Dieses Projekt untersucht den ersten Schritt der Biosynthese von Phloridzin in der Modellpflanze Apfel.

Phloridzin stellt mehr als 90% der löslichen phenolischen Inhaltsstoffe in Apfelblättern dar. Diese großen Mengen an Phloridzin machen den Apfel einzigartig, da viele andere Pflanzen nur sehr geringe Mengen bilden und viele eng verwandte Arten wie etwa die Birne weder Phloretin noch das nah verwandte Glukosid Phloridzin enthalten. Phloretin und Phloridzin haben viele positive Effekte auf den menschlichen Organismus, die physiologische Rolle im Apfel ist hingegen noch nicht geklärt. Eine Beteiligung bei der Resistenz gegen Krankheiten wird immer wieder diskutiert.

Wir konnten zeigen, dass die Bildung von Phloridzin auf drei Biosyntheseschritten beruht: (1) die Bildung von Dihydro-p-coumaroyl-CoA aus p-Coumaroyl-CoA durch eine Dehydrogenase, (2) die weitere Bildung von Phloretin durch die Chalkonsynthase und (3) die Glukosylierung von Phloretin an der Position 2´. Während die letzten beiden Schritte bereits gut untersucht sind, ist der erste Schritt noch weitgehend unbekannt. Es ist der entscheidende Schritt, der den Apfel im Vergleich zu anderen Pflanzen in seiner Fähigkeit, große Mengen an Phloridzin zu bilden, einzigartig macht. In unserem letzten FWF-Projekt (P25399-B16) konnten wir in einem aufwendigen Reinigungsverfahren erstmals ein Enzym aus Apfelblättern isolieren, das p-Coumaroyl-CoA in Dihydro-p-coumaroyl-CoA effizient umwandeln kann.

Im Folgeprojekt soll dieses Enzym erstmals genau charakterisiert werden. Um den enzymatischen Mechanismus zu klären, sind Strukturstudien nötig, wie etwa die Kristallisation des Enzyms oder der Einfluss von Substraten, Inhibitoren/Effektoren oder anderen Faktoren. Die DNA-Sequenz der Dehydrogenase wird aus dem Apfel isoliert und in Bakterien eingebracht, um eine größere Menge Enzym zur Charakterisierung herzustellen. Es wird getestet, in welchen Pflanzengeweben und Entwicklungsstadien das Dehydrogenase-Gen an- bzw. ausgeschaltet ist. Die Funktionalität der Dehydrogenase wird auch mit transgenen Pflanzen überprüft, indem das Gen in die Ackerschmalwand (Arabidopsis) und in Birnenpflanzen eingebracht oder in Apfelpflanzen ausgeschaltet wird um die daraus resultierenden Veränderungen beobachten zu können. Der Vergleich der DNA- und der Enzym-Sequenz der Dehydrogenase von verschiedenen Pflanzenarten soll Auskunft über Struktur-Aktivität-Beziehungen auf molekularer Ebene geben. Die Projektmitarbeiter arbeiten in drei Teams, welche komplementäres Wissen und Ressourcen beisteuern. Ein österreichisches Team der TU Wien bringt Wissen zur Phloridzinbiosynthese, Molekularbiologie und Enzymatik ein, während das zweite österreichische Team an der Universität Wien sein Know-How zur Enzymcharakterisierung und -kristallisation beisteuert. Das deutsche Team hat langjährige Erfahrung in der wissenschaftlichen Überprüfung der Funktion einzelner Gene mittels gentechnisch veränderter Pflanzen. Zusätzlich wird ein externes Projektteam aus Neuseeland sein Know-How in Birnentransformation einbringen. Diese Arbeiten werden über neuseeländische Eigenmittel finanziert.

Förderstellen: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft

Projektnummer: I 4296

Laufzeit: 01.05.2020 – 30.04.2024

Kontakt: Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Christian Haselmair-Gosch

PUBLIKATIONEN

Cebulj A, Mikulic-Petkovsek M, Lucaciu C, Veberic R, Marinovic S, Kolarek M, Hutabarat OS, Faramarzi S, Rattei T, Molitor C, Hudina M, Haselmair-Gosch C, Halbwirth H, Slatnar A. (2021). Alteration of the phenylpropanoid pathway by watercore disorder in apple (Malus x domestica). Scientia Horticulturae, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.110438, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Weissensteiner J, Molitor C, Marinovic S, Führer L, Waqas Hassan S, Hutabarat OS, Spornberger A, Stich K, Hausjell J, Spadiut O, Haselmair-Gosch C, Halbwirth H. (2021). Molecular and Enzymatic Characterization of Flavonoid 3'-Hydroxylase of Malus × domestica. Plants (Basel, Switzerland), 10(9), https://doi.org/10.3390/plants10091956, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Schröpfer S., Molitor C., Haselmair-Gosch C., Flachowsky H., Stich K., Halbwirth H. (2022). XXXI International Horticultural Congress (IHC2022): International Symposium on Breeding and Effective Use of Biotechnology and Molecular Tools in Horticultural Crops. 31st International Horticultural Congress: International Symposium on Breeding and Effective Use of Biotechnology and Molecular Tools in Horticultural Crops.

Schröpfer S., Molitor C., Haselmair-Gosch C., Flachowsky H., Stich K., Halbwirth H. (2023). Polyphenols Communications e-vol. 2. The International Conference on Polyphenols (ICP).

Schröpfer S., Molitor C., Böttcher C., Haselmair-Gosch C., Flachowsky H., Halbwirth H. (2023). Validation of a candidate gene involved in the biosynthesis of phloridzin in apple by heterologous expression in Arabidopsis thaliana. XVI Eucarpia Symposium on Fruit Breeding and Genetics.

Kornpointner C., Miksovsky P., Rabeeah I.A., Murray H., Goessinger M., Haselmair-Gosch C., Stich K., Bica-Schroeder K., Halbwirth H. (2023). Polyphenols Communications e-vol. 2. The International Conference on Polyphenols (ICP).

Kniely J. (2021). Molecularbiological and biochemical investigations on the dihydrochalcone biosynthesis in apple leaves. Bachelor thesis

Metzgen M. (2020). Herstellung und Charakterisierung von rekombinanten Cytochrom-P450-abhängigen Proteinen aus Angelonien und Apfel. Bachelorarbeit

Schmidt-Gruber V. (2024). Hinter die Schale geschaut: Verteilung von Phloridzin in verschiedenen Apfelteilen und Untersuchungen zu seiner antioxidativen Wirkung. Bachelorarbeit

Schöpf M. (2022). Untersuchungen zur Reaktion der Chalkonsynthase. Diplomarbeit

Das Projekt "B-Ring Hydroxylierung in der Flavonoidbiosynthese" beschäftigt sich mit wichtigen Enzymen in der Biosynthese von Flavonoiden und anthochloren Pigmenten (Chalcone und Aurone), die für die rote, blaue und gelbe Blütenfärbung und für die Ausprägung von Blütenmalen in Korbblütler-Arten verantwortlich sind und auch gesundheitsfördernde Wirkungen beim Menschen aufweisen. Die Chalcone sind auch die unmittelbaren Vorstufen für die Bildung der Flavonoide, die wichtige Bestandteile der menschlichen Nahrung sind. Aber auch einige pflanzliche Abwehrstoffe auf Isoflavonoidbasis werden ausgehend von den Chalconen gebildet.

Bei dem Projekt handelt es sich um ein Folgeprojekt für das Projekt P29552-B29, das mit der Aufklärung der ersten Kristallstruktur eines Cytochrom-P450-abhängigen Enzyms des Flavonoidbiosynthesewegs begonnen hat, wobei die Chalcon 3-Hydroxylase (CH3H) als Modellenzym verwendet wird. Die Weiterfinanzierung der Arbeiten ist von entscheidender Bedeutung, damit das Team die Ergebnisse des vorherigen Projekts voll nutzen kann.

Die CH3H katalysiert die Einführung einer Hydroxylgruppe an der Position 3 von Chalconen. Die Reaktion weist große Ähnlichkeit mit der Hydroxylierung von Flavonoiden an der Position 3’ auf, kann jedoch von der bekannten Flavonoid 3’-hydroxylase (F3’H) trotz ihrer breiten Substratspezifität nicht katalysiert werden. Die F3'5'H katalysiert hingegen die Einführung von zwei Hydroxylgruppen in den Positionen 3 'und 5', wodurch die Farbe der resultierenden Pigmente von rot nach blau und violett verschoben wird. Die aufgeklärte dreidimensionale Struktur von CH3H ist wesentlich, um die strukturellen Unterschiede, die die divergente Funktionalität von CH3H und F3'H und den Reaktionsmechanismus von F3'5'H bestimmen, vollständig zu verstehen.

In dem Vorgängerprojekt wurden erfolgreich Methoden für die Produktion und Reinigung ausreichender CH3H-Mengen für Kristallisationsexperimente erarbeitet. Die Verfügbarkeit einer ersten Kristallstruktur eines Cytochrom P450 abhängigen Enzyms der Flavonoidbiosynthese wird zu einem ein besseren Verständnis der Funktion der CH3H und weiterer nahe verwandter Enzyme dieses wichtigen Biosynthesewegs führen. Mit diesem Wissen können in Zukunft widerstandsfähigere, attraktivere und gesundheitsförderndere Pflanzen gezüchtet werden.

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 32901

Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

PUBLIKATIONEN

Walliser, Benjamin, Silvija Marinovic, Christoph Kornpointner, Christopher Schlosser, Mustafa Abouelnasr, Olly Sanny Hutabarat, Christian Haselmair-Gosch, Christian Molitor, Karl Stich, and Heidi Halbwirth. "The (Bio) chemical Base of Flower Colour in Bidens ferulifolia." Plants 11, no. 10 (2022): 1289. https://doi.org/10.3390/plants11101289, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Weissensteiner, Julia, Christian Molitor, Silvija Marinovic, Lisa Führer, Syed Waqas Hassan, Olly Sanny Hutabarat, Andreas Spornberger, Karl Stich, Johanna Hausjell, Oliver Spadiut, Christian Haselmair-Gosch, and Heidi Halbwirth "Molecular and Enzymatic Characterization of Flavonoid 3′-Hydroxylase of Malus × domestica." Plants 10, no. 9 (2021): 1956.   https://doi.org/10.3390/plants10091956, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Walliser, Benjamin, Calin Rares Lucaciu, Christian Molitor, Silvija Marinovic, Daria Agata Nitarska, Didem Aktaş, Thomas Rattei, Ioannis Kampatsikas, Karl Stich, Christian Haselmair-Gosch and Heidi Halbwirth "Dahlia variabilis cultivar ‘Seattle’ as a model plant for anthochlor biosynthesis." Plant Physiology and Biochemistry 159 (2021): 193-201. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.12.016, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Nitarska, D., Boehm, R., Debener, T., Lucaciu, R. C., & Halbwirth, H. (2021). First genome edited poinsettias: targeted mutagenesis of flavonoid 3′-hydroxylase using CRISPR/Cas9 results in a colour shift. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 1-12. https://doi.org/10.1007/s11240-021-02103-5, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Cebulj, Anka, Maja Mikulic-Petkovsek, Calin Rares Lucaciu, Robert Veberic, Silvija Marinovic, Martina Kolarek, Olly Sanny Hutabarat, Shadab Faramarzi, Thomas Rattei, Christian Molitor, Metka Hudina, Christian Haselmair-Gosch, Heidi Halbwirth, and Ana Slatnar "Alteration of the phenylpropanoid pathway by watercore disorder in apple (Malus x domestica)." Scientia Horticulturae 289 (2021): 110438, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2021.110438, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster.

Hausjell, Johanna, Julia Weissensteiner, Christian Molitor, Karin Schlangen, Oliver Spadiut, and Heidi Halbwirth. "First purified recombinant CYP75B including transmembrane helix with unexpected high substrate specificity to (2R)-naringenin." Scientific Reports 12, no. 1 (2022): 1-13. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11556-3, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Förderstelle: WWTF Wiener Wissenschafts-, Forschungs- und Technologiefonds

Projektnummer: ESR17-027

Laufzeit: 2018 – 2023

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: I 2919

Laufzeit: 2017 - 2021

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: Europäische Kommission, Horizon2020

Projektnummer: 675657

Laufzeit: 2016 - 2020

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 29552

Laufzeit: 2016 - 2019

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 28795

Laufzeit: 2016 - 2019

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 28134

Laufzeit: 2015 - 2020

Kontakt: Senior Scientist Dipl.-Ing. Dr.rer.nat. Christian Haselmair-Gosch

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 26468

Laufzeit: 2014 - 2018

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 25399

Laufzeit: 2013 - 2018

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 24331

Laufzeit: 2012 - 2015

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: Europäische Kommission (Euphresco)

Projektnummer: 100867

Laufzeit: 2012 - 2014

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: Österreichisches Bundesministerium für Wirtschaft, Familie und Jugend (PRIZE 2010)

Projektnummer: Z100355

Laufzeit: 2012 - 2014

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: Österreichisches Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft

Projektnummer: 100404

Laufzeit: 2008 - 2011

Kontakt: Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: Gesellschaft zur Förderung von Pflanzenforschung

Laufzeit: 2008

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: V18-B03

Laufzeit: 2006 - 2011

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: Europäische Kommission

Projektnummer:

Laufzeit: 2006 - 2010

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: European Science Foundation

Projektnummer: COST Action 864

Laufzeit: 2006 - 2010

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 17629

Laufzeit: 2004 - 2006

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: Hochschuljubiläumsstiftung der Stadt Wien

Projektnummer:

Laufzeit: 2002 - 2004

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth

Förderstelle: Europäische Kommission

Projektnummer: QLK5-CT-1999-01583

Laufzeit: 2000 – 2003

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: FWF - Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung

Projektnummer: P 13020

Laufzeit: 1999 - 2000

Kontakt: Ao.Univ.-Prof.i.R. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Karl Stich

Förderstelle: Jubiläumsfonds der Österreichischen Nationalbank

Projektnummer:

Laufzeit: 1999 - 2000

Kontakt: Associate Prof. Dipl.-Ing. Dr.in techn. Heidi Halbwirth