Molekulare Mechanismen der Wahrnehmung von und Anpassung an Kalium-Mangel

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Kudla
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468861065

Die Wahrnehmung und Aufnahme von Kalium ist für Pflanzen essenziell. Die Verfügbarkeit von K+ in Böden schwankt aber dramatisch, was K+-limitierende Bedingungen zu einem häufigen Umweltstress macht. Die K+-Homöostase wird durch ein komplexes Zusammenspiel von Prozessen bestimmt, die die K+-Aufnahme durch die Wurzel, Transportprozesse innerhalb und von der Wurzel zum Spross sowie K+ Speicherungsmechanismen vermittelt. Pflanzen verfügen über ein breites Spektrum an adaptiven Reaktionen, die die K+-Verfügbarkeit wahrnehmen und daraufhin adaptive Prozesse in Gang setzen. Die molekularen Mechanismen, mit denen Pflanzen schwankende Kaliumbedingungen wahrnehmen und sich an diese anpassen, sind jedoch erst in Ansätzen bekannt. Die Verschaltung des K+-Transports, d.h. die Identität und Regulation von K+ Kanälen und -Transportern, die die K+-Aufnahme und Verteilung dieses Ions bewirken, ist relativ gut verstanden. Wie und wo Fluktuationen in der K+-Verfügbarkeit mechanistisch wahrgenommen werden, ist jedoch weit weniger verstanden. Auch, welche Signal- und Regulationsprozesse die Etablierung von K+-Strömen und Homöostase auf der Gewebe- und Organskala vermitteln, ist bislang unklar. Frühere Arbeiten der Antragsteller: (a) definierten das K+-Muster der Wurzeln auf der Organskala, (b) identifizierten eine postmeristematische K+-Sensing-Nische (KSN), in der ein schneller K+-Konzentrationsabfall und Ca2+ Signale zusammenfallen, (c) identifizierten eine sich gabelnde low K+ Signalachse von CIF Peptid aktivierten SGN3-LKS4/SGN1-Rezeptorkomplexen, die die low K+ ausgelöste Phosphorylierung der NADPH-Oxidasen RBOHC, D und F vermitteln, (d) und haben aufgedeckt, dass ROS-Signale gleichzeitig die Induktion des K+-Transporters HAK5 und die beschleunigte Reifung des Casparischen Streifens vermitteln. Diese Erkenntnisse zeigten, wie Pflanzen Differenzierung in der Entwicklung und Reprogrammierung des Transkriptoms synchronisieren, um die K+-Homöostase aufrechtzuerhalten. Basierend auf unseren Daten zielt dieses Projekt darauf ab: (1) die Landschaft und Dynamik der K+-Verteilung in Wurzeln zu definieren, (2) die molekularen Mechanismen und Komponenten zu identifizieren, die das K+-Signal in der postmeristematischen KSN erzeugen, (3) zu erforschen, wie KSN-stämmige Ca2+/K+-Signale ein verstärktes CIF2-Signaling vermitteln, (4) die Funktion der Membranpolarisation und die Rolle der PM-ATPasen in LK-Signaling und Anpassung zu untersuchen, und (5) den Zusammenhang der sekundären Ca2+-Erhöhung mit der ROS Signalbildung und den Mechanismen, die die Spezifität der LK-induzierten NOX-Aktivierung bewirken, zu beschreiben. Durch die Kombination von genetischen Ansätzen, Biosensorik-Analysen in Kombination mit phänotypischen Pflanzenanalysen, biochemischen Ansätzen und Reporter-Assays wollen wir grundlegende molekulare Mechanismen identifizieren und charakterisieren, die der LK-Wahrnehmung und Signaltransduktion zugrunde liegen, um integrierte Anpassungsreaktionen zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Partnerorganisation: National Natural Science Foundation of China
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yi Wang