Uns interessiert:

-         Welcher Auxinrezeptor ist mit der Aktivierung von PLA verknüpft?

-         Welches PLA Enzym ist an welcher Funktion beteiligt – Auxin oder Pathogen?

-         Wie wird das PLA Protein aktiviert?

-         Mit welchen Partnern der Signaltrans-duktionskette steht Phospholipase A direkt in Wechselbeziehung?

 

Dafür nutzen wir:

-         Promotor –GUS- Pflanzen zur Transkript- Lokalisation

-         Knockout- Pflanzen und Überexprimierer um zu bestimmen, welche Funktion beein-trächtigt, verbessert oder verändert ist

-         Charakterisierung von Knockout- Pflanzen auf funktioneller und Transkript- Ebene

-         Herstellung rekombinanter Phospholipase A und nachfolgende Bestimmung enzyma-tischer und anderer Eigenschaften

 

Einführung

 

Pflanzen verfügen über zwei Hauptgruppen von Phospholipase A (PLA)- Enzymen, die sekretorischen PLAs (sPLA) und die Patatin- ähnlichen PLAs, von denen einige ursprünglich als vakuolische Patatine definiert  wurden, jedoch auch zytosolische Patatin- ähnliche PLAs einschließen.

Eine Funktion für sekretorische PLAs und Patatine in der Hormon-Rezeptor-aktivierten Signaltransduktion scheint aufgrund ihrer Lokalisation in Zellwand oder Vakuole weniger wahrscheinlich zu sein.  Es wurden jedoch verschiedene Patatin- ähnliche PLAs im Zytosol, in Chloroplasten sowie teilweise an Endomembranen gebunden identifiziert, die als Kandidaten für die Signaltransduktionsprozesse in Pflanzen in Frage kommen.

 

 

Phospholipase A

 

PLA als ein Enzym der Signaltransduktionskette in Pflanzen wurde durch unsere Abteilung entdeckt. In Arabidopsis thaliana wird die Familie der zytosolischen, Patatin- ähnlichen PLAs durch 10 Gene kodiert (Abb. 1). Phospholipase A wird sehr schnell, d.h., innerhalb von 1-3 Minuten durch das Phytohormon Auxin und durch Elicitoren aktiviert, deutlich schneller als jede Transkription. PLA Enzyme setzen Fettsäuren und Lysophospholipide als potentielle second messenger frei, welche wahrscheinlich Proteinkinasen und / oder Proteinphosphatasen aktivieren oder inaktivieren. Sie könnten auch an der Regulation anderer Proteine beteiligt sein, wie z.B. an der von Ionen- Kanälen, wie aus tierischen Systemen bekannt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 1:

Phylogenetischer Baum verschiedener Patatin-

ähnlicher Pflanzen- PLAs und tierischer iPLA2 Sequenzen.

 

 

Transkriptionsstudien an Promotor-GUS-Pflanzen geben Hinweise auf die Funktion der Gene.

 

 

 

Abbildung 2: 

Lokalisieren von Gen- Expressionen in Promotor- GUS- Pflanzen: Um die  Regulation eines Gens auf Transkriptebene zu untersuchen, wird ein künstliches Konstrukt aus gen- spezifischem Promotor und dem ß- Glucuroni-dase (GUS)– Gen erzeugt. Einmal aktiviert, verstoffwechselt dieses Enzym ein spezifisches, farbloses Substrat, wobei ein indigoähnliches blaues Produkt entsteht, das am Ort der Bildung ausfällt.

Histologische Lokalisation der Promotor-GUS- Aktivität von zwei PLA-Genen in Arabidopsis- Pflanzen: Gen IVA nur in Wurzeln; Gen IIA in allen Organen außer in Blüten. Reaktionen von IAA auf a) keine Behandlung; b) Salicylat c) Verwundung; d) keine Behandlung; e) Phosphatmangel; f) Eisenmangel;g) Ethylen (über ACC);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  

 

 

 

  Petunien, Phospholipase A und Pathogenabwehr

Das Petunien-Projekt ist sowohl Gegenstand der angewandten als auch der Grundlagenforschung, dabei dient die Petunie als Modellorganismus für Zierpflanzen. In der Zwischenzeit wurden in unserer Abteilung etwa 50 Petunien-Linien kreiert, welche mit 4 verschiedenen PLA- Genen aus Arabidopsis thaliana transformiert wurden. Petunienpflanzen, welche 3 dieser 4 PLA- Gene überexprimieren, zeigen veränderte Eigenschaften bei der Abwehr von Pathogenen (Abb. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 3:

Phytopathologische Unter-suchungen an AtPLA- Gen- transformierten Petunien: Abgebildet sind Blätter mit makroskopisch wahrnehmbaren Krankheitssymptomen nach erfolgreicher Infektion mit dem Pilz Botrytis cinerea (Grauschimmel) bzw. mit dem pathogenen Bakterium Pseudomonas syringae PST DC 3000.

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Ergebnisse der phytopathologischen Experimente beweisen eine Beteiligung dieser PLA- Gene/Proteine an der Abwehr gegen Pseudomonas syringae und Botrytis cinerea. Mithilfe von Microarrays (in Zusammenarbeit mit A. van Tunen und R. Schmirink, Freie Universität von Amsterdam) wurden Abwehr- Gene in Petunien identifiziert, deren Transkription  abhängig ist von den überexprimierten PLAs (Abb. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 4:

Überexpression von Phospholipase A- fürhrt zu einer veränderten Pathogenabwehr, sichtbar an den

verstärkten Krankheitssymptomen in transgenen Petunien- Pflanzen. Mithilfe von cDNA Microarrays

werden Gene mit abweichender Regulation detektiert, so können Rückschlüsse auf die Beteiligung von

PLA an verschiedenen Signaltransduktionswegen der Pathogenabwehr gezogen werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 Cytokinin/Polyamine und Stickoxid (NO)

Obwohl Cytokinine bereits seit mehr als 50 Jahren bekannt sind, ist der Modus der zellulären Signaltransduktion dieser Pflanzenhormone noch immer wenig geklärt. Das gegenwärtige Modell geht von einer Beteiligung von Rezeptor-Histidin-Kinasen, Histidin-Transfer-Proteinen und Typ B ARR Transkriptionsfaktoren aus.

In unserer Abteilung wurde kürzlich eine Rolle für Stickoxid (NO) als potentieller second messenger für Cytokinin in der Form festgestellt, als dass die Cytokinin- induzierte NO- Biosynthese in Arabidopsis deutlich eher einsetzt (innerhalb von 2-3 min) als jede bekannte Genaktivierung.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abbildung 5: 

NO- induzierte Fluoreszenz, wie sie durch Fluoreszenzmikroskopie in Arabidopsis- Keimlingen beobachtet wird, nachdem diese mit Cytokinin behandelt wurden. Das freigesetzte NO wird mithilfe des zellpermeablen DAR-4M AM Fluoreszenzfarbstoffs sichtbar gemacht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wir wollen aufklären:

-         Inwiefern ist die NO- Biosynthese mit dem bekannten Cytokinin- Rezeptor verknüpft?

-         Welches der zwei für die NO- Biosynthese bekannten Enzyme ist an der Cytokinin- Wirkung beteiligt?

-         Welche Cytokinin- Funktion wird durch NO reguliert?

 

Für die fluorimetrische Messung der NO- Freisetzung verwenden wir entsprechende Arabidopsis Knockout- Linien. Das Cytokinin- induzierte NO wird durch Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht (Abbildung 5). Die Cytokinin-/ NO- abhängige Genregulation wird unter Nutzung von Promotor- GUS-Pflanzen und mittels RT-PCR untersucht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Polyamine zeichnen sich durch hormonartige Aktivitäten bei der Embryogenese, bei Blühvorgängen und bei der Stress- und Abwehrantwort aus. Wir haben festgestellt, dass Polyamine unverzüglich die Biosynthese von Stickoxid in Pflanzen induzieren. Unter Verwendung von Mutanten und Knockout- Pflanzen untersuchen wir gegenwärtig:

-                     Welches ist das relevante Enzym für die Polyamin- induzierte NO- Biosynthese?

-                     Was könnten die downstream- Aktionen des Polyamin- inuzierten NO sein?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


DLR-BMBF Projekt zur Weltraum- und Gravitationsforschung

(in Zusammenarbeit mit Dr. H. Quader, Universität Hamburg)

 

Die Wahrnehmung der Schwerkraft erlaubt es Pflanzen, ihre Organe durch Wachstumsbewegungen in eine bestimmte Richtung zur Erdbeschleunigung zu bringen, Wurzeln werden zum Erdmittelpunkt hin bewegt, Sprosse vom Erdmittelpunkt weg (Gravitropismus). Die Wurzelhaube ist zum Beispiel mit Zellen (Statozyten) ausgestattet, die Gravitations-Rezeptoren enthalten, sogenannte Statholiten. Diese Sensoren sind Organellen (Amyloplasten), die aus Stärkekörnchen bestehen.

Gravitation wird auch von anderen Zellen erkannt, wahrscheinlich von allen eukaryotischen Zellen, aber diese Zellen „nutzen“ diese Information nicht, um spezielle Funktionen, wie den Gravitropismus, auszuüben. Wir wollen herausfinden, ob diese „unspezifische“ Gravitationswahrnehmung durch die Zellen die Grundlage für die „spezifischen“ Reaktionen wie den Gravitropismus darstellt.

 

Es wurden Systeme gefunden, um die “unspezifische” Gravitationswahrnehmung als eine Beeinträchtigung ihrer normalen Funktionen zu veranschaulichen.

 

1.    Pollenschläuche von Nicotiana sylvestris führen eine schnelle Phospholipid- Endocytose aus, die durch Schwerelosigkeit (Microgravity) beschleunigt wird (TEXUS 39, folgendes Experiment TEXUS 41). Endocytose wird durch übertriebene Schwerkraft (Hypergravity) gehemmt.

 

2.    Die Toleranz von Pflanzen gegenüber hohen Salzgehalten (Halotoleranz) wird durch übertriebene Schwerkraft gesteigert. Wir untersuchen dieses Phänomen durch Zentrifugationsexperimente mit Arabidopsis- und Karotten- Kalluskulturen bei paralleler Messung des Wachstums. In Zukunft werden wir Arabidopsis Halotoleranz- Mutanten soweit untersuchen, dass wir definieren können, welcher Schritt modifiziert ist, oder benötigt wird, um diese Reaktion auszulösen.

 

3.    Gravitropismus und Zirkumnutation wirken in Arabidopsis wechselseitig aufeinander ein, wie an einer pla1 Knockout-Mutante gezeigt werden konnte. Diese Mutante ist sowohl im Sprossgravitropismus als auch im Phototropismus geschädigt. In den Wurzeln konnte keine offensichtliche Schädigung im Gravitropismus beobachtet werden, jedoch ist die so genannte Coiling- Reaktion (Abb. 6) deutlich stärker, was eine Änderung in der Zirkumnutation widerspiegeln könnte.

 

Diese Mutante wird im Jahr 2008 mit einem Space Shuttle auf die Internationale Raumstation ISS geflogen, und das Wachstumsverhalten der Wurzeln wird bei 10-6 g, 10-4 g, 10-1 g and 1 g im Orbit verfolgt. Durch den Vergleich werden wir in die Lage versetzt, das Zusammenspiel von Gravitropismus und Zirkumnutation zu verstehen. Außerdem untersuchen wir die pla1 Knockout-Mutante am Boden mit molekular- und zellbiologischen Methoden (GUS- Pflanzen, Knockout- Linien, Überexprimierer- Linien, Antikörper für das PLA- Protein, Interaktion mit anderen Genen).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


  

Weltraumflüge:

 

Im TEXUS 39, (Mai 2001) während eines 6 Minuten langen Raketenfluges in Kiruna (Schweden) konnten wir zeigen, dass die Endozytose in Tabakpollenschläuchen bei Fehlen der Schwerkraft stark erhöht ist (Abb. 7).

(Teilnehmer: Saskia Lisboâ (Hamburg), Martin Pähler, Esther Oppermann)

 

Im TEXUS 41 (Nov. 2005): Fortführung der Studie zur Endozytose in Pollenschläuchen einschließlich der Verwendung von Kalziumblockern und Zytoskelettblockern.

(Teilnehmer: Marc Zahn, Peter Pietrzyk, Ni Ni Tun)

 

Space Shuttle / ISS (geplant für 2008):

Wachstumsmuster der Wurzeln von Arabidopsis- Keimlingen werden unter verschiedenen Schwerkraftbedingungen (normale Schwerkraft = 1 g, 0.1 g, 0.001 g and <0.0001 g = Microgravity) dokumentiert. Die Versuche schließen außerdem zell- und molekularbiologische Methoden ein, um die Interaktion von Zytoskelett und PLA1 Protein zu untersuchen.

 

Abbildung 6:

Auf um 45° geneigten Agarplatten unter normaler Schwerkraft (1g) zeigen Wurzeln von agravitropen Arabidopsis Mutanten ein spiralförmiges Wachstumsmuster, die so genannte ”Coiling- Reaktion”. Dieses Kringeln der Wurzel in einer  Spirale ist scheinbar auf ein Wachstums- Ungleichgewicht zwischen dem inneren Gewebe (Leitbündel) und dem äußeren rhizodermalen Gewebe zurückzuführen, ähnlich dem Wachstums- Ungleichgewicht, das als Zirkumnutation bekannt ist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abbildung 7:

Vesikeltransport und Lipid- Endozytose in Pollenschläuchen von Nicotiana sylvestris in Schwerelosigkeit: Um die Endozytose in einem Kurzzeit-Schwerelosigkeit- Experiment zu studieren, wurde ein fluoreszenz-markiertes Phospholipid als Indikator verwendet. Die Endozy-tose ist deutlich ausgeprägt in der Spitze von Pollenschläuchen, die Fluoreszenz des Phospholipids ist bereits nach einer Minute mit dem Konfokalen Laserscanning Mikro-skop nachweisbar.