Analyse und Rekonstitution regulatorischer Netzwerke der Epidermis-Differenzierung und des polaren Wurzelhaarwachstums

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Kudla
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264387517

Gerichtetes Spitzenwachstum stellt einen wesentlichen Mechanismus zur Etablierung zellulärer Polarität dar und ist ein grundlegender Prozess, dem das Wachstum von polar wachsenden Zellen unterliegt. Wurzelhaare sind Fortsätze spezialisierter Epidermiszellen. Polares Spitzenwachstum in Wurzelhaaren setzt eine strenge Koordination und Regulation von Zytoskelettdynamik, Vesikeltransport und Ionenströmen voraus. So wurde in Wurzelhaaren ein spitzenlokalisierter Ca2+-Gradient nachgewiesen, der essentiell für das Wurzelhaarwachstum ist. Zusätzlich auftretende, oszillierende Erhöhungen der Ca2+-Konzentration regulieren wahrscheinlich das ebenfalls in seiner Geschwindigkeit oszillierende Spitzenwachstum sowie oszillierende Änderungen reaktiver Sauerstoffspezies (ROS)-Konzentrationen und des pH-Wertes.Das langfristige Projektziel liegt in dem Verständnis der molekularen Komponenten und Mechanismen, denen polares Wurzelhaarwachstum unterliegt. Darüber hinaus beabsichtigen wir die Rekonstruktion des beschriebenen oszillierenden Netzwerks. Unsere vorläufigen Daten sowie publizierte Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Ca2+-aktivierte CBL/CIPK-Komplexe und CDPKs simultan NADPH-Oxidasen aktivieren. Es gibt zunehmend Hinweise auf Ca2+-unabhängige Phosphorylierung als alternativen Aktivierungsmechanismus für NADPH Oxidasen sowie auf Phosphatasen, die solch einer Aktivierung entgegenwirken.Wir möchten untersuchen, wie genau verschiedene Komponenten dieses Signalnetzwerks wirken, wie diese Komponenten dynamisch miteinander vernetzt sind und wie quantitative Änderungen der Ca2+-Konzentration die Informationsverarbeitung in Wurzelhaaren regulieren. Im Hinblick auf die Erkenntnisse, die wir in den letzten Jahren gewonnen haben, wollen wir uns nun auf die folgenden Forschungsziele konzentrieren:(i) Untersuchung der Mechanismen und Komponenten, die den Ca2+-Gradienten und die Ca2+-Oszillationen in Wurzelhaaren etablieren und aufrechterhalten. (ii) Analyse der Bedeutung der Ca2+-gesteuerten Phosphorylierung für die Aktivierung von RbohC. (ii) Analyse der potentiellen Bedeutung der Ca2+-unabhängigen Phosphorylierung für die Aktivität von RbohC. (iv) Erforschung zurzeit unbekannter Komponenten und Mechanismen, die die notwenige Deaktivierung von RbohC regulieren. Die Erkenntnisse aus den Projektteilen (i) – (iv) kombinierend, wollen wir anschließend (v) das komplexe Zusammenspiel dieser Kinasen und Phosphatasen bei der Regulierung von RbohC untersuchen und (vi) die Rekonstitution des zugrundeliegenden regulatorischen Netzwerkes für die Bildung von Ca2+-Oszillationen und ROS-Signalen in HEK293T Zellen initiieren. Komplementär zu diesen Ansätzen wollen wir unsere Untersuchungen von „second messenger“ Dynamiken in Wurzelhaaren weiterentwickeln und neue Komponenten, die diese Prozesse steuern, identifizieren. Unsere Untersuchungen werden detaillierte Einblicke in das komplexe Zusammenspiel dieser Signalwege in wachsenden Wurzelhaaren ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen