Universität zu Köln

Der Bedarf an ressourceneffizienten Nutzpflanzen steigt aufgrund des Klimawandels, der globalen Ressourcenknappheit und der wachsenden Nachfrage nach pflanzlichen Proteinquellen, immer weiter. In diesem Zusammenhang ist die weiße Lupine (Lupinus albus) eine besonders vielversprechende Pflanzenart. Als Leguminose mit hohem Proteingehalt gedeiht sie aufgrund ihrer besonderen Wurzelmodifikationen und der Etablierung einer Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien auch auf nährstoffarmen Böden. Somit stellt sie ein nachhaltiges Produktionssystem mit großem Entwicklungspotenzial dar. Um dieses Potenzial jedoch voll auszuschöpfen, ist ein detailliertes Verständnis der molekularen Mechanismen erforderlich, die die frühe Pflanzenentwicklung und Speicherstoffverwertung steuern. Während der Keimung sind Pflanzensamen heterotroph und nutzen hauptsächlich ihren eingelagerten Reserven als Nährstoffe. L. albus ist eine proteinakkumulierende Nutzpflanze, deren Samen bis zu 40 % Protein enthalten. Das Samenproteom besteht zu 85 % aus klassischen Speicherproteinen, die als Reserve für Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel dienen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Speichereigenschaften über die Keimung hinaus erhalten blieben. Stattdessen werden während der Keimung Lipide als Energie- und Kohlenhydratquelle genutzt. Währenddessen wurden vor allem Proteingruppen mobilisiert, die an der Trockenheitstoleranz von Samen beteiligt sind, darunter LEA-Proteine und Oleosine, die mit Speicherlipiden interagieren. Beide waren in den Samen von L. albus hochabundant und ihr Abbau setzte große Mengen der Aminosäuren Alanin, Glycin und Threonin frei. Der Katabolismus dieser Aminosäuren generierte Pyruvat und Glyoxylat. Wir vermuten, dass diese Stoffwechselintermediate, in Kombination mit Acetyl-CoA, einem Produkt der Lipid-β-Oxidation, einen Glyoxylatzyklus-Bypass bilden, der den Samen mit den für die Energieerzeugung und den Aufbau von Biomasse erforderlichen Kohlenhydraten versorgt (siehe Kapitel 2: Manuskript 1). Bei der Untersuchung von Mitochondrien aus L. albus-Samen stellten wir fest, dass diese trotz der besonderen Bedingungen im Pflanzensamen als dynamische und reaktionsbereite Organellen vorlagen und alle erforderlichen Atmungskettenkomplexe enthielten. Während der Imbibition ermöglichte die Aktivierung der Cofaktor-Biosynthese, des Transports und der Redox-Homöostase eine sofortige Energiebereitstellung. Wir identifizierten die NAD-abhängige Formiatdehydrogenase als dritthäufigstes mitochondriales Protein in Lupinensamen. Dehydrogenasen, die am mitochondrialen Aminosäurekatabolismus beteiligt sind, waren ebenfalls hochabundant vorhanden. Dies lässt vermuten, dass die Samen von L. albus über einen spezialisierten mitochondrialen Stoffwechsel verfügen. Dieser liefert Energie und Kohlenhydratvorläufer und führt gleichzeitig Entgiftungsprozesse durch. Darüber hinaus zeigte unsere Studie, dass ein erheblicher Teil des mitochondrialen Proteoms von L. albus-Samen nicht charakterisierte Proteine aufwies, für die keine Homologie zu Arabidopsis Proteinen festgestellt werden konnte. Dies deutet auf leguminosenspezifische mitochondriale Anpassungen hin (siehe Kapitel 4: Manuskript 3). Nach der Keimung zeigte L. albus epigäisches Wachstum. Die Keimblätter wurden über das Substrat angehoben, dem Licht ausgesetzt und ergrünten. Wir konnten feststellen, dass zu diesem Zeitpunkt eine Intensivierung des Speicherproteinabbaus stattfand, was zu einem Anstieg der freien Aminosäuren, insbesondere Asparagin, führte (siehe Kapitel 2: Manuskript 1). Ebenso wurde die Synthese von Proteinen, die an der Photosynthese beteiligt sind, induziert, sodass diese zur häufigsten Proteinfraktion im Keimblatt-Proteom anstiegen. Die Photosynthese der Keimblätter ermöglichte die Produktion von lichtbasierter Energie und Kohlenhydraten, war jedoch weniger effizient als die der echten Blätter. Dies lässt vermuten, dass der Keimling bis zur Etablierung der ersten echten Blätter weiterhin auf gespeicherte Reservestoffe aus den Keimblättern angewiesen ist, insbesondere unter nährstoffarmen Bedingungen. Ein vorzeitiger Verlust der Keimblätter führte zu drastischen Stickstoffeinsparstrategien. Dazu zählten eine Verringerung des Proteingehalts, hauptsächlich von Proteinen, die mit der Photosynthese und dem Proteinstoffwechsel in Verbindung stehen. Außerdem wurde die Biomasse erheblich reduziert. Sobald ausreichend echte Blätter etabliert wurden und die Pflanze somit autotroph war, begann die Seneszenz der Keimblätter und ihr Stoffwechsel verlagerte sich auf Recycling- und Exportprozesse (siehe Kapitel 3: Manuskript 2). Diese Arbeit liefert wichtige Erkenntnisse zur Molekularbiologie proteinreicher Samen. Es wird gezeigt, dass die Keimung und die frühe Entwicklung von L. albus durch das präzise Zusammenspiel von Energiestoffwechsel, Mobilisierung von Reservestoffen, Organumwandlung und Reaktivierung von Organellen gekennzeichnet sind. Dafür sind die in den Samen eingelagerten Reserven unerlässlich.

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