Publikationer - DCA - Nationalt Center for Fødevarer og Jordbrug

Plantecellevægge og -biopolymerer
Planters cellevægge er yderst komplekse
og dynamiske strukturer og afgørende for
planters udvikling med hensyn til cellers
størrelse og form. Forskellige celletyper
har vægtyper, der varierer i indhold og
komposition i overensstemmelse med
deres funktionelle specialisering. Som et
spejlbillede heraf råder planter over rækker
af isoformer af cellevægenzymer, som
udtrykkes vævsspecifikt og opbygger og
omsætter cellevæggenes byggesten i
overensstemmelse med hver celles udvik-lingsforløb.
Byggestenene består af
80% komplekse polysakkarider. Den
bedst kendte polymer er cellulose, en relativ
enkel polymer bestående alene af
glucose, der er bundet sammen med kun
én bindingstype: β-1,4-glycosidbindinger.
Cellulose er den mest udbredte polymer
i biosfæren. Hvert år producerer planter
180 milliarder tons cellulose, og denne
produktion har en enorm kommerciel betydning.
Vi møder cellulose i træ og papir,
i bomuld, i fødevarer og i dyrefoder. Forarbejdede
celluloseprodukter finder vi i
semisyntetiske tekstiler og kosmetik. Flere
af cellevæggenes andre polysakkarider,
pektin for eksempel, finder anvendelse
som fødevareingredienser.
Mange ledende forskergrupper forsøger
at opnå forståelse af polysaccharidernes
biologi og deres struktur og funktionalitet
i foder og fødevarer. Således
fokuseres der på de gener/enzymer, der er
ansvarlige for biosyntese, modifikation og
omsætning af polysakkariderne. Set i forhold
til de formentlig hundredevis af
gener, der spiller en rolle for
cellevæggenes tilblivelse og
dynamik, er det forbløffende få gener, der
har fået en funktion tilordnet. På grund af
polysakkaridernes kommercielle potentiale
har sekventerin-gen af Arabidopsisgenomet
startet et veritabelt kapløb om at
tilordne funktioner til cellevægsrelaterede
gener.
Usædvanlige plante endo-
1,4-β-D-glucanaser (EGaser)
De løbende modifikationer af cellevæggens
polysakkarider formodes at bero
på et koordineret udtryk og sekretion af
cellevægsenzymer. F.eks. spiller opløselige
endo-1,4-β-glucanaser (EGaser) vigtige
roller i frugtmodning, bladfald, strækningsvækst.
EGaser er ikke plantespecifikke
enzymer, og er således også fundet
hos insekter, nematoder, skaldyr, bakterier
og svampe. Vi har fokuseret på en ny undergruppe
af meget usædvanlige plante
EGaser. Disse adskiller sig fra alle hidtil
kendte EGaser ved at være membranbundne
og lokaliseret i plasmamembranen
samt involveret i biosyntesen af cellulose.
De til enhver tid yngste cellulosemikrofibriller
laves på plantecellevæggens
inderside, og endo-1,4-β-glucanaser er
defineret ved, at de hydro-lyserer 1,4-βglycosidbindinger
mellem to glucose-enheder
i en glucan. Eksistensen af membranbundne
EGaser i planter og deres
sandsynlige funktion i cellulose biosyntesen
har fået stor opmærksomhed.
Således tyder det på, at cellulosebiosyntese
i flere organismer
involverer EGaser. I bakterierne Agrobacterium
tumefaciens og Acetobacter
xylinum, er der bevist for, at henholdsvis
en mem-branbundet og en opløselig,
sekreteret EGase er involveret i biosyntesen
af cellulose.
Da cellulose er en meget benyttet
polymer, studeres gener involveret i
cellulosebiosyntesen således meget, ikke
mindst på grund af kommercielle interesser.
For at opnå detaljeret viden om den
lille genefamilie (KOR, KOR2 og KOR3)
i Arabidopsis, der koder for membranbundne
EGaser, har vi bl.a. karakteriseret
de vævs-specifikke udtryk af KOR2 og
KOR3. Et af de få steder i planter, hvor
man har uhindret adgang til at iagttage
cellevægsstrukturens betydning for
cellens form, er i planternes trichomer.
Trichomer er blandt andet bladhår,
der udgår fra epidermis. I en krans ved
roden af hver trichom sidder hårets
støtteceller. KOR2- og KOR3-generne
udtrykkes henholdsvis i selve håret og
i støttecellerne, figur 1 og 2. Disse udtryksmønstre
er interessant i forhold til,
at trichomer ses som simple modeller for
dannelsen af bomuldsfibre. Således studeres
trichomer hos Arabidopsis nu som
modelsystem for dannelsen af bomuldsfibre
og cellulosebiosyntese. Trichomceller
kan naturligvis ikke isoleres, og undersøgelser
af genudtryksmønstre undersøges
på en hel anden metode.
Vi har undersøgt udtryksmønstret for
KOR2 og KOR3 ved β-glucuronidase (gusA)
reporter-gen-metoden. Ved at koble KOR2
og KOR3’s styringsenheder (promotorer)
til den kodende region for GUS-enzymet,
og efterfølgnde transformere Arabidopsisplanter
med disse genkonstruktioner, kan
man i transformanterne analysere EGasegenernes
styreenheder. Akkumulering af
GUS-enzym i en celle kan således visualiseres
ved at tilføre et substrat for GUSenzymet,
hvor det tilsvarende produkt
farver cellen blå. Mens KOR-genet udtrykkes
næsten overalt i planten, er
KOR2::gusA og KOR3::gusA således udtrykt
i meget afgrænsede væv og celletyper.
KOR2::gusA udtrykkes ydermere
tidligt i rodhårs udvikling i den zone i
roden, hvor rodens kar og andre specielle
celletyper anlægges samt endvidere i den
del af bladene og blomsterorganerne, der
er tættest på plantens akse.
KOR3::gusA er tilsvarende udtrykt
i ledningsvævets strengskedeceller
i bladmesophyllet,
se figur 2.