Genome-wide Identification and Characterization of the 3- Dehydroquinate Dehydratase/Shikimate Dehydrogenase Gene Family in Rubus chingii Hu

Pflanzen sind nicht nur passives Grün; sie sind chemische Fabriken, die ständig eine riesige Auswahl an Verbindungen herstellen, um zu überleben, zu wachsen und sich zu verteidigen. Unter den wichtigsten dieser Fabriken ist ein Stoffwechselweg bekannt als der Shikimatweg, ein grundlegender Pfad, den Pflanzen nutzen, um die Bausteine für Aminosäuren und eine Vielzahl von Schutzchemikalien aufzubauen. An einem entscheidenden Knotenpunkt in diesem Weg sitzt ein einzigartiges Enzym, das eine Doppelrolle übernimmt: Es hilft bei der Erzeugung von Shikimsäure, einer Vorstufe für viele pflanzliche Essenzen, und steuert den Prozess gleichzeitig in Richtung der Herstellung von Gallussäure. Gallussäure ist eine starke phenolische Verbindung, die in vielen Früchten und Kräutern vorkommt und für ihre antioxidativen Eigenschaften sowie ihre Rolle als direkter Vorläufer von Ellagsäure, einer weiteren nützlichen Verbindung, bekannt ist. Das Verständnis darüber, wie Pflanzen dieses spezifische Enzym kontrollieren, ist der Schlüssel zum Verständnis, wie sie die Produktion dieser wertvollen Chemikalien regulieren, die oft den ernährungsphysiologischen und medizinischen Wert der Pflanze bestimmen.

Forscher richteten ihre Aufmerksamkeit auf Rubus chingii, einen kletternden Strauch, der in China heimisch ist und sowohl als Frucht als auch als traditionelle Medizin geschätzt wird. Die unreifen Früchte dieser Pflanze werden zur Behandlung verschiedener Leiden verwendet, während die reifen Früchte als Delikatesse gegessen werden. Die Pflanze ist besonders reich an Gallussäure und Ellagsäure, aber Wissenschaftler verstanden nicht vollständig, wie die Gene der Pflanze die Produktion dieser Verbindungen steuern. Um dieses Rätsel zu lösen, führte ein Team von Wissenschaftlern der Zhejiang Sci-Tech University eine umfassende Studie durch, um die spezifischen Gene zu kartieren, die für das Enzym verantwortlich sind, welches die Lücke zwischen Shikimsäure und Gallussäure schließt. Sie wollten wissen, wie viele dieser Gene die Pflanze besitzt, wo sie lokalisiert sind, wie sie strukturiert sind und wann sie während des Lebenszyklus der Pflanze ein- oder ausgeschaltet werden.

Das Team begann damit, das gesamte Genom von Rubus chingii zu scannen, um die Gene zu finden, die für dieses spezifische Enzym kodieren. Sie identifizierten genau vier Gene, die sie RcDHD/SDH1 bis RcDHD/SDH4 nannten. Diese Gene sind nicht wahllos verstreut; sie sind gleichmäßig über nur zwei der Chromosomen der Pflanze verteilt. Die Forscher untersuchten anschließend die physikalischen Eigenschaften der Proteine, die diese Gene erzeugen. Sie fanden heraus, dass die Proteine in ihrer Größe variieren, wobei einige recht groß sind und über 1.300 Aminosäuren enthalten, während andere kleiner sind. Trotz dieser Größenunterschiede teilen alle vier Proteine einen gemeinsamen strukturellen Kern, der es ihnen ermöglicht, als Enzyme zu fungieren. Die Studie sagte voraus, dass diese Proteine primär innerhalb des Zellkerns und des Zytoplasmas der Pflanzenzellen operieren, den beiden Hauptkompartimenten, in denen zelluläre Aktivitäten stattfinden.

Um zu verstehen, wie diese Gene evolvierten, verglichen die Wissenschaftler sie mit ähnlichen Genen in anderen Pflanzen, die von etwas über Reis und Mais bis hin zu Soja und Trauben reichen. Die Analyse ergab, dass die vier Gene in Rubus chingii zu einer spezifischen Familiengruppe gehören, die mit anderen zweikeimblättrigen Pflanzen, oder Dikotylen, wie etwa Soja, geteilt wird. Sie gruppierten sich nicht mit den Genen von Gräsern wie Reis oder Mais, was darauf hindeutet, dass diese Gruppe von Genen einem eigenständigen evolutionären Pfad in zweikeimblättrigen Pflanzen gefolgt ist. Die Forscher betrachteten auch die Struktur der Gene selbst und stellten fest, dass sie zwischen neun und vierzehn Segmente, sogenannte Exons, enthalten, welche die Teile des Gens sind, die die Anweisungen für den Aufbau des Proteins tragen. Diese strukturelle Variation deutet darauf hin, dass die Gene zwar verwandt sind, aber stark genug divergiert sind, um potenziell leicht unterschiedliche Rollen zu erfüllen.

Ein entscheidender Teil der Untersuchung beinhaltete die Betrachtung der „Schalter“, die sich in der Nähe dieser Gene befinden. Diese Schalter, bekannt als cis-agierende Elemente, sind DNA-Sequenzen, die dem Gen mitteilen, wann es aktiviert werden soll. Die Forscher fanden heraus, dass die Schalter für diese vier Gene empfindlich auf Licht, Temperatur und verschiedene Pflanzenhormone reagieren. Dies bedeutet, dass die Produktion des Enzyms wahrscheinlich durch die Umgebung beeinflusst wird, wie etwa durch Veränderungen des Sonnenlichts oder das Vorhandensein von Stress. Speziell scheinen die Gene über Schalter zu verfügen, die auf Methyljasmonat reagieren, ein Hormon, das an der Verteidigung beteiligt ist, sowie auf Auxin und Abscisinsäure, welche Wachstum und Stressreaktionen regulieren.

Das Team ging dann vom Computer in das Gewächshaus über, um zu sehen, wie sich diese Gene in einer lebenden Pflanze verhalten. Sie maßen die Aktivität der Gene in verschiedenen Teilen der Pflanze, einschließlich Wurzeln, Stängeln, Blättern, Blüten und Früchten in verschiedenen Stadien der Reifung. Sie fanden heraus, dass die Gene überall aktiv sind, aber ihre Intensität variiert. Ein Gen, RcDHD/SDH4, war besonders aktiv in den Stängeln und Blättern, während die anderen eine konstantere Aktivität in den Wurzeln zeigten. Als sie die Gene während der Fruchtentwicklung verfolgten, zeichnete sich ein klares Muster ab. Die Gene waren am aktivsten, als die Frucht klein und grün war. Als die Frucht größer wurde und begann, die Farbe zu ändern, sank die Aktivität dieser Gene signifikant.

Dieser Rückgang der Genaktivität war nicht zufällig; er entsprach perfekt mit den Mengen der Chemikalien, die die Gene helfen zu produzieren. Die Forscher maßen die Menge an Gallussäure und Ellagsäure in der Frucht in jedem Stadium. Sie fanden heraus, dass sich diese Verbindungen schnell anhäufen, wenn die Frucht klein und grün ist, und ihren Höchststand erreichen, bevor die Frucht rot wird. Als die Frucht reifte und die Genaktivität zurückging, stabilisierten sich die Mengen dieser Chemikalien oder nahmen ab. Diese enge Korrelation deutet darauf hin, dass die Gene in den frühen Stadien des Fruchtwachstums am kritischsten sind und die Produktion dieser schützenden Verbindungen vorantreiben, wenn die Frucht am verwundbarsten ist.

Um zu bestätigen, dass diese Gene tatsächlich auf die internen Signale der Pflanze reagieren, behandelten die Forscher die Blätter mit verschiedenen Hormonen. Als sie Methyljasmonat applizierten, stieg die Aktivität der Gene sprunghaft an, wobei einige ihre Aktivität um mehr als das Fünffache steigerten. Dies bestätigte, dass die Pflanze diese Gene als Teil ihres Verteidigungssystems nutzt und die Produktion hochfährt, wenn sie eine Bedrohung wahrnimmt. Ähnlich reagierten die Gene auf Auxin und Abscisinsäure, wenn auch auf unterschiedliche Weise, wobei ein Gen eine massive achtunddreißigfache Steigerung der Aktivität zeigte, als es Auxin ausgesetzt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Pflanze über ein ausgeklügeltes System zur Regulierung dieser Gene verfügt, indem sie diese je nach Bedarf an Wachstum, Verteidigung oder Stressbewältigung hoch- oder herunterschraubt.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die vier identifizierten Gene in Rubus chingii die primären Regulatoren des Enzyms sind, das die Verbindung zwischen Shikimsäure und Gallussäure herstellt. Ihre Aktivität ist in den frühen Stadien der Fruchtentwicklung und in den Blättern am höchsten, was mit den Zeitpunkten übereinstimmt, in denen die Pflanze hohe Mengen an Gallussäure und Ellagsäure produzieren muss. Die Forschung liefert eine detaillierte Karte darüber, wie diese Gene strukturiert sind, wo sie lokalisiert sind und wie sie auf die Umwelt reagieren. Durch das Verständnis dieser genetischen Maschinerie können Wissenschaftler besser nachvollziehen, wie diese Pflanze ihre medizinischen Verbindungen produziert, und eines Tages dieses Wissen nutzen, um die Qualität der Frucht zu verbessern oder die Produktion dieser wertvollen Chemikalien für den menschlichen Gebrauch zu steigern. Die Arbeit legt den Grundstein für zukünftige Studien, die untersuchen könnten, wie man diese Gene manipulieren kann, um die natürlichen Abwehrmechanismen der Pflanze zu stärken oder den Ertrag ihrer nützlichen Verbindungen zu erhöhen.