Funktion und Regulation von PIP Proteinen in Arabidopsis thaliana
Final Report Abstract
PIP Proteine sind Mitglieder der major intrinsic protein (MIP) Genfamilie, die in der Plasmamembran von Pflanzen lokalisiert sind. In heterologen Expressionssystemen besitzen sie Aquaporin-Eigenschaften, d.h. sie fungieren als passive Membrankanäle für den Austausch von Wasser sowie in Einzelfällen auch für andere, ungeladene Moleküle (z. B. H2O2, CO2). Trotz dieser möglicherweise für den Wasserhaushalt bedeutsamen Funktion ist die Rolle und der Beitrag einzelner Vertreter in der Pflanze noch weitgehend unklar. In diesem Projekt wurden alle acht PIP2 Vertreter der Modellpflanze Arabidopsis untersucht, die eine Untergruppe nah verwandter PIP darstellen. Die wesentliche Frage war, welche Funktionen diese hoch homologen Gene erfüllten und ob diese redundant oder Gen-spezifisch wären. Als ein grundlegendes Werkzeug für die Funktionsanalyse konnten für alle Vertreter mutante Pflanzenlinien (knockout Linien) identifiziert werden, die zum völligen Verlust des jeweiligen PIP Proteins in Arabidopsis führen. Unter normalen Anzuchtbedingungen sowie bei verschiedenen Stressbehandlungen konnte kein signifikanter Unterschied der Mutanten im Wachstum im Vergleich zur Wildtyp-Kontrolle festgestellt werden. Interessanterweise zeigte jedoch der Verlust eines einzigen, spezifischen PIP2 Mitglied eine Hypersensitivität gegenüber erhöhten Salzkonzentrationen. Da dies nicht bei isoosmotischen Sorbitol-Konzentrationen, also bei vergleichbar erschwerter Wasserverfügbarkeit beobachtet wurde, gehen wir davon aus, dass es sich primär nicht nur um eine Störung der osmotischen Wasserpermeation in diesen Linien handelte, sondem um eine noch unbekannte Funktion dieses PIP2 Vertreters. Mit Hilfe transgener Promotor ß-Glucuronidase Reporterpflanzen konnte gezeigt werden, dass die PIP2 Gene in der Pflanze zwar teilweise überlappend exprimiert werden, insgesamt aber distinkte Expressionsmuster aufweisen. Die meisten PIP2 Gene werden auch im Bereich der vaskulären Leitgefaße transkribiert, wenngleich die konkreten zellspezifischen Ausprägungen verschieden sind. Dort könnten sie unterschiedlich bei der Aufnahme und der Verteilung von Wasser involviert sein; dies stimmt zumindest teilweise auch mit Unterschieden bei der Analyse des Wasserhaushalts überein. Eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) öffentlich zugänglicher Expressionsdaten der Arabidopsis PIP Gene zeigte zudem, dass die PIP2 Transkripte-unterschiedlich auf eine Vielzahl von Stresseinflüssen reagieren. In Bezug auf einzelne Stress faktoren konnte das auch für eine Kulturpflanze (Mais) gezeigt werden. Zusammenfassend ist als wesentliches Ergebnis festzuhalten, dass die PIP2 Isoformen trotz ihrer hohen Sequenzähnlichkeit differenzielle und spezifische Funktionen aufweisen und vielfach, aber nicht ausschließlich an der Regulation des pflanzlichen Wasserhaushalts beteiligt sind. In einem weiteren Teilprojekt konnte in Zusammenarbeit mit dem Labor von G. Obermeyer (Univ. Salzburg) ein homologes, pflanzliches Expressionssystem in Pollenprotoplasten etabliert werden. In Übereinstimmung mit Modellrechnungen wurde zudem gezeigt, dass die endogene Wasserpermeabilität nicht limitierend für die Wasseraufnahme während des Schlauchwachstums der Pollen ist.
Publications
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(2005) Differential responses of maize MIP genes to sah stress and ABA. J. Exp. Bot. 56, 2971-2981
Zhu, C., Schraut, D., Hartung, W., Schäffner, A.R.
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(2008) Ectopic expression of Arabidopsis thaliana plasma membrane intrinsic protein 2 aquaporins in lily pollen increases the plasma membrane water permeability of grains but not of tube protoplasts. New Phytol. 180, 787-797
Sommer, A., Geist, B., Da Ines, O., Gehwolf, R., Schäffner, A.R., Obermeyer, G.
