Entschlüsselung der Funktion Zellwand-assoziierter Signalprozesse in der Regulation des Zellschicksals im Sprossapikalmeristem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bedingt durch ihre sessile Lebensweise zeigen Pflanzen eine bemerkenswerte Plastizität der Entwicklung in Abhängigkeit von ihrer Umwelt. Grundlage dieser Plastizität sind kontinuierlich aktive pluripotente Stammzellen, welche die lebenslange postembryonale Bildung neuer Organe antreiben. Da Pflanzenzellen von Zellwänden umschlossen und somit unbeweglich sind, hängt ihr individuelles Differenzierungsprogramm von ihrer relativen Position innerhalb des Organismus ab. Darüber hinaus beruht pflanzliches Wachstum in hohem Maße auf Zell- Elongation, welche durch Umstrukturierung der Zellwand ermöglicht wird, was wiederum die Zellwand als bestimmenden Faktor der pflanzlichen Morphogenese hervorhebt. Es wird vermutet, dass Pflanzenzellen mittels Zelloberflächenrezeptoren ständig Information über den Zustand der Zellwand sammeln und diese Informationen in intrazelluläre regulatorische Netzwerke integrieren. Die Rolle dieser Zellwand-assoziierter Signalprozesse in der pflanzlichen Entwicklung sowie der Einfluss der Zellwandeigenschaften auf Zellverhalten und Zellidentität sind jedoch nur unzureichend verstanden. Unsere vorherigen Ergebnisse deuteten auf ein Szenario hin, in dem die pflanzliche Zellwand nicht nur an der Zelldifferenzierung beteiligt ist, sondern auch Rückkopplungen auf entwicklungsspezifische Übergänge ausübt. Diese Ergebnisse legten nahe, dass die pflanzliche Zellwand nicht nur an der Zelldifferenzierung beteiligt ist, sondern auch bestimmend auf Entwicklungvorgänge wirkt. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens zielten wir daher darauf ab, zu entschlüsseln, wie Zellwandsignale die Zellidentität in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana steuern. Wir zeigen, dass die Kontrolle der Zellwandeigenschaften essenziell für die Erhaltung von Stammzellpopulationen und die Musterbildung im Sprossapikalmeristem (SAM) ist. Die Expression von Pektinmethylesterasen (PMEs), welche die Methylesterifizierung von Homogalakturonan verändern und dadurch die Mechanik der Zellwand modulieren, wird in Stammzellen durch den stammspezifizierenden Transkriptionsfaktor WUS auf einem niedrigen Niveau gehalten. Eine geringe PME-Expression ist erforderlich für Stammzelleigenschaften, Auxin-Musterbildung und stammzellspezifische mechanische Eigenschaften. Ein Verlust von WUS führt zur Abnahme der Wandsteifigkeit im Zentrum des Meristems und unterstreicht somit seine Rolle bei der Aufrechterhaltung der mechanischen Homöostase. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass die durch WUS vermittelte Kontrolle von Zellwand-modifizierenden Enzymen entscheidend für die Aufrechterhaltung der Stammzellidentität und die Organisation des SAM ist. Diese Ergebnisse belegen, dass die pflanzliche Zellwand nicht nur an der Zelldifferenzierung beteiligt ist, sondern auch Rückkopplung auf entwicklungsspezifische Übergänge ausübt – und somit unser Verständnis darüber erweitert, wie die unmittelbare physikalische Umgebung Zellschicksalsentscheidungen in Pflanzen leiten kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Inducible, Tissue-Specific Gene Expression in Arabidopsis Using GR-LhG4-Mediated Trans-Activation. Methods in Molecular Biology, 13-25. Springer US.
Zerin, Tasnim; Greb, Thomas & Wolf, Sebastian
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The Cell Wall Controls Stem Cell Fate in the Arabidopsis Shoot Apical Meristem. openRxiv.
Zerin, Tasnim; Ruiz-Duarte, Paola; Schürholz, Ann-Kathrin; Schlamp, Theresa; Ma, Yanfei; Bevilacqua, Carlo; El Arbi, Nabila; Wenzl, Christian; Miotk, Andrej; Prevedel, Robert; Greb, Thomas; Lohmann, Jan & Wolf, Sebastian
