Pektin vermittelte Effekte auf Zellwandstressoren

Zellwände von wachsenden Pflanzenorganen stabilisieren nicht nur gegenüber ansteigendem Turgordruck in der Zelle sondern schützen die Zelle bei Angriffen durch Pathogene und abiotischen Stressoren. Abgesehen von Zellulosen, Hemizellulosen und Proteinen, sind Pektine bzw. Homogalakturonane (HGs) eine der Hauptbestandteile der primären Pflanzenzelle. HGs werden in methylierter/acetylierter Form synthetisiert und in die Zellwand transportiert. In der Zellwand können Pektine von verschiednen Enzymen modifiziert bzw. abgebaut werden. So demethylieren bzw. deacetylieren Pektinmethyl- bzw. Pektinacetylesterasen selektiv Pektine. Dadurch entstehen Pektate mit freien Carboxylgruppen, die mit Kationen wie Kalzium-Ionen (Ca2+) interagieren, und zur Bildung einer gelartigen Matrix beitragen, in der die Zellulosefibrillen, Hemizellulosen und Zellwandproteine eingebettet sind. Spezifische Pektinasen wie Polygalakturonasen bauen demethylierte HGs bzw. Pektate ab, während Pektin-/Pektatlyasen auch hochmethyl-verestertes Pektin hydrolisieren können. Abbauprodukte von Pektinen sind Signalmoleküle, die entweder Stressantworten und/oder Wachstumsveränderungen induzieren können. Basierend auf den Ergebnissen dreier Forschungsgruppen in Österreich und Frankreich liegt dem PECTOSIGN Projekt die Hypothese zugrunde, dass von zumindest drei verschiedenen Signaltransduktionswegen die Zellwandintegrität über die Interaktion mit Pektinen/Pektaten und Pektin-Metaboliten wahrgenommen werden können: i) den Brassinosteroid Rezeptor (BRI1) bzw. einem spezifischen Korezeptor, ii) über Zellwand-assoziierte Kinasen (WAK) und iii) über die THESEUS1 Rezeptor Kinase. In dem Projekt soll die Bedeutung von Pektinen/Pektaten und deren Abbauprodukte bei der Wahrnehmung früher Infektionsstadien durch Grauschimmel (Botrytis cinerea) und von Schwermetall- und Suprenelement-Ionen sowie deren Bindungseigenschaften in der Modelpflanze Arabidopsis untersucht und aufgeklärt werden. Dafür werden neue Methoden entwickelt, die gezielt verschiedene Formen von Pektinen in vivo verändern und analysieren können. Diese Methoden werden auch in der Aufklärung der Pektin/Pektat vermittelten Mechanismen der drei Signaltrans- duktionswege beitragen. Die Ergebnisse des PECTOSIGN Projektes werden nicht nur das Wissen über die Zellwand- integritätswahrnehmung bei Pflanzen erweitern, sondern könnte auch längerfristig auf neue Strategiemöglichkeiten für Phytoremediationstechnologien und den Pflanzenschutz hinweisen.

Zellwände als Detektoren für Metallionen kontrollieren das Pflanzenwachstum Zellwände von wachsenden Pflanzenorganen stabilisieren nicht nur gegenüber ansteigendem Turgordruck in der Zelle, sondern schützen die Zelle bei Angriffen durch Pathogene und abiotischen Stressoren. Abgesehen von Zellulosen, Hemizellulosen und Proteinen, sind Pektine wie z.B. die Homogalakturonane (HGs) eine der Hauptbestandteile der primären Pflanzenzelle. Homogalakturonane werden in methylierter/acetylierter ungeladener Form synthetisiert und in die Zellwand transportiert. In der Zellwand können Pektine von verschiedenen Enzymen modifiziert bzw. abgebaut werden. So demethylieren Pektinmethylesterasen (PME) selektiv Homogalakturonane, exponieren damit die negativen Ladungen der Galakturonesäureeinheiten des Pektinpolymers, was die rheologischen Eigenschaften der Zellwand dramatisch verändert. Das PECTOSIGN Projekt untersuchte, wie die Modifikationen der Pektine mit den Wachstumsveränderungen bei erhöhten Schwermetallionen zusammenhängen, und ob Zellwand Integritätssensoren bei diesen Anpassungsprozessen eine Rolle spielen. Für die Beantwortung dieser Fragestellung wurden zur in vivo Manipulation der Pektinzusammensetzung molekulargenetische und die CRISPR/Cas9 Gen-Editierungsmethode an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana eingesetzt. Die so veränderten Zellwände wurden mit einer neuen spektroskopischen Methode charakterisiert, sowie Wachstumsveränderungen mit einer kinematischen Analyse quantifiziert. Mit diesen Methodenspektrum war es möglich die Hypothese der Detektoreigenschaften der Zellwand für Metallionen zu bekräftigen. Mit dem PECTOSIGN Projekt konnten auch mehrere Mitglieder einer Rezeptor-ähnlichen Kinase Familie als Signalüberträger identifiziert werden, die bei der Toleranz gegenüber unterschiedlichen Metallionen involviert sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Signalübertragung unter anderen von nicht methylierten geladenen Homogalacturonanen abhängt, die wiederum durch Metallionen Aktivierung der Pektinmodifizierenden Enzyme entstehen. Zusammenfassend kann man sagen, dass das PECTOSIGN grundlegende Einblicke in den Mechanismus der "Zellwanddetektoren" und seiner Bedeutung bei der Wachstumsregulation bei Metallionen Stress geben konnte. Diese Ergebnisse haben auch das Potential, neue Strategien für die Selektion und Züchtung von schwermetalltoleranten Nutzpflanzen zu etablieren.