Forschung

Die Plasmamembran bildet die äußere Barriere der Zelle. Sie erfüllt wichtige Funktionen in der Signalerkennung und -weiterleitung, bei Transportprozessen, der Zellwandbiosynthese und -modifikation, Entwicklungsprozessen und der Stressantwort.

Vor etwa 40 Jahren wurde erstmals ein konstitutives transmembranes Elektronentransportsystem - das Standardsystem - in der Zellmembran von Eukaryoten nachgewiesen. Zeitgleich wurde ein weiteres transmembranes Elektronentransportsystem (Turbo-System bzw. Eisenchelatreductase, FRO) in Wurzeln charakterisiert, das durch Eisenmangel induziert wird. Bei Strategie-I-Pflanzen  wird das Eisen ausserhalb der Zelle reduziert und über Fe²⁺-Transporter in die Zelle aufgenommen. Gräser (Poaceae) haben im Laufe der Evolution eine zweite Eisenaufnahmestragtegie entwickelt. Sie nehmen Fe³⁺-Chelate über spezifische Transporter in die Zelle auf und reduzieren das Eisen innerhalb der Zelle.

Mit der Etablierung der wässrigen Polymer-zwei-Phasentrennung konnten inzwischen verschiedene Redoxproteine in Plasmamembranen nachgewiesen werden. Hierzu gehören b-Typ Cytochrome, verschiedene NAD(P)H:Oxidoreduktasen und Peroxidasen. Die Struktur, der Elektronentransfermechanismus und die Funktion dieser Redoxsysteme sind einer unserer Forschungsschwerpunkte.

Experimentelle Daten weisen auf eine Assoziation von Plasmamembran-Redoxkomponenten mit Mikrodomänen (sogenannten "lipid-rafts") und eine Beteiligung an hochmolekularen Proteinkomplexen hin. Neben physikalisch-chemischen Studien und Lipidanalysen von Plasmamembranen wurden in unserem Labor Proteom-Analysen etabliert, um die Beteiligung von Redoxproteinen an mutmaßlichen Proteinassemblierungen zu untersuchen. Die Zusammensetzung dieser Komplexe hängt vom Entwicklungsstand, den physiologischen Bedingungen und dem untersuchten Pflanzenmaterial ab.

Weiterführende Literatur:

• A Hofmann, S Wienkoop, S Lüthje (2022) Hypoxia-Induced Aquaporins and Regulation of Redox Homeostasis by a Trans-Plasma Membrane Electron Transport System in Maize Roots. Antioxidants 11 (5), 836.
• S. Lüthje et al. (2013) Plasma Membrane Electron Pathways and Oxidative Stress. Antioxidants & Redox Signaling 18, 2163–2183.
• L Menckhoff, N Mielke-Ehret, F Buck, M Vuletić, S Lüthje (2013) Plasma membrane-associated malate dehydrogenase of maize (Zea mays L.) roots: Native versus recombinant protein. Journal of proteomics 80, 66-77
• Lüthje S. (2008) Plasma Membrane Redox Systems: Lipid Rafts and Protein Assemblies. In: Lüttge U., Beyschlag W., Murata J. (eds) Progress in Botany, vol 69, pp. 169-200, Springer, Berlin, Heidelberg
• S Lüthje, P Van Gestelen, MC Córdoba-Pedregosa, JA González-Reyes, H Asard, JM Villalba, M Böttger (1998) Quinones in plant plasma membranes—a missing link? Protoplasma 205 (1-4), 43-51

Unser Team zeigte erstmals Veränderungen im Plasmamembranproteom von Erbse (Strategie-I) und Mais (Strategie-II), die  durch Eisenmangel bzw. Eisentoxizität induziert wurden. Durch Kombination von Eisenmangel und Elizitierung konnte ausserdem gezeigt werden, dass u.a. Häm-haltige Membranproteine wichtige Funktionen in der Pathogenantwort zukommen. Studien zu Kurzzeit- und Langzeiteffekten geben uns Hinweise über die molekularen Mechanismen bei Eisenstress und der Pathogenantwort sowie der Stressanpassung.

Weiterführende Literatur:

• S Lüthje, CN Meisrimler, D Hopff (2018) Proteomics of Micronutrient Deficiency and Toxicity. In: Hossain M.A., Kamiya T., Burritt D.J. Phan Tran L.S., Fujiwara T. (eds) Plant Micronutrient Use Efficiency, Molecular and Genomic Perspectives in Crop Plants, pp. 161-180, Academic Press, London, ISBN 978-0-12-812104-7
• E Gutierrez-Carbonell, D Takahashi, S Lüthje, JA González-Reyes,S. Mongrand, B. Contreras-Moreira, A. Abadía, M. Uemura, J. Abadía, AF López-Millán (2016) A shotgun proteomic approach reveals that Fe deficiency causes marked changes in the protein profiles of plasma membrane and detergent-resistant microdomain preparations from Beta vulgaris roots. Journal of proteome research 15 (8), 2510-2524
• CN Meisrimler, S Wienkoop, D Lyon, CM Geilfus, S Lüthje (2016) Long-term iron deficiency: Tracing changes in the proteome of different pea (Pisum sativum L.) cultivars. Journal of Proteomics 140, 13-23
• D Hopff, S Wienkoop, S Lüthje (2013) The plasma membrane proteome of maize roots grown under low and high iron conditions. Journal of proteomics 91, 605-618
• CN Meisrimler, S Planchon, J Renaut, K Sergeant, S Lüthje (2011) Alteration of plasma membrane-bound redox systems of iron deficient pea roots by chitosan. Journal of Proteomics 74 (8), 1437-1449

Unser Team hat erstmals Hämperoxidasen in pflanzlichen Plasmamembranen identifiziert. Klasse-III-Peroxidasen sind eine Multigenfamilie mit über 150 Isoenzymen in Mais. Für ca. die Hälfte dieser Enzyme wird eine Membranlokalisation postuliert. Klasse-III-Peroxidasen bilden ein zelluläres Netzwerk aus ROS produzierenden und entgiftenden Enzymen (PeroxiNET), das streng reguliert zu sein scheint. Die spatiotemporale Expression ihrer Gene ist von entscheidener Bedeutung für Entwicklungsprozesse und die zelluläre Stressantwort.

Wir haben Protokolle für die Zellfraktionierung und Gel-basierte Proteomanalysen etabliert, um die Regulation und Funktion von Peroxidasen innerhalb dieses Netzwerks in der Pflanzenentwicklung und bei oxidativen Stress zu untersuchen. Neben in silico-Studien zur Struktur und Lokalisierung dieser Proteine werden verschiedene molekularbiologische Methoden zur Funktionsanalyse eingesetzt.

Weiterführende Literatur:

• S Lüthje, K Ramanathan (2020) In Silico Analysis of Class III Peroxidases: Hypothetical Structure, Ligand Binding Sites, Posttranslational Modifications, and Interaction with Substrates. Plant Proteomics, 325-339
• A Hofmann, S Wienkoop, S Harder, F Bartlog, S Lüthje (2020) Hypoxia-Responsive Class III Peroxidases in Maize Roots: Soluble and Membrane-Bound Isoenzymes. International Journal of Molecular Sciences 21 (22), 8872
• S Lüthje, T Martinez-Cortes (2018) Membrane-bound class III peroxidases: unexpected enzymes with exciting functions. International Journal of Molecular Sciences 19 (10), 2876
• S Lüthje, CN Meisrimler, D Hopff, T Schütze, J Köppe, K Heino (2013) Class III peroxidases. In: Jorrin-Novo J., Komatsu S., Weckwerth W., Wienkoop S. (eds) Plant Proteomics. Methods in Molecular Biology (Methods and Protocols), vol 1072, pp. 687-706. Humana Press, Totowa, NJ
• A Mika, MJ Boenisch, D Hopff, S Lüthje (2010) Membrane-bound guaiacol peroxidases from maize (Zea mays L.) roots are regulated by methyl jasmonate, salicylic acid, and pathogen elicitors. Journal of Experimental Botany 61 (3), 831-841
• A Mika, F Buck, S Lüthje (2008) Membrane-bound class III peroxidases: identification, biochemical properties and sequence analysis of isoenzymes purified from maize (Zea mays L.) roots.Journal of Proteomics 71 (4), 412-424
• A Mika, S Lüthje (2003) Properties of guaiacol peroxidase activities isolated from corn root plasma membranes. Plant Physiology 132 (3), 1489-1498

Als sessile Organismen sind Pflanzen multiplen abiotischen und biotischem Stress ausgesetzt. Neben der Eisenhomöostase untersuchen wir die Anpassungen auf Umweltverschmutzung, Wetterextreme und multiplen Stress.

Natürliche und industrielle Emissionen verursachen eine Anreicherung von Cadmium und anderen toxischen Elementen in der Umwelt. Ionen dieser Elemente werden von Pflanzen über unspezifische Transporter aufgenommen. Innerhalb der Zelle verursachen sie oxidativen Stress und verändern dadurch den zellulären Redoxzustand. Die molekularen Mechanismen dieser Reaktionen sind nur unzureichend verstanden. Bisher wird die Gesamtperoxidaseaktivität von Proben als allgemeiner Stressmarker für viele Faktoren verwendet. Unser Team erstellte Protokolle, um die Regulierung verschiedener Peroxidase-Isoenzyme gleichzeitig in der selben Probe zu untersuchen. So konnten wir zeigen, dass sich Abundanz und Aktivität verschiedener löslicher, Zellwand- und Membran-gebundener Klasse-III-Peroxidasen unter Cadmium-Exposition veränderten.

Durch den Klimawandel kommt es vermehrt zu Hitze, Trockenheit und Überflutungen in der nördlichen Hemisphäre. Durch den Einsatz schwerer landwirtschaftlicher Maschienen kommt es zusätzlich zu einer Bodenverdichtung, wodurch eine Vernässung begünstigt wird. Überflutungen verursachen Veränderungen des pH-Wertes und des Sauerstoffgehaltes (Hypoxie und Anoxie) im Boden und fördern dadurch Eisentoxizität. Wir konnten zeigen das Hypoxie zu Veränderungen der Abundanz von löslichen Peroxidasen und Plasmamembran-gebundenen Redoxsystemen führt.

References

A. Hofmann, S. Wienkoop, S. Lüthje (2022) Hypoxia-induced aquaporins and regulation of redox homeostasis by a trans-plasma membrane electron transport system in maize roots. Antioxidants 11 (5), 836

C.N. Meisrimler, S. Planchon, J. Renaut, K. Sergeant, S. Lüthje (2011) Alteration of plasma membrane-bound redox systems of iron deficient pea roots by chitosan. Journal of Proteomics, 74: 1437-1449

D. Hopff, S. Wienkoop, S. Lüthje (2013) The plasma membrane proteome of maize roots grown under low and high iron conditions. Journal of Proteomics 91:605-18.

C.N. Meisrimler, S. Wienkoop, D. Lyon, C.M. Geilfus, S. Lüthje (2016) Long-term iron deficiency: Tracing changes in the proteome of different pea (Pisum sativum L.) cultivars. Journal of Proteomics 140:13-23.

E. Gutierrez-Carbonell, D. Takahashi, S. Lüthje, J.A. Gonzalez-Reyes, S. Mongrand, B. Contreras-Moreira, A. Abadía, M. Uemura, J. Abadía, A.F. López-Millán (2016) A shotgun proteomic approach reveals that Fe deficiency causes marked changes in the protein profiles of plasma membrane and detergent resistant microdomain preparations from Beta vulgaris roots. Journal of Proteome Research, 15(8):2510-24. doi: 10.1021/acs.jproteome.6b00026.

 C.N. Meisrimler, F. Buck, S. Lüthje (2014) Alterations in Soluble Class III Peroxidases of Maize Shoots by Flooding Stress. Proteomes 2 (3), 303-322