Munich, Germany
March 11, 2020
Mit der Kartierung von über 18.000 Proteinen haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TUM ein umfangreiches Nachschlagewerk für die populäre Modellpflanze Arabidopsis thaliana herausgebracht, das über die Online-Datenbank „ProteomicsDB“ frei zugänglich ist. - Bild: Lehrstuhl für Proteomik und Bioanalytik
Plants are essential for life on earth. They provide food for essentially all organisms, oxygen for breathing, and they regulate the climate of the planet. Proteins play a key role in controlling all aspects of life including plants. Under the leadership of the Technical University of Munich (TUM), a team of scientists has now mapped around 18,000 of all the proteins found in the model plant Arabidopsis thaliana.
Every cell of any organism contains the complete genetic information, or the "blueprint", of a living being, encoded in the sequence of the so-called nucleotide building blocks of DNA. But how does a plant create tissues as diverse as a leaf that converts light into chemical energy and produces oxygen, or a root that absorbs nutrients from the soil?
The answer lies in the protein pattern of the cells of the respective tissue. Proteins are the main molecular players in every cell. They are biocatalysts, transmit signals inside and between cells, form the structure of a cell and much more.
"To form the protein pattern, it is not only important which proteins are present in a tissue, but, more importantly, in what quantities," explains Bernhard Kuster, Professor of Proteomics and Bioanalytics at TUM. For example, proteins of the photosynthesis machinery are found primarily in leaves, but also in seeds, yet at a thousand times lower levels.
Laboratory plants as a model for basic research
The team around Dr. Julia Mergner and Prof. Bernhard Kuster examined the model plant Arabidopsis thaliana, or thale cress, using biochemical and analytical high-throughput methods to find out more about the molecular composition.
For 40 years, this rather inconspicuous weed with small white flowers has been the "laboratory mouse" of plant biology. It is small, generally undemanding and easy to grow. These properties have paved the way for its frequent us in genetics and molecular biology. The fact that insights from basic research on Arabidopsis can often be transferred to crop plants also makes Arabidopsis interesting for plant breeding research.
Most of the data was generated using a method called liquid chromatography-tandem mass spectrometry, which enables the analysis of thousands of proteins in parallel in one experiment and bioinformatics methods helped analyze the huge amounts of data.
Arabidopsis-Atlas for the global scientific community
"For the first time, we have comprehensively mapped the proteome, that is, all proteins from the tissues of the model plant Arabidopsis," explains Bernhard Kuster. "This allows new insights into the complex biology of plants."
All results of the research work were summarized in a virtual atlas which provides initial answers to the questions:
- How many of the approximately 27,000 genes exist in the plant as proteins (> 18,000)?
- Where are they located within the organism (e.g. flower, leaf or stem)?
- In what approximate quantities do they occur?
All data is freely available in the online database ProteomicsDB, which already contains a protein catalog for the human proteome, which the same team at TUM decoded in 2014.
Research results as the basis for future analysis of crop plants
One can anticipate that there are similarities between Arabidopsis and the molecular maps of other plants. “The Atlas should, therefore, also inspire research on other plants,” says Kuster.
In the future, the researchers will turn their attention to the analysis of crops. Of particular interest will be to investigate how the proteome changes when plants are attacked by pests or how plants can adapt to climate change.
Publications:
Julia Mergner, Martin Frejno, Markus List, Michael Papacek, Xia Chen, Ajeet Chaudhary, Patroklos Samaras, Sandra Richter, Hiromasa Shikata, Maxim Messerer, Daniel Lang, Stefan Altmann, Philipp Cyprys, Daniel P. Zolg, Toby Mathieson, Marcus Bantscheff, Rashmi R. Hazarika, Tobias Schmidt, Corinna Dawid, Andreas Dunkel, Thomas Hofmann, Stefanie Sprunck, Pascal Falter-Braun, Frank Johannes, Klaus F. X. Mayer, Gerd Jürgens, Mathias Wilhelm, Jan Baumbach, Erwin Grill, Kay Schneitz, Claus Schwechheimer und Bernhard Kuster: Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome. Nature.
Molekulare Landkarte für die Pflanzenforschung - Erstmalige umfassende Kartierung des Proteoms der Modellpflanze Arabidopsis thaliana
Pflanzen sind für das Leben auf der Erde unerlässlich. Sie liefern die Nahrung für praktisch alle Lebewesen, den Sauerstoff zum Atmen, und sie regulieren das Klima des Planeten. Proteine haben eine Schlüsselstellung bei der Steuerung der Lebensvorgänge in Pflanzen. Unter der Federführung der Technischen Universität München (TUM) hat ein Wissenschaftsteam nun rund 18.000 der in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana vorkommenden Proteine kartiert.
Jede Zelle eines Organismus enthält die komplette genetische Information, den „Bauplan“ eines Lebewesens, verpackt in der Abfolge der so genannten Nukleotidbausteine der DNS. Doch wie entstehen daraus so unterschiedliche Gewebe wie ein Blatt, das über die Photosynthese Lichtenergie in chemische Energie umwandelt und Sauerstoff produziert oder eine Wurzel, die Nährstoffe aus dem Boden aufnimmt?
Die Antwort darauf liegt in dem Proteinmuster der Zellen des jeweiligen Gewebes. Proteine sind die wichtigsten Akteure in jeder Zelle. Sie sind Biokatalysatoren, leiten Signale innerhalb und zwischen Zellen weiter, bilden die Zellstruktur und vieles mehr.
„Für das Proteinmuster ist nicht nur bedeutend, welche Proteine in einem Gewebe vorkommen, sondern vor allem in welchen Mengen“, erklärt Bernhard Küster, Professor für Proteomik und Bioanalytik an der TUM. So finden sich Proteine der Photosynthese-Maschinerie zum Beispiel vor allem in Blättern, aber in nur tausendfach geringerer Menge auch in Blüten und Samen.
Laborpflanzen als Modell für die Grundlagenforschung
Das Team um Dr. Julia Mergner und Prof. Bernhard Küster hat die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, zu Deutsch „Ackerschmalwand“, mit biochemischen und analytischen Hochdurchsatz-Methoden untersucht, um mehr über die molekulare Zusammensetzung zu erfahren.
Seit 40 Jahren ist das unscheinbare Unkraut mit kleinen weißen Blüten die „Labor-Maus“ der Pflanzenbiologie. Sie ist klein, anspruchslos im Wachstum und einfach zu züchten. Diese Eigenschaften haben ihr den Weg in die Labore der Genetik und Molekularbiologie geebnet. Dass die Ergebnisse der Grundlagenforschung an Arabidopsis sich oft auch auf Nutzpflanzen übertragen lassen, macht die Pflanzenart zudem für die Züchtungsforschung interessant.
Als Messmethoden verwendete das Team die so genannte Flüssigchromatographie-gekoppelte- Tandem-Massenspektrometrie die es ermöglicht, tausende von Proteinen in einem Experiment zu analysieren. Methoden der Bioinformatik halfen bei der Analyse der sehr großen Datenmengen.
Arabidopsis-Atlas für die globale Forschungsgemeinschaft
„Erstmalig haben wir das Proteom, also alle Proteine der Gewebe der Modellpflanze Arabidopsis, umfassend kartiert“, erklärt Bernhard Küster. „Das lässt neue Einblicke in die komplexe Biologie von Pflanzen zu.“
Alle Ergebnisse der Forschungsarbeit wurden in einem virtuellen Atlas zusammengefasst, der. Antworten darauf liefert,
- wie viele der etwa 27.000 Gene in der Pflanze als Proteine existieren (>18.000),
- wo sie sich befinden (z.B. Blüte, Blatt oder Stengel) und
- in welchen ungefähren Mengen sie dort auftreten.
Diese Informationen sind frei in der online Datenbank ProteomicsDB abrufbar, die bereits einen Protein-Katalog für das menschliche Proteom enthält, welches das gleiche Team der TUM im Jahr 2014 entschlüsselt hat.
Forschungsergebnisse als Grundlage künftiger Analysen von Nutzpflanzen
Es ist zu erwarten, dass es Ähnlichkeiten zwischen Arabidopsis und den molekularen Landkarten anderer Pflanzen gibt. „Der Atlas soll daher auch die Forschung an anderen Pflanzen befeuern“, so Küster.
Die Forscherinnen und Forscher werden sich zukünftig mit der Analyse von Nutzpflanzen beschäftigen. Interessant wird dabei vor allem sein, wie sich das Proteom verändert, wenn die Pflanzen von Schädlingen angegriffen werden, oder wie sich Pflanzen an den Klimawandel anpassen können.
Publikationen:
Julia Mergner, Martin Frejno, Markus List, Michael Papacek, Xia Chen, Ajeet Chaudhary, Patroklos Samaras, Sandra Richter, Hiromasa Shikata, Maxim Messerer, Daniel Lang, Stefan Altmann, Philipp Cyprys, Daniel P. Zolg, Toby Mathieson, Marcus Bantscheff, Rashmi R. Hazarika, Tobias Schmidt, Corinna Dawid, Andreas Dunkel, Thomas Hofmann, Stefanie Sprunck, Pascal Falter-Braun, Frank Johannes, Klaus F. X. Mayer, Gerd Jürgens, Mathias Wilhelm, Jan Baumbach, Erwin Grill, Kay Schneitz, Claus Schwechheimer und Bernhard Kuster: Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome. Nature.
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