Localication of the homospermidine synthase, the first pathway specific enzyme of the pyrrolizidine alkaloid biosynthesis in roots of Senecio vernalis

Pyrrolizidinalkaloide (PAs) sind konstitutiv gebildete, pflanzliche Abwehrstoffe, die nur sporadisch im Pflanzenreich vorkommen. Der erste spezifische Schritt in der PA- Biosynthese wird von der Homospermidinsynthase (HSS) katalysiert. Vor kurzem konnte bestätigt werden, daß die HSS durch Genduplikation aus der Desoxyhypusinsynthase (DHS) hervorgegangen ist. Die DHS ist an der posttranslationalen Aktivierung des eukaryontischen Translationsinitiationsfaktors 5A beteiligt. Um die evolutive Beziehung zwischen diesen beiden Enzymen, die an zwei völlig verschiedenen Reaktionen beteiligt sind, besser zu verstehen, wurde ihre gewebespezifische Expression untersucht. Northern-Blot, Reverse-Transcriptase-PCR und verschiedene Immunolokalisationstechniken demonstrieren, daß die DHS konstitutiv im Sproß und in den Wurzeln von Senecio vernalis exprimiert wird. Die Expression der HSS hingegen ist für die Wurzeln spezifisch und ist auf spezielle Gruppen von Zellen der Endodermis und benachbarter Cortex-Zellen, die in direkter Nachbarschaft zum Phloem liegen beschränkt. Die Immunolokalisation der DHS konnte bisher nicht erfolgreich durchgeführt werden. Das Expressionsmuster der HSS unterscheidet sich komplett von dem der DHS aufgrund der Adaption der HSS an die spezifischen Erfordernisse der Pyrrolizidinalkaloidbiosynthese.Pyrrolizidine alkaloids (PAs) are constitutive plant defense compounds with a sporadic taxonomic occurrence. The first committed step in PA biosynthesis is catalyzed by homospermidine synthase (HSS). Recent evidence confirmed that HSS evolved by gene duplication from deoxyhypusine synthase (DHS), an enzyme involved in the posttranslational activation of the eukaryotic translation initiation factor 5A. To better understand the evolutionary relationship between these two enzymes, which are involved in completely different processes, we studied their tissue-specific expression. RNA-blot analysis, reverse transcriptase-PCR, and immunolocalization techniques demonstrated that DHS is constitutively expressed in shoots and roots of Senecio vernalis (Asteraceae), whereas HSS expression is root specific and restricted to distinct groups of endodermis and neighbouring cortex cells located opposite the phloem. All efforts to detect the DHS by immunolocalization failed. The expression pattern for HSS differs completely from its ancestor DHS due to the adaptation of HSS to the specific requirements of PA biosynthesis