Die Rolle der Vakuole bei der Verstärkung von Langstrecken Ca2+-Signalen

• Antragsteller: Professor Dr. Dietmar Geiger; Professor Rob Roelfsema, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563126265

Der größte Teil des Volumens einer Pflanzenzelle wird von einer zentralen großen Vakuole eingenommen, deren freie Ca2+-Konzentration 10^4-mal höher ist als die des Zytosols. Es ist anzunehmen, dass der Ca2+-Speicher in der Vakuole eine wichtige Rolle bei der Erzeugung transienter Anstiege der freien zytosolischen Ca2+-Konzentration spielt, die als Ca2+-Signale wirken. Über die Mechanismen, mit denen die Vakuole diese Funktion erfüllt, ist jedoch wenig bekannt. Im Vamplicas-Projekt werden wir die Interaktion mehrerer Ionentransportproteine in der Vakuolenmembran untersuchen und testen, ob diese Proteine ankommende Ca2+-Signale verstärken können, die an der Plasmamembran initiiert werden. Eine frühere Studie (Dindas et al., New Phytologist 2021) hat gezeigt, dass die Depolarisation der Vakuolenmembran die zytosolische freie Ca2+-Konzentration deutlich erhöht. Unser Projekt wird testen, ob die Depolarisation der Vakuolenmembran durch zwei TPKs (Tandem Pore K+ channels) eingeleitet und durch TPC1 (Two-Pore Channel 1) verstärkt wird. Ein solcher Mechanismus würde erklären, warum der TPC1-Kanal für Ca2+-Signale über große Entfernungen erforderlich ist, die sich entlang des Gefäßsystems von Blättern und Wurzeln ausbreiten. Im Vamplicas-Antrag beschreiben wir drei Arbeitspakete (WPs), in denen wir die Funktion der TPK- und TPC1-Ionenkanäle sowie der CAtion/Protonen-Austauscher (CAX) testen. Im ersten WP werden wir die Eigenschaften und den Aktivierungsmechanismus von CAX-Transportern untersuchen und uns auf ihre Empfindlichkeit gegenüber Änderungen des Membranpotentials an der Vakuole konzentrieren. In WP2 wird untersucht und quantifiziert, ob und wie stark TPK- und TPC1-Kanäle die Vakuolenmembran depolarisieren, sowie ihre Fähigkeit, Ca2+-Signale zu verstärken, die an der Plasmamembran initiiert werden. Schließlich werden wir im 3. WP Ca2+-Signale über große Entfernungen untersuchen und wie sie von CAX-Transportern, TPK- und TPC1-Kanälen beeinflusst werden. Insgesamt hat unser Vamplicas-Projekt das Ziel die molekulare Maschinerie aufzuklären, die die Initiierung und Verstärkung vakuolärer Ca2+-Signale und damit die Calcium-abhängige Kommunikation über kurze und lange Strecken innerhalb von Pflanzen ermöglicht. Die Ergebnisse des Projekts werden tiefgreifende Einblicke in die Koordination der Reaktionen von Pflanzengeweben ermöglichen, die unter Umweltbelastungen wie Hitze, Dürre und Krankheitserregerbefall leiden. Diese Reaktionen sind von zentraler Bedeutung für das Überleben von Pflanzen unter erschwerten Bedingungen, die in naher Zukunft aufgrund des globalen Klimawandels häufiger auftreten dürften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen