Neue Aspekte der Salzstress Signalübertragung

In vielen Regionen der Erde führte intensive Bewässerung und Düngung zur Versalzung der Böden, das zu einem immer größer werdenden Problem für das Wachstum und den Ertrag von Feldfrüchten wird. Deshalb ist die genaue Kenntnis der Signalhierarchien bei Salzstress und deren Einfluss auf Änderungen des Metabolismus von entscheidender Bedeutung. Ausführliche physiologische Studien wurden bereits gemacht, doch die Mechanismen der Signalübertragung sind noch weitgehend unbekannt. Vor kurzem haben wir gefunden, dass MsK4, eine neue Glycogen Synthase Kinase/Shaggy Protein Kinase aus Medicago sativa, an der unmittelbaren Antwort auf Salzstress beteiligt ist. Faszinierender Weise fanden wir, dass die MsK4 Protein Kinase in Plastiden lokalisiert und mit Stärkekörnern assoziiert ist. Wir haben das Homolog aus Arabidopsis isoliert. AtK-1 wird ebenfalls durch Salzstress aktiviert. Um die entscheidenden Prozesse der Salzstress-Signalübertragung und der Anpassung an hohe Salzkonzentrationen aufzudecken, schlagen wir vor: (1) zu untersuchen, ob AtK-1 wesentlich für die richtige Signalübertragung bei Salzstress ist (2) die Funktion von AtK-1 innerhalb des Salzstress-Signalnetzwerkes zu platzieren (3) den "Cross-talk" mit anderen Signalwegen zu studieren (4) die Dynamik der Lokalisierung von AtK-1 unter normalen und Salzstress-Bedingungen zu bestimmen (5) den möglichen Einfluss der AtK-1 Aktivität auf die Kohlenstoff Verteilung und Stärkezusammensetzung unter unterschiedlichen Umweltbedingungen zu untersuchen. Wir wollen diese Fragen mit einem molekularbiologisch-biochemischen Ansatz mit Hilfe von Arabidopsis Mutanten, die erhöhte, reduzierte oder keine AtK-1 Aktivität zeigen, und mit transienten Protoplasten Expressionsanalysen beantworten.

Salzhältige Böden beeinträchtigen den landwirtschaflichen Ertrag maßgeblich. Salinität ist für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen schädlich und führt zu osmotischem Stress, Ionentoxizität und Ernähungsdefekten. Da Pflanzen sessil sind d.h. mit ihren Wurzeln im Boden verankert sind, haben sie zahlreiche Strategien entwickelt, um Salinität zu bewältigen. Komplexe Signaltransduktionssysteme nehmen vielfältige Umweltsignale wahr, leiten sie weiter und koordinieren physiologischen Antworten präzise. Obwohl die fortschreitenden globalen Veränderungen ein besseres Verständnis von Adaptationsprozessen erfordern, ist unser Wissen, wie die Signaltransduktion metabolische und transkriptionelle Anpassungen an Stressbedingungen regulativ koordiniert, nicht ausreichend. GSK-3/shaggy-like Kinasen (GSKs) treten als neue Regulatoren der pflanzlichen Stresssignaltransduktion hervor. Im Rahmen dieses Projektes haben wir gezeigt, dass eine mit Stärkekörnern assoziierte Proteinkinase Stress-Signaltransduktion mit der metabolischen Anpassung verbindet. Stärke ist der Hauptkohlenhydratspreicher der Pflanzen und stellt die Basis der menschlichen und tierischen Ernährung dar. Wenn Pflanzen Umweltstress ausgesetzt sind, führt dies zur Erschöpfung dieses wichtigen Kohlenhydratreservestoffes. Anpassungsprozesse, die ein Überleben und Wachstum unter Stressbedingungen erlauben, inkludieren die Anpassung des Stoffwechsels, insbesondere die Aufrechterhaltung der Bereitstellung von Kohlenhydtraten. Diese Anpassungsmechanismen sind auf molekularem Niveau kaum verstanden. Bemerkenswerterweise, haben wir MsK4, eine neue Proteinkinase aus der Gruppe der GSKs, in Plastiden lokalisiert und konnten zeigen, dass diese Proteinkinase mit Stärkekörnern assoziert ist. Obwohl der Soffwechsel von Stärke dynamisch ist, seit vielen Jahren studiert wird und durch Proteinphosphorylierung reguliert wird, ist unsere Arbeit die erste, die zeigt, dass eine Proteinkinase mit Stärkekörnern assoziert ist und, Stärkemengen reguliert. Hochsalzbedingungen induzieren die Aktivität von MsK4 in vivo und Pflanzen mit erhöhten Mengen von MsK4 zeigen eine verbesserte Toleranz gegenüber Salzstress. Ein metabolomischer Ansatz zeigte, dass Pflanzen mit einer erhöhten Aktivität an MsK4 in Gegensatz zu Wildtyp-Pflanzen signifikant mehr Stärke und einen erhöhten Kohlenhydratstoffwechsel unter Salzstress haben. Diese Tatsache könnte zur verbesserten Fitness unter Stressbedingungen beitragen und eröffnet neue Perspektiven wie der metabolische Kohlenhydratfluss als Antwort auf Umweltstress reguliert wird.