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SFB 607 - Teilprojekt A8

Einfluss der N-Ernährung auf das Abwehrverhalten des Apfels () genegüber :
Chemie und Biochemie des Phenylpropanoid­metabolismus sowie molekulare Analyse der Expression von pathogeninduzierten Genen und von zentralen Genen des Sekundärstoffwechsels 


Projektbeschreibung und Ziele:

Die bereits in Phase I ermittelte negative Korrelation zwischen dem Wachstum von Apfelbäumen und deren Sekundärstoffwechsel konnte in Phase II unter verschiedenen Szenarien bestätigt werden. Die bei Erhöhung der CO2-Konzentration der Luft sowie bei gezielter Mykorrhizierung beobachtete Steigerung des Sprosswachstums war mit einer Reduktion der Sekundärstoffbiosynthese verbunden. Ganz besonders führt aber eine zunehmende Verfügbarkeit der Ressource N zu einer deutlichen Abnahme der Sekundärstoffgehalte in Blättern und im Rindengewebe des Apfels sowie zu verringerter Pathogenabwehr gegen und . Erhöhter CO2-Gehalt der Atmosphäre konnte dieses Abwehrdefizit nur teilweise und ausschließlich bei N-Limitierung kompensieren. Eine substratvermittelte Regulation des Phenylpropanoid- und Flavonoidstoffwechsels scheint deshalb nicht vorzuliegen, was Zuckeranalysen bestätigten. Es konnte außerdem gezeigt werden, dass mit der Abnahme der konstitutiven Sekundärstoffe auch die Induzierbarkeit der abwehrrelevanten Metaboliten durch Infektion und durch chemische Induktoren verloren geht. Demnach scheint die Expression von Resistenzgenen im potentiell anfälligen Genotyp und bei wuchsfördernden Umweltbedingungen (insbesondere bei luxuriöser N-Versorgung) unterdrückt zu sein. Im Fall der effektiven Abwehrreaktion wird dagegen die Biosynthese der Flavan 3-ole stark begünstigt, was auf eine differenzierte Regulation hinweist. Eine im Antrag für Phase II postulierte Verschiebung des sink-Potentials und die daran gekoppelte Ressourcenverteilung als Ursache für die veränderte Resistenzreaktion des Apfels konnte für individuelle Sprosse nicht bestätigt werden. Diese Regulation der Abwehr erfolgt offenbar nicht auf Organebene sondern auf dem Niveau der gesamten Pflanze, denn stark und schwach wachsende Sprosse des gleichen Baumes unterschieden sich nicht in ihrem Abwehrverhalten.

Ziel der beantragten Experimente ist die kinetische Darstellung der Genexpression im Apfelblatt während der Infektionsphase durch . Mit zwei Genbanken werden die in der frühen und der späten Phase der Infektion exprimierten Gene abgegriffen. Die Expression dieser Gene soll zusammen mit im Flavonoidstoffwechsel wichtigen Genen für die Enzyme Phenylalaninammoniumlyase, Chalconsythase, Flavanon 3-hydroxylase und Dihydroflavanol 4-reduktase in Abhängigkeit von der N-Versorgung der Bäume im Zeitverlauf erfasst und mit Ergebnissen auf der metabolomischen Ebene verglichen werden. Dazu werden die Metabolite des Flavonoidstoffwechsels und des Kohlenhydratstoffwechsels mittels HPLC analysiert. Die Enzymaktivitäten werden mittels Umsetzung radioaktiv markierter Substrate ermittelt. Zusätzlich zu den qualitativen Aussagen über die Genexpression werden bei bekannten Schlüsselgenen des Flavonoidstoffwechsels mittels real-time PCR Quantifizierungen zu unterschiedlichen Zeitpunkten vorgenommen.

Durch die Untersuchungen auf den Ebenen des Genoms, Proteoms und Metaboloms werden die regulatorischen Mechanismen und deren Beinflussung durch Resourcenveränderung nach Pathogenbefall charakterisiert. Die Experimente zielen direkt auf die Klärung der zentralen Hypothese des Sonderforschungsbereichs nach der Regulation der Stoffallokation zwischen Wachstum und Pathogen-Abwehr bei unterschiedlicher N-Versorgung ab. Durch die Arbeiten auf der Ebene des Genoms wird die Schalterkaskade der Regulation innerhalb des Flavonoidstoffwechsels und an den Schnittstellen zum Primärstoffwechsels offengelegt. Zusätzlich sollen durch die Genexpressionsstudien mögliche Regulationen des Primärstoffwechsels identifiziert werden.