Steigerung der Zelluloseproduktion durch Modulierung des pflanzlichen Membranverkehrs

Pflanzliche Zellwände sind ein bedeutender Rohstoff ("Zellstoff") für diverse industrielle Prozesse. Die Optimierung pflanzlicher Zellwandproduktion und die Identifikation und Untersuchung neuer molekularer Ansatzpunkte zu ihrer genetischen Modifikation sind daher von Interesse für die biotechnologische Anwendung. Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände ist Zellulose, neben anderen wie Hemizellulosen und Pektin. Zellulose wird durch Zellulosesynthasen gebildet. Zellulosesynthasen sind Proteinkomplexe aus mehreren Untereinheiten, die in die Plasmamembran eingebettet sind und intrazellulären Zytoskelettstrukturen folgend extrazellulär Zellulose ablagern. Die Abundanz der funkionalen Enzymkomplexe in der Plasmamembran wird u.a. durch die Raten von Membran-Insertion und Membran-Recycling bestimmt. Die Steuerung dieser Aspekte des pflanzlichen Membranverkehrs durch regulatorische Membranlipide ist der Hauptfokus unserer laufenden Grundlagenforschung.

In Vorarbeiten haben wir das Inositol-haltige Phospholipid Phosphatidylinositol 4,5-Bisphosphat (PIP₂) als neuen Faktor identifiziert, über den die Abundanz aktiver Zellulosesynthase-Komplexe in der Plasmamembran beeinflusst werden kann. PIP₂ ist ein wichtiges regulatorisches Element des eukaryotischen Membranverkehrs und seine Biosynthese kann auch in Pflanzen nicht ohne maßgeblichen Einfluss auf das Wachstum modifiziert werden. Pflanzen mit veränderter PIP₂-Bildung zeigen daher neben vedickten Zellwänden eine Reihe von Wachstums- und/oder Entwicklungsdefekten. Um eine veränderte PIP₂-Bildung für die Steigerung der Biomasseproduktion einsetzen zu können, müssen diese Effekte umgangen werden. Im laufenden Projekt sollen genetisch modifizierte Arabidopsis-Pflanzen etabliert und charakterisiert werden, in denen die Gehalte an PIP₂ lokal und/oder induzierbar so moduliert werden, dass eine erhöhte Zellwandbildung resultiert. Die Experimente am Modellsystem Arabidopsis sollen als Grundlage für einen späteren Transfer des Systems in Nutzpflanzen dienen.