Regulation der Gibberellinsäure-Antwort durch GAI-interagierende Proteinkinasen
Final Report Abstract
Hormone steuern nicht nur wichtige Entwicklungsprozesse und Stoffwechselvorgänge bei Mensch und Tier, sondern sie steuern auch das pflanzliche Wachstum. Die Herstellung und Verteilung des pflanzenspezifischen Hormons Auxin innerhalb der Pflanze ist für die Positionierung und die Ausbildung von Wurzeln, Blättern und Blüten verantwortlich. Die Transportproteine, die das Auxin von Zelle zu Zelle transportieren, sind seit längerem bekannt. Forscher an der Technischen Universität München (TUM) haben jetzt neue Proteine entdeckt, die an der Verteilung des Hormons beteiligt sind. Interessanterweise scheinen diese Proteine die Aktivität der Transportproteine zu kontrollieren, die dafür sorgen, dass das Auxin die Zelle an einer Seite wieder verlassen kann. Damit haben die Forscher eine neue Ebene der Verteilung dieses Pflanzenhormons entdeckt (und werfen damit gleichzeitig viele neue Fragen zur Funktion dieses Prozesses auf). Während bei Mensch und Tier alle Extremitäten bereits im Laufe der Embryonalentwicklung entstehen und diese dann im Laufe des Wachstums nur noch an Größe zunehmen, müssen Pflanzen immer wieder neue Organe wie Wurzeln, Blätter und Blüten anlegen und auswachsen. Nur wenigen dürfte entgangen sein, dass Pflanzen dabei einem bestimmten Prinzip folgen, und dass sie dabei diese neuen Organe so anlegen, dass zum Beispiel die Wurzeln, die das Wurzelsystem bilden, den verfügbaren Boden optimal für die Nährstoffsuche ausnutzen können, oder die Blütenblätter so angeordnet sind, dass eine schöne Blüte entsteht. Aufgrund verschiedenster in den letzten Jahren gemachten Beobachtungen versteht man inzwischen, dass die Anreicherung des Auxinhormons das erste Ereignis in den Zellen ist, aus denen durch Zellteilungen später Wurzeln, Blätter oder Blütenblätter entstehen. Um die Anreicherung des Auxins in diesen Gründerzellen zu bewerkstelligen, haben Pflanzen mindestens zwei Arten von Proteinen zur Verfügung. Solche, die das Auxin aus der Zelle in den Zellzwischenraum transportieren und solche, die das Auxin aus dem Zellzwischenraum aufnehmen und in die Nachbarzelle importieren. Dadurch dass diese Proteine jeweils nur an einer Seite der Zelle angereichert sind, kann das Auxin von den auxinproduzierenden Zellen zu den Zellen transportiert werden, in denen es die Organbildung einleitet. Den Mitarbeitern von Prof. Dr. Claus Schwechheimer am Lehrstuhl für Systembiologie der Pflanzen am Standort Weihenstephan der Technischen Universität München (TUM) ist es jetzt gelungen, ein weiteres am Auxintransport beteiligtes Protein zu entdecken. Während den Arbeiten zu einer Proteinkinase fiel ihnen auf, dass die Verteilung der Proteinkinase in der Zelle, der Verteilung des Proteins sehr stark ähnelt, das für den Auxinexport verantwortlich gemacht wird. Interessanterweise konnten Sie dann auch zeigen, dass Pflanzen, denen die Proteinkinase fehlt, Probleme bei der Ausbildung von Wurzeln und Blüten haben, und umgekehrt, dass Pflanzen, die zuviel Proteinkinase produzieren, mehr Wurzeln ausbilden können. Auch diese Beobachtungen konnten als Hinweis darauf gewertet werden kann, dass es in diesen Pflanze Probleme mit dem Auxintransport gibt. Proteinkinasen regulieren die Aktivität anderer Proteine, indem sie diese durch Anhängen eines Phosphatrestes verändern. Da nachgewiesen werden konnte, dass die untersuchte Proteinkinase das Protein für den Auxinexport durch Phosphorylierung verändern kann, versucht die Arbeitsgruppe von Prof. Schwechheimer momentan mit Hilfe hochauflösender massenspektrometrischer Verfahren zu verstehen, an welchen Stellen die Proteinkinase das Auxinexportprotein durch Phosphoylierungen verändert. Dies ist umso interessanter als es eine zweite verwandte Proteinkinase gibt, die scheinbar nicht die Aktivität sondern die die Verteilung des Auxinexportproteins in der Zelle beeinträchtigt. Durch ihre Arbeiten ist es der Arbeitsgruppe um Prof. Schwechheimer gelungen, eine neue molekulare Ebene bei der Kontrolle des Auxintransports aufzudecken. Auxine finden als Wachstumsregulatoren vielfältige Anwendungen im Gartenbau und in der Landwirtschaft, zum Beispiel bei der Stecklingsbewurzelung. Durch ein genaueres molekulares Verständnis des Auxintransports wird es in Zukunft möglich sein, die Auxine bei der Kontrolle des Pflanzenwachstums gezielter einzusetzen.
Publications
- (2008). Examining protein stability and its relevance for plant growth and development. Plant Signal Transduction. Editor: Thomas Pfannschmidt. Humana Press. Methods Mol Biol., 479, 147 - 171
Claus Schwechheimer, Björn C. Willige, Melina Zourelidou, and Esther M. N. Dohmann
- (2009). The polarly localized D6 PROTEIN KINASE is required for efficient auxin transport in Arabidopsis thaliana. Development, 136(4), 627 - 636
Melina Zourelidou, Isabel Müller, Björn C. Willige, Carola Nill, Yusuke Jikumaru, Hanbing Li, and Claus Schwechheimer
