Auxin Signaltransduktion

Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Pflanzenmorphogenese ist eine der großen Herausforderungen in der Entwicklungsbiologie. Durch zeitliche und räumliche Regulation von Zellteilungen und -streckung entsteht die charakteristische Form eines Pflanzenorgans, wobei die genetischen und molekularen Grundlagen der Zellmorphogenese noch weitgehend ungeklärt sind. Bekannt ist, daß das Pflanzenhormon Auxin eine zentrale Rolle in der Wachtumsregulation spielt. Auxin beeinflußt Zellteilung, Zellelongation und Differenzierungsvorgänge. Obwohl die chemische Struktur dieses Wachstumsregulators seit mehr als 50 Jahren bekannt ist, ist seine Wirkungsweise nur wenig verstanden. Arabidopsis thaliana (Schmalwand) dient seines kleinen Genoms, seiner kurzen Generationszeit und der geringen Platzansprüche wegen dem internationalen "Plant Genome Project" als Modellsystem. Diese Eigenschaften ermöglichen, daß z.B. der Einfluß von Auxin auf das Wurzelwachstum und die Zellmorphogenese durch die Kultivierung auf Agarnährböden studiert werden kann. In Vorarbeiten von Dr. Luschnig konnte durch Mutationsanalyse ein Gen (EIR1) identifiziert werden, welches den Auxintransport in der Wurzel reguliert. Die molekulare Analyse zeigte, daß EIR1 ein Membanprotein ist, welches in einem Hefe-Assay Auxin aus der Zelle transportiert. Der Phänotyp der Mutante sowie die biochemische Charakterisierung läßt den Schluß zu, daß EIR1 zur Familie der langesuchten Auxin-Efflux-Carrier gehört. Das Ziel dieses Projektes ist es, mit Hilfe dieser Mutante Gene zu identifizieren und zu isolieren, die in der Auxin- Signal-Transduktion involviert sind. Auf Grund des Auxinmangels in EIRl Mutanten entwickeln diese längere Wurzeln. Mutanten, die diesen Phänotyp unterdrücken - also "normales" Wurzelwachstum zeigen - können somit Komponenten eines Signal-Transduktion-Weges sein, die in Abhängigkeit von Auxin das Wurzelwachstum regulieren. Für die Isolation dieser Gene wird ein genetischer "Trick" angewandt. Dabei wird die EIRl Mutante nochmals durch die Insertion charakterisierter DNA (z.B. Transposon, T-DNA) mutagenisiert. Mutanten, die in Abwesenheit von Auxin einen typischen Auxin-Phänotyp (verkürzte Zellen) aufweisen, betreffen somit Regulatoren der Auxin-Signal-Übertragung. Eine Reversion des EIRl Phänotyp durch Insertionsmutagenese führt somit zur schnellen Isolation und Charakterisierung dieser Regulatoren. Dieses Projekt wird wesentlich zur Aufklärung der Wirkungsweise des Wachstumsregulators beitragen, der sowohl für die Entwicklung als auch bei Anpassungsprozessen der Pflanze an Umweltfaktoren von unerläßlicher Bedeutung ist. Wichtige Vorarbeiten zum geplanten Thema wurden von der Projektleiterin sowie dem Projektmitarbeiter Dr. Luschnig in den letzten zwei Jahren durchgeführt. Dies gewährleistet eine solide wissenschaftliche Grundlage sowie die Integration des Projektes in die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft.

Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Pflanzenmorphogenese ist eine der großen Herausforderungen in der Entwicklungsbiologie. Das Pflanzenhormon Auxin spielt eine zentrale Rolle in der Wachtumsregulation, da es sowohl Zellteilung als auch Differenzierungsvorgänge beeinflußt. Arabidopsis thaliana (Schmalwand) ist der Modellorganismus in der Pflanzen-molekularbiologie und Entwicklungsgenetik und war die erste Pflanze, bei des das komplette Genom sequenziert werden konnte. In diesem Projekt diente eine Mutante, deren Auxin-transport in der Wurzel defekt war, als Ausgangsmaterial zu Identifizierung weiterer Komponenten der Auxin-Signal-Transduktionskaskade. Für die Isolation dieser Komponenten wurde ein genetischer "Trick" angewandt. Dabei wurde die Ausgangspflanzen mit den Auxintransportdefekt nochmals mutagenisiert und nach neuen Mutanten gesucht, die die Phänotypen des Auxintransportdefektes unterdrückent bzw. supprimieren. Von den ca. 14.000 mutierten Pflanzen wurden nach einigen Ausleseverfahren mehr als 200 Kandidaten identifiziert. Eine detailierte Analyse konnte im Rahmen des Projektes mit vier dieser neuen Mutanten fortgesetzt werden. Die anderen Kandidaten sind daher eine ansehnliche Grundlage für weiterführende molekular-genetische Forschungen an der Auxin-Signal-Transduktion. Die vier über Mutationen identifizierten Gene beeinflußen verschiedene Ebenen der Auxin-Signal-Transduktion. Eines der Gene ist in der Regulation des Auxingehaltes involviert. Das zweite gibt den Hinweis, dass Auxin und ein weiteres Pflanzenhormon, Cytokinin, die chromosomale Strukturen beeinflussen, die wiederum für die Umstellung von proliferativen auf differenzierenden Pflanzenzellen notwendig sind. Ein weiterer Hinweis, dass die Auxin-Signal-Transduktion nicht isoliert von anderen Regulatoren gesehen werden kann, liefert auch das dritte Gen. Dieses zeigt, dass Auxin zusammen mit Zucker die Blühtenentwicklung beeinflußt. Pflanzen, die wegen der Mutation Zucker und Stärke vermehrt akkumulierten, konvertierten die kurzlebige Arabidopsis in eine dauerhafte und widerwillig blühende Pflanze. Das letzte Gen, welches in diesem Projekt isoliert werden konnte, identifizierte eine neues pflanzenspezifisches Protein, das bei der Zellstreckung eine wichtige Rolle spielt. Proteindomainvergleiche und zellbiologische Daten deuten darauf hin, dass es eventuell die Organisation des pflanzlichen Zytoskeletts beeinflußt. Die vier charakterisierten Gene zeigen deutlich, auf welchen molekularen Ebenen, Auxin die Pflanzenmorphogenese reguliert. Das Projekt demonstriert nicht nur, dass die gewählte Methodik sehr erfolgreich war, es lieferte auch die Grundlage zur Isolation und funktionellen Charakterisierung von weiteren Genen, die in der Pflanzenmorphogenese und bei Anpassungsprozessen an Umweltfaktoren von unerläßlicher Bedeutung sind.