Molekulare Analyse der pflanzlichen Zellmorphogenese

Forschungsprojekt P 14477 Molekulare Analyse der pflanzlichen ZellmorphogeneseMarie-Theres HAUSER26.06.2000 Pflanzen entwickeln verschiedenartigste Wurzelsysteme, die nicht nur als physikalische Stütze sondern zur Wasser- und Nährstoffaufnahme aus dem Boden dienen und in denen Energie in Form von Stärke und Zucker gelagert ist. Angepaßt an die unterschiedlichsten Bodenbedingungen und Funktionen (z.B. Verankerungs-, Speicher-, Wasseraufnahmefunktion) entwickelte sich im Laufe der Evolution eine faszinierende Vielfalt an Wurzelsystemen. Obwohl unzählige Daten über den morphologischen Aufbau sowie die typischen Differenzierungsmuster der einzelnen Wurzelgewebe gesammelt wurden, ist die genetische Grundlage dieser Vielfältigkeit noch weitgehend unbekannt. Die Aufklärung der molekularen Mechanismen der Pflanzenorganentwicklung ist daher in der Entwicklungsbiologie eine zentrale Fragestellung. In eigenen Vorarbeiten wurden mit Hilfe von genetischen Methoden bei der Modellpflanze Arabidopsis thafiana Gene identifiziert, die die Wurzelmorphologie regulieren. Eines dieser Gene, welches das Ausmaß sowie die Polarität der Zellstreckung der beiden äußeren Wurzelgewebe, Cortex- und Epidermis reguliert, wurde POM1 genannt. Das Ziel dieses Projekt ist die molekulare Charakterisierung des POM1 Gens. Da Gene, die eine regulatorische Funktion haben, meist nur während eines kurzen Zeitraums in wenigen Zellen aktiviert werden, soll die Expression des POM1 Gens mit verschiedenen Methoden untersucht werden. Diese Analysen werden zeigen, ob und wie das regulatorische POM1 Gen selbst transkriptionel gesteuert wird. Die Regulation der POM1 Aktivität kann aber nicht nur durch seine Synthese stattfinden, sondern z.B. durch seine subzelluläre Verteilung beeinflußt werden. Daher werden im Rahmen dieses Projektes Antikörper gegen das POM1 Protein hergestellt, mit denen immunologisch das Protein innerhalb der Zelle sichtbar gemacht werden kann. Die subzelluläre Lokalisation kann auch mit Hilfe von transgenen Pflanzen nachgewiesen werden. Dafür wird an das isolierte POM1 Gen ein Fluorochrome-Gen (i.e. grün fluoreszierende Protein) fusioniert und dieses Konstrukt wieder in Pflanzenzellen transferiert. Der Vorteil dieser, Methode ist, daß die subzelluläre Lokalisierung in der lebenden Zelle im Mikroskop verfolgt werden kann. Mit Hilfe dieser transgenen Arabidopsis Pflanzen soll der Einfluß von Wachstumsbedingungen auf die subzelluläre Lokalisation des POM1 Protein untersucht werden. Ein weiteres Ziel des Projektes ist es eine Gen zu isolieren, welches die Aktivität von POM1 moduliert. In eigenen Vorarbeiten wurde ein solcher "Enhancer" von POM1 - daher EPO -identifiziert. Die Analyse der zwei in diesem Projekt zu untersuchenden Wurzelmorphologie Regulatoren wird einen wesentlichen Beitrag zur Aufklärung der gewebs- und organspezifischen Regulation von Zellstreckung in Pflanzenzellen liefern. Wichtige Vorarbeiten zum geplanten Thema wurden von der Projektleiterin in den letzten Jahren durchgeführt und teilweise publiziert, sodaß eine solide wissenschaftliche Grundlage sowie die Integration des Projektes in die internationale wissenschaftliche Gemeinschaft gewährleistet ist.

Die Erkenntnis "Form follows Function" gilt auch in der Biologie und im speziellen für die Morphologie der Pflanzen. Ein ausladendes Wurzelsystem kann Nährstoffe aus dem Bodens besser absorbieren als eine rübenförmige singuläre Wurzel. Große Blätter sind bei geringer Lichteinstrahlung für die Photosynthese von Vorteil, bei starker Sonnen-einstrahlung aber nicht. Da Pflanzenzellen von einer starren Zellwand umgeben und dauerhaft verbunden sind, bestimmt die Zahl, Größe und die Anordnung der Zellen zueinander die Form (Morphologie) und die Funktionsfähigkeit eines Organs bzw. des gesamten Organismus. Die pflanzliche Zellwand determiniert und stabilisiert aber nicht nur die Zellform sondern schützt ihren Inhalt vor Krankheitserregern (Pathogenen) und wirkt den osmotischen Druck des Zellinhaltes (Zytoplasmas) entgegen. Die primäre Zellwand besteht zu 90% aus Kohlenhydraten (Zellulose, Hemizellulosen und Pektin). Während der Zelldifferenzierung wird eine sekundäre Zellwand angelagert, die überwiegend aus Zellulose und Lignin besteht. Pflanzliche Zellwände haben eine große Bedeutung als Rohstoffproduzenten wie z.B. Holz und Zellulose (Baumwolle), dem in der Natur häufigsten nachwachsenden und abbaubaren Makromolekül. Seit Jahren beschäftigt uns die Frage, welche molekularen Mechanismen für die Form und das Ausmaß der pflanzlichen Zelle verantwortlich sind. In Vorarbeiten identifizierten wir mittels klassisch-genetischer Analysen an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmaldwand) Gene, die die Morphologie der Wurzelzellen beeinflussen. In diesem Projekt konnten wir in Zusammenarbeit mit internationalen Forschergruppen zeigen, dass viele dieser Gene (drei wurden von uns im Zuge des Projektes isoliert) die Zellulosesynthese steuern. Das vierte Gen ist nicht in der Regulation des "äusseren" Pflanzenskeletts involviert sondern im Aufbau des "inneren" Skeletts, dem sogenannten Zytoskeletts. Da unsere Ergebnisse einen wichtigen und grundlegenden Beitrag zum Verständnis der Regulation der Zellwandsynthese sowie der Funktion von neuen Zytoskelett-komponenten liefern, konnten wir sie zum Teil in sehr guten internationalen wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlichen.