Regulation der Stilbene Biosynthese in Vitis vinifera durch die Transcriptionsfaktoren VvMYB14 und VvMYB15
Gefördert durch Bundesministerium für Bildung und Forschung und das Italienische Project AGER-SERRES, 2010-2015.
Dieses Projekt wurde im Rahmen einer Doktorarbeit von Janine Höll bearbeitet
Zusammenfassung
Stilbene sind Polyphenole, welche eine wesentliche Rolle im pflanzlichen Abwehrsystem bei dem Schutz vor biotischem (z.B. Befall von Herbivoren, Mikroben) und abiotischem (z.B. UV-Strahlung) Stress einnehmen. Stilben-Biosynthese findet nur in wenigen Pflanzenspezies statt, wobei die Weinrebe einen der Hauptproduzenten repräsentiert. Der Grundbaustein der meisten Stilbene ist Trans-Resveratrol, welches unter Verwendung von Vorprodukten aus dem Phenylpropanoid-Reaktionsweg gebildet wird. Diese Kondensationsreaktion wird dabei von der Stilben-Synthase (STS) katalysiert. Bislang wurden Stilben-Synthasen verschiedener Pflanzen isoliert und teilweise charakterisiert, jedoch war die transkriptionelle Regulation der Stilben-Biosynthese lange Zeit unbekannt. In Rahmen dieses Projektes konnten zwei R2R3-MYB-Transkriptionsfaktoren, welche eine Beteiligung an der Regulation der Stilben-Biosynthese in Vitis vinifera (der Weinrebe) aufwiesen, isoliert und charakterisiert werden. Die beiden MYB-Transkriptionsfaktoren erhielten die Bezeichnung VvMYB14 und VvMYB15. Mittels Anwendung von transienten Promotor-Expressionsanalysen in der Weinrebe und im heterologen System Tabak konnte eine spezifische Aktivierung des Stilbene-Synthase Promotors durch die beiden Transkriptionsfaktoren nachgewiesen werden. Entscheidend war jedoch, dass ektopische Expression des Regulators VvMYB15 in verschieden Wein Modellsystemen (Blatt-Infiltration, „Hairy Roots― und in vitro Pflanzen) zu einer Induktion der Stilben-Biosynthese führte, was sich folglich in einem Anstieg der Stilben Produktion widerspiegelte. Diese Metabolit Daten konnten mittels LC-Q-TOF-MS Analyse bestätigt werden und darüber hinaus konnten mittels dieser Methodik verschiedenste einfache und oligomere Stilben-Derivate mit diversen Modifikationen identifiziert werden.
Um weitere Informationen über die Regulation der Stilben-Synthase durch die beiden Transkriptionsfaktoren VvMYB14 und VvMYB15 zu erfahren, wurde deren Verhalten in Abhängigkeit von verschiedenen Umweltbedingungen und Entwicklungsfaktoren geprüft. Die beiden Transkriptionsfaktoren sowie die getesteten Stilben-Synthasen reagierten unter Stresseinwirkung mit erhöhter Expression. Hierbei umfasste die Analyse Kältestress, Zugabe von Hormonen, Verwundung und Lichtmangel. Zudem zeigte eine vergleichende Genexpressionsanalyse während verschiedener Wachstumsphasen in der Weinbeere einen Anstieg der Expression beider Regulatoren und der getesteten Stilben-Synthasen zum Beginn der Reife („véraison“) in der Beerenhaut und sowie in den Samen. Dies spiegelte sich ebenfalls in einer erhöhten Konzentration der Stilbene in der reifen Beere wieder. Außerdem wurde in verschiedenen nicht gestressten Weingeweben sowie unterschiedlichen Weinsorten eine Genexpressionsanalyse durchgeführt, welche in allen untersuchten Proben ein übereinstimmendes Profil von VvMYB14/15 und STS Expression sowie dem Stilbengehalt aufwiesen. Diese Analysen über den Einfluss von entwicklungsbedingten Veränderungen, Umweltfaktoren und Gewebespezifität detektierten ein hohes basales Level der Expression beider Transkriptionsfaktoren sowie der Stilben-Biosynthese, welches darüber hinaus unter Stresseinwirkung noch um ein Vielfaches gesteigert werden kann. Des Weiteren wurde im Zuge der Untersuchungen ein divergierendes Expressionsverhalten der beiden Transkriptionsfaktoren unter diversen Bedingungen deutlich, welches möglicherweise auf eine divergierende, regulatorische Funktion von VvMYB14 und VvMYB15 hinweist.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten zum ersten Mal zwei R2R3-MYB-Transkriptionsfaktoren identifiziert und funktionell charakterisiert werden, welche in der Lage waren die Stilben-Biosynthese in Wein zu induzieren.
Publikationen:
Höll et al. (2013): The R2R3-MYB transcription factors MYB14 and MYB15 regulate stilbene biosynthesis in Vitis vinifera. In: The Plant cell 25. 10.1105/tpc.113.117127.
Höll Janine (2014): The R2R3 MYB Transcription Factors VvMYB14 and VvMYB15 as Regulators of the Stilbene Biosynthesis in Vitis vinifera. Dissertation