Oxylipine in P. patens

Allen Embryophyta liegt ein Generationswechsel in der Fortpflanzung zu Grunde, bei dem mindestens zwei, häufig verschiedene, Erscheinungsformen gebildet werden. Bei diesen Fortpflanzungsformen handelt es sich um den Gametophyten und den Sporophyten. Für die ungeschlechtliche Vermehrung der Embryophyta erzeugt der Gametophyt die Gameten und der Sporophyt die Sporen. Die Gametophyten der Moose sind die grünen Moospflanzen. Die Gametophyten der Samenpflanzen sind im Vergleich zu den Moosen sehr stark reduziert. Bei ihnen ist der männliche Gametophyt auf das mehrzellige Pollenkorn reduziert, das bei den Angiospermen aus drei Zellen (eine vegetative Zelle und zwei Spermazellen) besteht. Der weibliche Gametophyt verbleibt in der Mutterpflanze und wird Embryosack genannt.

Mit Ausnahme der flüchtigen Verbindungen, z. B. die von den Gametophyten produzierten Aldehyde und Alkohole (Dembitsky, 1993), ist nur wenig über Oxylipine und ihre Biosynthese in P. patens bekannt. Aus diesem Grund ist bis jetzt nicht geklärt, welche Oxylipine enzymatisch oder nichtenzymatisch entstehen. Im Vergleich zu höheren Pflanzen besitzen Moose zusätzlich zu den mehrfach ungesättigten C18-Fettsäuren, die tierischen sehr langkettigen Fettsäuren AA und EPA, welche als Vorstufen von Oxylipinen dienen können.

Tatsächlich wurde in P. patens z. B. ein höherer Anteil an AA (16,1 %) als an LA (13,7 %) oder ALA (11,9 %) gefunden (Grimsley, 1981), womit ein komplexeres Oxylipinmuster als in höheren Pflanzen vermutet werden kann. Aus dem Vorkommen zusätzlicher Ausgangsstoffe für die Oxylipinsynthese kann postuliert werden, dass P. patens somit keinem bis dahin bekannten Reaktionsweg zur Biosynthese flüchtiger Verbindungen folgt und stattdessen Gemische von sonst für Pflanzen, Pilze und Tiere typische Metaboliten erzeugt (Wichard et al., 2005).

Seit P. patens als Modellorganismus für Bryophyta etabliert ist (Frank et al., 2005, Cove et al., 2006) und das vollständige Genom veröffentlicht wurde (Rensing et al., 2008), konnte der LOX-Stoffwechselweg von P. patens eingehender untersucht werden (Senger et al., 2005, Wichard et al., 2005). Bemerkenswerterweise ermöglichten diese Untersuchungen neue Einblicke in einen LOX-Stoffwechselweg, der in höheren Pflanzen nicht existiert (Wichard et al., 2005). Für das erste LOX-Enzym, welches aus P. patens kloniert wurde (PpLOX1), konnte ein breites Substratspektrum gezeigt werden.

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Abbildung 1.3: Oxylipine in P. patens. (modifiziert nach Andreou et al., 2009b) (A) LOX/HPL-Stoffwechselweg ausgehend von AA; (B) LOX-LOX/HPL-Stoffwechselweg ausgehend von ALA; (C) Bevorzugte α-DOX Reaktion.

PpLOX1 oxidiert Fettsäuren mit Kettenlängen von C18 bis C22 (Senger et al., 2005;

Abbildung 1.3) und ist, im Gegensatz zu allen bisher beschriebenen LOXen anderer Organismen, ein bifunktionales Enzym, das zusätzlich zur LOX-Aktivität eine Lyaseaktivität zeigt (Senger et al., 2005). Demzufolge wird das 12-LOX Produkt (5Z,8Z,10E,12S,14Z)-12-Hydroperoxy-5,8,14-eikosatriensäure (12S-HPETE) in (5Z,8Z,10E)-12-Oxodekatriensäure (12-ODTE), und die flüchtigen Verbindungen 1-Okten-3-ol (Speisepilzaroma) und 3-Okten-1-ol gespalten (Senger et al., 2005; Abbildung 1.3). Das 1-Okten-3-ol aus Pilzen stammt aus LA, welche von einem Ppo-Enzym mit Fettsäure-Häm-Peroxygenase/Dioxygenase-Domänen (PpoC) in 10-HPODE umgewandelt wird (Brodhun et al, 2009.), und einer zusätzlichen HPL-Aktivität. Bereits 1986 wurde das 12-LOX Produkt 12-ODTE in menschlichen Thrombozyten, welche mit AA stimuliert wurden, nachgewiesen (Glasgow et al., 1986). Zudem ist die 12-ODTE auch als Schreckstoff in Diatomeen bekannt (Pohnert, 2002).

13 Vorstufe des (2E)-Nonenal, wobei LA durch eine 9-LOX und 9-HPL umgewandelt wird (Noordermeer et al., 2000). Diese Verbindung wird in P. patens interessanterweise von AA abgeleitet und ist das Produkt eines CYP74-Enzyms, der PpHPL. PpHPL besitzt ein breites Substratspektrum und ist mit den getesteten Fettsäure-Hydroperoxiden aus LOX-Reaktionen aktiv (Stumpe et al., 2006). In P. patens Mutanten mit Defekten im HPL-Gen wurde nach Verwundung nur die Abwesenheit der flüchtigen C9-Verbindungen detektiert, während die flüchtige Substanz aus grünen Blättern, das (3Z)-Hexenal und die Oktenole noch vorhanden waren. Dafür könnte die PpLOX1-Lyaseaktivität oder eine weitere, bis jetzt nicht charakterisierte, Lyaseaktivität verantwortlich sein. Alternativ könnte das (3Z)-Hexenal durch den Abbau der 13-Hydroperoxy-Fettsäuren gebildet werden. Vielleicht enthält das Genom von P. patens auch zusätzliche Enzyme, die die 13-LOX Produkte der C18-Fettsäuren und die 12-LOX Produkte der C20-Fettsäuren metabolisieren. Mögliche Kandidaten wären Genprodukte der kürzlich entdeckten zwei AOS und zwei AOC-Gene (M. Stumpe, Dissertation, 2006). Die von Dr. M. Stumpe charakterisierte PpAOS1 wies ein sehr breites Substratspektrum für Fettsäure-Hydroperoxide auf, was mit der Tatsache übereinstimmt, dass in P. patens eine Reihe von Alkoholen und Aldehyde gefunden wurden (Dembitsky, 1993, Wichard et al., 2005). Es wurden verschiedene Fettsäure-Hydroperoxide, die wahrscheinlich in P. patens vorkommen, getestet (M. Stumpe, Dissertation, 2006) und bis auf 11-HPETE und 5-HPETE werden die getesteten Fettsäure-Hydroperoxide von PpAOS1 in Allenoxide umgewandelt. Um einen Überblick über die Verteilung der LOX-Produkte in P. patens zu erhalten, wurde der Gehalt an Fettsäure-Hydroperoxiden bestimmt und gezeigt , dass P.

patens sowohl einen hohen Anteil an 13-LOX Produkten als auch an 12-LOX Produkten enthält. (Julia Bode, Diplomarbeit).

Zusätzlich zu den LOX-Reaktionen, wurde in P. patens eine α-DOX beschrieben. Dieses Enzym katalysiert die Umwandlung von Fettsäuren zu α-oxidierten Fettsäuren, welche zu Aldehyden mit ungerader Kettenlänge und wechselnden Mengen an Hydroxysäuren abgebaut werden können. Außerdem wurde gezeigt, dass homogenisiertes Gewebe von P. patens Palmitinsäure (16:0) zu (2R)-Hydroxy-Palmitinsäure und (2R)-Hydroxy-Pentadekansäure umwandeln kann (Hamberg et al., 2005).

Die Analyse des P. patens Genoms bestätigte die Existenz aller Gene der JA-Biosynthese, außer der OPR3 und den CoA-Synthetasen (Rensing et al., 2008) Jedoch wurde der Abbau plastidärer Oxylipine zu Jasmonaten in P. patens bisher nicht nachgewiesen (Senger et al., 2005, Wichard et al., 2005, Stumpe et al., 2006). Eine neuere Studie zeigte, dass nach Infektion mit den Phytium Spezies P. debaryanum und P. irregulare der JA-Gehalt in

14 P. patens anstieg (Oliver et al., 2009), was auf einen funktionellen JA-Signalweg in P. patens hinweisen könnte. Eine neue phylogenetische Studie konnte belegen, dass P. patens eine Genfamilie mit sechs verschiedenen OPR-Genen besitzt (Li et al., 2009). Bis jetzt wurden keine weiteren Untersuchungen zur Funktion der einzelnen OPR-Gene durchgeführt.