Dynamische Muster des Pflanzenbotenstoffs Auxin

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karen Alim
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 318879394

Der einflussreichste Botenstoff bei der Pflanzenentwicklung ist das winzige Wachstumshormon Auxin. Das Phytohormon steuert grundlegende Prozesse wie Zellteilung und Zellwachstum und bildet Mustern, die der Sprossarchitektur und der Blattvaskulatur zugrunde liegen. Dadurch kontrolliert Auxin die dynamische Morphologie von Pflanzen. Die Muster von Auxin und seiner Transportproteine PIN und AUX/LAX sind dynamisch und reorganisieren sich während der gesamten Pflanzenentwicklung. Die lange Geschichte der Modellierung von Auxinmustern hat in jüngster Zeit einen Neustart erfahren, da die bis dahin mystische polare Bindung von PIN aufgedeckt wurde. Wahrscheinlich koordinieren mechanische Spannungen im sich entwickelnden Gewebe wo sich PIN bevorzugt anlagert. Dieser Befund deutet nun auf den folgenden wenig erforschten Rückkopplungszyklus zwischen Auxin/PIN und Gewebemechanik hin. Eine hohe Auxinkonzentration in einer Zelle schwächt benachbarte Zellwände und erzeugt dadurch mechanische Spannungen im Gewebe. Mechanische Spannungen wirken sich wiederum auf die Auxinflüsse aus, da die PIN-Bindung entlang gestresster Zellwände hochreguliert wird. So wie die Gewebemechanik eine grundlegende Rolle bei der Auxin-Musterung spielt, so spielen auch die Zellgeometrie und biomechanische Variationen in einem Gewebe hier eine wichtige Rolle. Wie viel Zellgeometrie und biomechanische Variation die Auxinmusterung beeinflussen, ist eine offene Frage.Um diese wichtige Frage zu beantworten, schlagen wir hier vor, die Rolle der Zellgeometrie und der biomechanischen Variation in Auxinmustern zu untersuchen, indem wir die Auxindynamik auf segmentierten Geweben aus der Lichtscheibenmikroskopie vorhersagen und Modellvorhersagen mit experimentellen Beobachtungen vergleichen. Insbesondere werden wir die natürliche Variabilität in der Auxindynamik während der Auswahl von Gründerzellen der Seitenwurzel nutzen, um die Rolle der Zellgeometrie in der Auxinmusterdynamik zu identifizieren. Darüber hinaus werden wir die bekannten mechanischen Veränderungen der Endodermis während der Seitenwurzelbildung als Fallstudie für die Rolle biomechanischer Variationen in einem Gewebe bei der Auxinmusterung nutzen. Beide Fallstudien werden in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Daten aus dem Maizel-Labor (P6) durchgeführt und ermöglichen es uns, auch zu untersuchen, wie sich Zellteilungen auf die Gewebemechanik und die Auxinmusterung auswirken. Die Untersuchung der Variation der Zellgeometrie am apikalen Sprossmeristem, wie sie vom Lohmann-Labor (P5) untersucht wurde, liefert eine weitere Gewebegeometrie, um den Einfluss der Zellgeometrie auf die Auxinmuster zu testen. Die beispiellose enge Verzahnung von theoretischer Modellierung und experimentellen Beobachtungen wird neuen Einsichten für unser Verständnis der Auxindynamik liefern, und darüber hinaus aufzeigen wie pflanzliche Gewebemechanik und biochemische Signalisierung während der Pflanzenentwicklung miteinander verknüpft sind.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2581: Morphodynamik der Pflanzen