J.: Light stress effects and antioxidative protection in two desert plants. Funct. Ecol. 11, 416-424 (1997).

Streb, P., Feierabend, J. and Bligny, R.: Resistance to photoinhibition of photosystem II and catalase and antioxidative protection in high mountain plants. Plant Cell Environ. 20, 1030-1040 (1997).

Shang, W. and Feierabend, J.: Slow turnover of the D1 reaction center protein of photosystem II in leaves of high mountain plants. FEBS Lett. 425, 97-100 (1998)

Jagtap, V., Bhargava, S., Streb, P. and Feierabend, J.: Comparative effect of water, heat, and light stresses on photosynthetic reactions in Sorghum bicolor (L.) Moench. J. Exp. Bot. 49, 1715-1721 (1998)

Berberich, Th., Uebeler, M. and Feierabend, J.: Cloning of a cDNA encoding a thioredoxin peroxidase homolog from winter rye (Accession no. AF076920). (PGR 98-167). Plant Physiol. 118, 711 (1998)

Streb, P., Shang, W., Feierabend, J. and Bligny, R.: Divergent strategies of photoprotection in high-mountain plants. Planta 207, 313-324 (1998)

Kusano, T., Sugawara, K., Harada, M. and Berberich, Th.: Molecular cloning and partial characterization of a tobacco cDNA encoding a small bZIP protein. Biochim. Biophys. Acta 1395, 171-175 (1998)

Berberich, Th., Harada, M., Sugawara, K., Kodama, H., Iba, K. and Kusano, T.: Two maize genes encoding w -3 fatty acid desaturase and their differential expression to temperature. Plant Mol. Biol. 36, 297-306 (1998)

Shang W., Feierabend J.: Dependence of catalase photoinactivation in rye leaves on light intensity and quality and characterization of a chloroplast-mediated inactivation in red light. Photosynthesis Res. 59, 201-213 (1999)

Berberich T., Sano H., Kusano T.: Involvement of a MAP kinase, ZmMPK5, in senescence and recovery from low-temperature stress in maize. Mol. Gen. Genet. 262, 534-542 (1999)

Streb P., Shang W., and Feierabend, J.: Resistance of cold-hardened winter rye leaves (Secale cereale L.) to photo-oxidative stress. Plant, Cell Environ. 22, 1211-1223 (1999)

Streb P., and Feierabend, J.: Significance of antioxidants and electron sinks for the cold-hardening-induced resistance of winter rye leaves to photo-oxidative stress. Plant Cell Environ. 22,1225-1237 (1999)

Schmidt, M. and Feierabend, J.: Characterization of cDNA nucleotide sequences encoding two differentially expressed catalase isozyme polypeptides from winter rye (Secale cereale L.) (Acdession nos. Z54143, Z99634 and AJ251894). (PGR 00-032). Plant Physiol. 122, 1457 (2000)

Schäfer, L. and Feierabend, J.: Photoinactivation and protection of glycolate oxidase in vitro and in leaves. Z. Naturforsch. 55c, 361-372 (2000)

Ohba, H., Steward, N., Kawasaki, S., Berberich, T., Ikeda, Y., Koizumi, N., Kusano, T., Sano, H.: Diverse response of rice and maize genes encoding homologs of WPK4, an SNF1-related kinase from wheat, to light, nutrients, low temperature and cytokinins. Mol Gen Genet 263, 359-366 (2000)

Berberich, T., Uebeler, M. and Feierabend, J.: cDNA cloning of cytoplasmic ribosomal protein S7 of winter rye (Secale cereale) and its expression in low-temperature treated leaves. Biochim. Biophys. Acta, 1492 276-279 (2000)

Schmidt, M., Dehne, S. and Feierabend, J.: Regulation of catalase synthesis during its light-induced turnover in leaves. PS 2001 Proceedings: 12th International Congress on Photosynthesis. CSIRO Publishing: Melbourne, Australia 2001, Available at: http://www.publish.csiro.au/2001

Yang, S.H., Berberich, T., Sano, H. and Kusano, T.: Specific association of transcripts of tbzF and tbz17, tobacco genes encoding bZIP-type transcriptional activators, with guard cells of senescing leaves and/or flowers. Plant Physiol. 127, 23-32 (2001)

Schmidt, M., Dehne, S. and Feierabend, J.: Posttrancriptional mechanisms control catalase synthesis during its light-induced turnover in rye leaves through the availability of the hemin cofactor and reversible changes of the translation efficiency of the mRNA. Plant J. 31 (5), 601- 613 (2002)

Shang, W., Schmidt, M. and Feierabend, J.: Increased capacity for synthesis of the D1 protein and of catalase at low temperature in leaves of cold-hardened winter rye (Secale cereale L.) Planta, 216 (5), 865-873 (2003)

Crecelius, F., Streb, P. and Feierabend, J.: Malate metabolism and reactions of oxidoreduction in cold-hardened winter rye (Secale cereale L.) leaves J Exp Bot, 54 (384), 1075-1083 (2003)

In,O., Berberich, Th., Romdhane, S. and Feierabend, J.: Changes in gene expression during dehardening of cold-hardened winter rye (Secale cereale L.) leaves and potential role of a peptide methionine sulfoxide reductase in cold-acclimation. Planta 220, 941-950 (2005)

Feierabend, J.: Catalases in plants: molecular and functional properties and role in stress defence. In: Smirnoff, N. (ed.) Antioxidants and reactive oxygen species in plants. Blackwell Publ., Oxford, pp. 101-140 (2005)

Engel, N., Schmidt, M., Lütz, C. and Feierabend, J.: Molecular identification, heterologous expression and properties of light-insensitive plant catalases. Plant Cell Envir, 29, 593-607 (2006)

Schmidt, M., Grief, J. and Feierabend, J.:  Mode of translational activation of the Catalase (Cat1) mRNA of rye leaves (Secale cereale L.) and its control through blue light and reactive oxygen. Planta, 223, 835-846 (2006)