Regulatie en functie in droogteresistentie van twee proteïne isovormen van het enige trehalase gen in Arabidopsis thaliana

Trehalose is een niet-reducerend suiker, bestaande uit twee glucosemoleculen die zijn verbonden via een 1,1-glycosidebinding. Het fungeert doorgaans als reservekoolhydraat, structurele component of stressbeschermer. Het wordt gesynthetiseerd in een breed scala aan organismen zoals bacteriën, schimmels, nematoden, geleedpotigen en planten. In planten wordt trehalose gesynthetiseerd door twee opeenvolgende enzymatische reacties die worden gekatalyseerd door trehalose-6-fosfaatsynthase (TPS) en trehalose-6-fosfaatfosfatase (TPP). Trehalose-6-fosfaat (T6P), de intermediaire metaboliet van de biosynthese van trehalose, wordt beschouwd als een signaal voor de beschikbaarheid van suiker en is een belangrijke regulator van het metabolisme, de groei en ontwikkeling van planten. Planten brengen grote families van trehalose biosynthese gerelateerde genen tot expressie, waaronder 11 TPS-genen (AtTPS1-11) en 10 TPP-genen (AtTPPA-J) in de modelplant Arabidopsis thaliana. Niettegenstaande dit, zijn er in de meeste planten slechts kleine hoeveelheden trehalose aanwezig, met uitzondering van enkele extreem droogtetolerante soorten (zoals de woestijnplant Selaginella lepidophylla). In Arabidopsis codeert slechts één enkel gen, AtTRE1, voor trehalase, het enzym dat de afbraak van trehalose in twee glucose-eenheden katalyseert. Tot dusver is de werking en het belang van dit enzym voor de plant weinig onderzocht.

In deze studie ontdekten we de aanwezigheid van twee varianten van trehalase met verschillende subcellulaire lokalisaties. Ze worden geproduceerd uit een enkel transcript van AtTRE1 via alternatieve translatie-initiatie. De lange variant met volledige lengte (AtTRE1L) lokaliseert zich in het plasmamembraan, terwijl de korte variant (AtTRE1S), die het transmembraandomein mist, in het cytoplasma en de kern is gelokaliseerd. Deze bevindingen geven meer inzicht in hoe trehalase zowel extracellulaire als intracellulaire trehalose kan hydrolyseren. Vervolgens ontdekten we dat het enzym post-translationeel wordt gemodificeerd. In overeenstemming met de lokalisatie in het membraan is het AtTRE1L-eiwit N-geglycosyleerd. Bovendien vonden we ook dat beide varianten worden geactiveerd door fosforylering, afhankelijk van AtCPK10, een door stress geïnduceerd calciumafhankelijk eiwitkinase. Een interessante observatie was dat de twee varianten met elkaar interageren waardoor AtTRE1L zorgt dat AtTRE1S gelokaliseerd blijft in het membraan en dus niet naar de kern kan migreren. Overexpressie van de korte variant resulteert dan wel in nucleaire localisatie. Finaal hebben we transgene planten gemaakt waarbij genomische AtTRE1L- of AtTRE1S-fragmenten tot expressie werden gebracht in een Attre1-mutant. Fenotypische analyse van de transgene planten toont aan dat beide varianten katalytisch actief zijn en dat expressie van beide varianten ABA-geïnduceerde sluiting van de huidmondjes kan mediëren. Het effect van AtTRE1S is echter veel sterker waardoor transgene planten die de korte variant tot expressie brengen, duidelijk meer droogteresistent zijn.  Deze bevindingen zullen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe strategieën om de droogteresistentie bij planten te verhogen.