Rhizosphäre und Proteasen

Wurzeln garantieren einer Pflanze nicht nur den physischen Halt und die Nährstoffaufnahme aus dem Boden, sondern bilden auch die Kontaktzone für die Interaktion mit sowohl vorteilhaften als auch für die Pflanze schädlichen Mikroorganismen. Diese biotischen Interaktionen in der Rhizosphäre werden durch pflanzliche Wurzelexsudate vermittelt und stehen unter dem Einfluss weiterer, abiotischer Umweltfaktoren wie zum Beispiel der Verfügbarkeit von Nährstoffen.

Pflanzenexsudate werden je nach Art der Verbindung entweder über membrangebundenen Transportsysteme, durch Vesikel-vermittelte Exocytose oder von root border cells sekretiert. Peptide allerdings können auch als Produkte der Proteolyse an der Plasmamembran von Wurzelzellen in die Rhizosphäre gelangen. Wir haben potentielle natürliche Substrate für solche proteolytische Aktivität an der Plasmamembran von Gerstenwurzeln identifizieren können. Interessanterweise waren auch Proteasen selbst Ziele der Proteolyse und behielten selbst nach der Freisetzung von der Plasmamembran ihre Aktivität.

Mit eigens dafür konstruierten Rhizoboxen untersuchen wir die Proteaseaktivität in der Rhizosphäre von Tomatenpflanzen unter Verwendung von nicht-invasiver Boden-Zymographie. Von besonderem Interesse ist für uns dabei der Einfluss anorganischen Stickstoffs auf die Verteilung spezifischer Proteasen entlang des Wurzelsystems.

Im Wurzelexsudat von Tabakpflanzen wurde die TREXS, eine SDD1-ähnliche Subtilase, identifiziert (Wendlandt et al.. 2015). Subtilasen sind proteolytische Enzyme, die meist eine Schlüsselrolle in der pflanzlichen Entwicklung einnehmen. Die SDD1 selbst ist eine Subtilase aus Arabidopsis thaliana, die an der Entwicklung der Stomata beteiligt ist. Die physiologische Funktion der TREXS in Wurzeln ist noch nicht geklärt, jedoch bieten zwei co-gereinigte Proteine einen Ausgangspunkt für die Identifizierung der Substrate in vivo.

Membrangebundene Proteasen wurden in Pflanzen an der inneren Plastidenmembran, in Mitochondrien und auch an der Plasmamembran nachgewiesen. Proteolyse an der Plasmamembran könnte zur Entstehung von Signalpeptiden führen, bestimmte Proteine aktivieren oder abbauen und damit essentiell für Stressanworten und Entwicklungsprozesse sein. In Tabakwurzeln zeigten chromatographisch aufgetrennte Plasmamembran-assoziierte Proteasen unterschiedliche Aktivitätsmuster in Anhängigkeit von der Stickstoffversorgung der Pflanzen. Unter Verwendung einer Kombination von Detergenzbehandlung, chromatographischen und elektrophoretischen Methoden haben wir zwei verschiedene Typen von Plasmamembran-gebundenen Metalloaminopeptidasen identifizieren können. Um die Funktion und genaue Lokalisierung dieser Exopeptidasen zu klären, setzen wir Genexpressionsanalyse und spezifische Mutanten ein.