Kontrolle der pflanzlichen Exocyst-Funktion durch Proteinphosphorylierung in Wurzelhaaren und Pollenschläuchen - Regulation des Spitzenwachstums durch AGC1 Kinasen und Exocyst-Phosphoregulation

• Antragsteller: Professor Dr. Claus Schwechheimer
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391059800

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Pflanzenwurzeln generieren Wurzelhaare durch polares Wachstum aus Wurzelepidermiszellen zur besseren Durchdringung des Erdreichs für optimale Nährstoffaufnahme. Die während diesem Prozess ständig stattfindenden Kontakte zwischen dem auswachsenden Wurzelhaar und Bodenpartikeln erfordern ständige Wachstumsanpassungen des Wurzelhaars, die auf zellulärer Ebene wahrgenommen und in Form von Änderungen der Wachstumsrichtung umgesetzt werden müssen. Im beantragten Projekt wurden AGC1.6 und AGC1.7, zwei funktionell redundante Proteinkinasen der AGC1 Proteinfamilie aus dem pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis thaliana, charakterisiert, welche speziell in Wurzelhaar-produzierenden Zellen exprimiert werden. Wir konnten zeigen, dass diese Proteine während des Wachstums direkt unterhalb der Wurzelhaarspitze lokalisieren und in Antwort auf Berührung, und bereits vor der folgenden Wachstumsänderung, an die Kontaktstelle lokalisieren. Mutanten der Proteinkinasen zeigen ein erhöhtes Wachstum in harten Medien, welche Wildtypwurzelhaare nur noch unzureichend durchdringen und welches wir als unkontrolliertes Wachstum kategorisieren. Mit Hilfe von optogenetischen Proteinkinasevarianten, deren Aktivität über Licht gesteuert werden kann, konnten wir belegen, dass das Protein direkt an der Regulation der Wachstumsänderung beteiligt ist. Das Wurzelhaarwachstum bedarf eines ständigen Transports von Membrankomponenten über den zellulären Exocytoseweg. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Viktor Zarsky konnten wir aufzeigen, dass die Regulation des Exocytoseproteins EXO70C2 durch Phosphorylierungen über die AGC1 Kinasen einen möglichen Weg darstellt, wie von AGC1.6 und AGC1.7 mit dem zellulären Wachstum interferieren. Die spezifische Expression der beiden Proteinkinasen in Wurzelhaarzellen wurde auch benutzt, um Daten aus einer umfassenden Arabidopsis thaliana Proteomics-Studie zu validieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Mass-spectrometry-based draft of the Arabidopsis proteome. Nature, 579(7799), 409-414.
  Mergner, Julia; Frejno, Martin; List, Markus; Papacek, Michael; Chen, Xia; Chaudhary, Ajeet; Samaras, Patroklos; Richter, Sandra; Shikata, Hiromasa; Messerer, Maxim; Lang, Daniel; Altmann, Stefan; Cyprys, Philipp; Zolg, Daniel P.; Mathieson, Toby; Bantscheff, Marcus; Hazarika, Rashmi R.; Schmidt, Tobias; Dawid, Corinna ... & Kuster, Bernhard
  
• Proteomic and transcriptomic profiling of aerial organ development in Arabidopsis. Scientific Data, 7(1).
  Mergner, Julia; Frejno, Martin; Messerer, Maxim; Lang, Daniel; Samaras, Patroklos; Wilhelm, Mathias; Mayer, Klaus F. X.; Schwechheimer, Claus & Kuster, Bernhard
  
• Auxin does not inhibit endocytosis of PIN1 and PIN2 auxin efflux carriers. Plant Physiology, 186(2), 808-811.
  Schwechheimer, Claus; Yalovsky, Shaul & Žárský, Viktor
  
• Auxin Transporters—A Biochemical View. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 14(2), a039875.
  Hammes, Ulrich Z.; Murphy, Angus S. & Schwechheimer, Claus
  
• Regulation of Exocyst Function in Pollen Tube Growth by Phosphorylation of Exocyst Subunit EXO70C2. Frontiers in Plant Science, 11.
  Saccomanno, Antonietta; Potocký, Martin; Pejchar, Přemysl; Hála, Michal; Shikata, Hiromasa; Schwechheimer, Claus & Žárský, Viktor
  
• Editorial overview: Cell biology and cell signalling. Current Opinion in Plant Biology, 70, 102312.
  Sprunck, Stefanie; Schwechheimer, Claus & Morita, Miyo T.
  
• Phosphorylation control of PIN auxin transporters. Current Opinion in Plant Biology, 65, 102146.
  Bassukas, A.E. Lanassa; Xiao, Yao & Schwechheimer, Claus
  
• Monitoring single root hairs using a micro-chambered hydroponics system MiCHy reveals a new mode of action of the aminosteroid U73122. Cold Spring Harbor Laboratory.
  Shikata, Hiromasa; Sato, Yoshikatsu & Schwechheimer, Claus