Konsequenzen der Expression eines Transportproteins des Kartoffelblattrollvirus in transgenen Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum L.) : physiologische, strukturelle und morphogenetische Auswirkungen eines einzigen Gens

Abstract

Die Aufklärung der Funktion viraler Gene in transgenen Pflanzen hat gezeigt, dass Pflanzenviren über spezielle Proteine verfügen, die deren Zell-zu-Zell-Transport ermöglichen. Diese Transportproteine (MPs, movement proteins) nutzen dabei einen pflanzeneigenen Mechanismus für den Transport von Makromolekülen durch Plasmodesmen (Kragler et al. 2000, Itaya et al. 2002). Werden MPs in transgenen Pflanzen exprimiert, führt das zu Veränderungen im Kohlenhydratmetabolismus, in der Verteilung der Biomasse zwischen Wurzel und Spross und im Wachstum der Pflanzen. Als Ursache für diese physiologischen Veränderungen werden hauptsächlich zwei Hypothesen diskutiert. Nach der ersten verursacht die Produktion von MPs eine Hemmung des Exports von Photoassimilaten aus den Photosynthese betreibenden Blättern, wodurch die beobachtete Kohlenhydratakkumulation, die Wachstumsreduktion und die Veränderung der Kohlenhydratpartitionierung verursacht wird. Eine zweite, umfassendere Hypothese geht davon aus, dass MPs wegen ihrer Fähigkeit makromolekularen Transport durch Plasmodesmen zu ermöglichen, mit einem pflanzeneigenen Signalmechanismus interferieren, der die Allokation der Photoassimilate zu den verschiedenen Organen reguliert. Danach hätte die Expression von MPs in transgenen Pflanzen eine Vielzahl von Konsequenzen. Die meisten Studien hierüber wurden mit dem MP des Tabakmosaikvirus (TMV, tobacco mosaic virus) sowohl in transgenen Tabak- als auch in transgenen Kartoffelpflanzen durchgeführt. Auch das MP des phloem-limitierten Kartoffelblattrollvirus (PLRV, potato leafroll virus) wurde bereits in zwei Studien untersucht. Diese wurden allerdings an transgenen Tabakpflanzen und nicht am natürlichen Wirt, der Kartoffelpflanze, durchgeführt. In der vorliegenden Arbeit sollte daher geklärt werden, welche Konsequenzen die konstitutive Expression des PLRV-MPs (MP17N) in transgenen Kartoffelpflanzen hat. Dabei zeigte sich, dass das MP17N auf vielen Ebenen in physiologische Prozesse eingreift, die zum Teil vom Entwicklungszustand der Pflanzen abhängen. So war das Wurzel/Spross-Verhältnis bei entwicklungsphysiologisch älteren transgenen Pflanzen zugunsten des Sprosses verschoben, während es bei den entwicklungsphysiologisch jungen Pflanzen unverändert blieb. Auch der Einfluss des MP17N auf den Kohlenhydratgehalt hing vom Entwicklungszustand der Pflanzen ab. Nur die entwicklungsphysiologisch jungen MP17N-transgenen Pflanzen akkumulierten im Vergleich zur Kontrollpflanze beträchtliche Mengen an Kohlenhydraten in ihren Source-Blättern, woraus sich schließen lässt, dass die Kohlenhydratakkumulation nicht mit der auch in anderen Studien beobachteten Verschiebung des Wurzel/Spross-Verhältnisses in Verbindung steht. Diese Ergebnisse können auf unterschiedliche Weise interpretiert werden. Zum einen deuten einige Befunde dieser Arbeit tatsächlich auf eine Hemmung des Exports von Photoassimilaten hin. Die Akkumulation von Kohlenhydraten in den Source-Blättern bei den entwicklungsphysiologisch jungen transgenen Pflanzen könnte beispielsweise so erklärt werden. Die Abhängigkeit dieser Veränderung im Kohlenhydrathaushalt vom Entwicklungszustand der Pflanze spricht dagegen eher für einen Ein¬fluss des MP17N auf die pflanzeneigene Signalübermittlung, die die Verteilung der Bio¬masse reguliert. Es lassen sich also Be¬lege für beide oben genannten Hypothesen finden. Die Tatsache, dass in allen Experimenten sowohl die Biomasse der transgenen Pflanzen als auch deren Photosyntheserate reduziert waren, deutet jedoch auf ein weiteres Erklärungsmodell hin. Dieses geht davon aus, dass das Wachstum der transgenen Pflanzen durch den Einfluss des MP17N generell beeinträchtigt wird und dass dies nicht notwendigerweise die Folge von Veränderungen im Kohlenhydrathaushalt sein muss. Die beobachtete Verdopplung der Gefäßelemente im sekundären Xylem der Sprossachse und die veränderte Plasmodesmenfrequenz im Sprosscambium wären nach dieser Vorstellung direkte Auswirkungen des MP17N auf die Differenzierung des Cambiums. Die hier vorgestellten Ergebnisse illustrieren, auf welch vielfältige Weise sich die Integration eines einzigen Gens (MP17N) in das Genom einer Kartoffelpflanze auswirkt. Der Grund für diese Komplexität liegt vermutlich in der speziellen Eigenschaft des MP17N, mit einem endogenen Zell-zu-Zell-Transportsystem zu interagieren, das bei Differenzierungsprozessen und bei der Signalübermittlung eine wichtige Rolle spielt.