The Physiological Function of Prise

Abstract

Progersteron-5β-Reduktasen/Iridoidsynthasen (PRISE) sind hochgradig Substrat-promiske, pflanzliche Enzyme der SDR-Superfamilie. Sie setzen eine Vielzahl von α,β-ungesättigten Ketonen um. PRISE sind in die Biosynthese von 5β-Cardenoliden und Iridoiden involviert, kommen aber auch in Pflanzen ohne diese Metabolite des spezialisierten Stoffwechsels vor.

Über die grundlegend physiologische Funktion von PRISE konnten bisher nur gemutmaßt werden. Ihre Aufklärung ist der zentrale Gegenstand dieser Arbeit. Hierzu wurde mit transgenen A. thaliana-Pflanzen gearbeitet und ein Protokoll für die Erzeugung stabil-transgener D. lanata-Sprosse entwickelt. Die Entwicklung eines Transformationsprotokolls für Plantago-Arten schlug fehl, aber glücklicherweise zeigten P. lanceolata und P. media, von Natur aus, große Unterschiede in der Expression von PRISE1.

Es wurde erwartet, dass PRISE in der Entgiftung von kleinen, elektrophilen Substanzen (RES) beteiligt sind. Methylvinylketon (MVK) ist ein natürlich vorkommendes RES und Produkt der Oxidation von Isopren und der Peroxidation von Trienfettsäuren, dass sich in Pflanzen in Situationen von abiotischem Stress anreichert. Wir konnten zeigen, dass Pflanzen mit reduzierter PRISE-Aktivität veränderte H₂O₂-Gehalte und veränderte Expressions-Intensitäten von Redox-assoziierten Genen (z.B. Glutathionreduktasen) aufweisen. Dies deutet auf veränderte Redox-Stati hin, welche auf eine erhöhte Inanspruchnahme des Glutathion-vermittelten Weges der RES-Entgiftung zurückzuführen sind. Konsequenter Weise zeigen Pflanzen mit reduzierter PRISE-Expression auch eine veränderte Reaktion der Genexpression auf exogene MVK-Behandlung. Dies bestätigte die Theorie, dass PRISE an der Entgiftung von RES partizipieren.

D. lanata-Sprosse zeigen außerdem signifikant niedrigere 5β-Cardenolid-Gehalte, welche auf fehlende Progersteron-5β-Reduktase-Aktivität und den veränderten Redox-Status zurückzuführen ist.

Alles in allem lassen unsere Daten vermuten, dass PRISE der unterschiedlichen phylogenetischen Cluster, auch in einem Organismus, unterschiedliche Funktionen übernehmen. So scheint DlP5βR1 direkt an der 5β-Cardenolid-Biosynthese beteiligt zu sein, wohingegen DlP5βR2 den Redox-Status stabilisiert. In A. thalianalassen sich Effekte, welche durch einen Knock-Out von AtStR1 ausgelöst wurden, durch eine Komplementierung mit AtStR2 nicht aufheben.

Alternate abstract:

Progesterone 5β-reductases/ iridoidsynthases (PRISE) are strong substrate-promiscuous plant enzymes of SDR-superfamily. They are able to convert a broad range of α,β-unsaturated ketones. PRISE are involved in the biosynthesis of 5β-cardenolides and iridoids but exist although in plants without these substances of specialized metabolism.

The pivotal physiological function of PRISE could only be surmised. To clarify this issue is main part of this thesis. Therefor I worked with transgenic A. thaliana plants and developed a protocol for the generation of stable transgenic D. lanata-shoots. We failed in the development of a transformation protocol for Plantago species, but fortunately P. lanceolata and P. mediashowed a big difference in PRISE1 expression by nature.

It was surmised that PRISE are involved in the detoxification of small reactive electrophile substances (RES). Methyl vinyl ketone (MVK) is a natural RES and a product of isoprene oxidation and peroxidation of trienoic fatty acids that accumulates in plants in situations of abiotic stress. PRISE from Plantago, Digitalis and Arabidopsis convert MVK very efficient. We could show that plants with a reduced PRISE expression had altered levels of H₂O₂and changed expression intensities of Redox-associated genes (e.g. glutathione reductases) within their leaf material. This indicates an enhanced glutathione-mediated RES-detoxification. Consequently, plants with a reduced PRISE expression also show an altered reaction of gene expression after exogenous MVK treatment. This confirmed the hypothesis that PRISE are involved in RES detoxification.

D. lanatashoot show decreased levels of 5β-cardenolides which are caused by missing progesterone 5β-reductase activity and changed Redox-state.

All in all, the data produced in this study indicate that PRISE from different phylogenetic clusters have different functions within one organism. It seems that DlP5βR1 is directly involved in 5β-cardenolide biosynthesis, while DlP5βR2 stabilizes the Redox-state. In A. thalianachanges caused by AtStR1-knock out can´t be equalized by complementation with AtStR2.