Projektlaufzeit: 2005 - 2006    

Leitung:

Dr. rer. nat. Burkhard Schmidt
Prof. Dr. rer. nat. Ingolf Schuphan

Bearbeitung:

Anna Hecker

Auftraggeber:

WSSA (Weed Science Society of America), Eigenfinanzierung

 

Hintergrund:

Pflanzliche Cytochrom-P450-Monooxygenasen (P450s oder CYPs) sind wichtige Enzyme des Sekundärmetabolismus. Sie spielen weiterhin eine große Rolle im Metabolismus von Xenobiotika - wie z.B. Pestiziden, insbesondere Herbiziden. Spezies-Unterschiede in der Aktivität bestimmter P450s zum Metabolismus von Herbiziden werden als der Mechanismus angesehen, der es toleranten Pflanzenspezies ermöglicht, gegenüber Herbiziden weniger empfindlich zu sein als andere. P450s, die im Pestizid-Metabolism involviert sind, üben vermutlich auch eine Funktion im Sekundär-Metabolismus aus. CYP73A1 z.B. ist die trans-Zimtsäure-Hydroxylase aus Jerusalem-Artichoke, die auch die Ring-Methyl-Hydroxylierung von Chlortoluron katalysiert, wie durch Expression ihrer cDNA in Hefe gezeigt wurde. Ein Wissenszuwachs über P450s, die in empfindlichen und toleranten Pflanzen vorkommen, und über molekulare Mechanismen, die den P450-katalysierten Metabolismus von Herbiziden in toleranten Pflanzen verantwortlich sind, kann zu einem Verständis der Herbizid-Resistenz und ihrer Entwicklung beitragen.
Auf Grund seiner Toxizität war Kornrade (Agrostemma githago L.) in der Vergangenheit ein problematisches Unkraut in europäischen Getreidefeldern. Heutzutage ist die Pflanze fast ausgestorben - als Folge des Einsatzes von Herbiziden und einer verbesserten industriellen Saatgutreinigung. In Weizenfeldern, sind eine Reihe Herbizide effektiv gegenüber Kornrade (z.B. Triasulfuron, Diuron, Metribuzin, Dicamba + 2,4-D und Bromoxynil). Obwohl bislang über Resistenz bei Kornrade nicht berichtet wurde, sind Zellsuspensionskulturen der Kornrade in der Lage, die Herbizide Metamitron und Atrazin sowie das Xenoestrogen Nonylphenol zu metabolisieren. Die Metaboliten, die identifziert wurden, entstehen durch Dealkylierung und Hydroxylierung der aromatischen und aliphatischen Teilstrukturen der Ausgangsverbindungen. Da diese Reaktionen als typisch für P450-Enzyme im Metabolismus von Xenobiotika angesehen werden, kann man vermuten, dass P450s an der beobachteten Metabolisierung beteiligt sind.
In Verlauf des Projektes wurde eine Plasmid-abhängige cDNA-Bibliothek von Kornrade-Zellsuspensionskulturen konstruiert, um unbekannte P450-Sequenzen zu isolieren. Um eine erhöhte Expression von P450s zu erreichen, wurden die Zellen mit dem Herbizid-Safener Benoxacor behandelt, von dem bekannt ist, dass er den P450-Gehalt von Mais-Keimlingen deutlich erhöht. Um sicherzustellen, dass die Kornradezellen der Suspensionskultur die gewünschten Enzyme noch exprimieren, wurde ihre Fähigkeit, 4-n-Nonylphenol (4-n-NP) durch Oxidation zu metabolisieren, in einer Metabolismus-Studie mit dem radioaktiv-markierten [ring-U-14C]4-n-Nonylphenol überprüft.
Nach Anwendung verschiedener molekularbiologischer Techniken konnten letztlich mittels einer PCR-Strategie unter Verwendung P450-spezifischer degenerierter Primer zwei PCR-Produkte kloniert werden. Die längere Sequenz bestand aus 899 bp. Nach BLAST Sequence Alignment scheint es sich um ein P450 der CYP71-Familie zu handeln. Die Aminosäure-Sequenz dieses PCR-Produkts ist mit 47% identisch mit der Sequenz des CYP71D10 der Sojabohne. Das kürzer PCR-Produkt leitet sich vermutlich ebenfalls von einem P450-Gen ab, war aber zu kurz, um eine vorläufige Klassifizierung zu ermöglichen.