Signaltransduktion bei Trokenheitsstress

Trockenheit ist ein wesentlicher Umweltfaktor der das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen und damit den landwirtschaftlichen Ertrag limitiert. Pflanzen haben ausgeklügelte Signalübertragungssysteme entwickelt, die die physiologischen Antworten auf Wassermangel genau koordinieren. Proteinphosphorylierung stellt einen grundlegenden Mechanismus der Signaltransduktion dar, obwohl die direkten Targets von Proteinkinasen oft noch unbekannt sind. Wir haben gezeigt, dass eine GSK3/shaggy-like Kinase aus Arabidopsis (ASK) für die Toleranz von Pflanzen gegenüber osmotischem Stress essentiell ist. Damit übereinstimmend, induziert Trockenheit die in vivo Proteinkinaseaktivität von ASK. Außerdem konnten wir potenzielle ASK Interaktionspartner, die in der Stresssignaltransduktion und Genexpression involviert sind, isolieren. Um neue molekulare Mechanismen der Signaltransduktion und der Anpassung an trockene Umweltbedingungen zu finden, beabsichtigen wir: (1) die molekulare Regulation von ASK zu analysieren, (2) ASK im Netzwerk der Signaltransduktion zu positionieren, (3) die Targets von ASK in vivo zu bestätigen und zu charakterisieren und (4) den Einfluss von ASK auf die Genexpression zu studieren. Diese Aufgabenstellungen sollen in Arabidopsis thaliana in einem umfassenden Ansatz, der physiologische, molekulare und biochemische Methoden mit Mutantenanalysen kombiniert, adressiert werden. Wir erwarten, dass wir grundlegende, auf ASK-basierende, das Adaptationspotential an Trockenheit regulierende Mechanismen der Stresssignaltransduktion aufdecken werden.

Eine zentrale Frage in der Biologie ist, wie sich Organismen auf widrige Umweltbedingungen anpassen. Da Pflanzen sessile Organismen sind, wirkt sich Umweltstress, wie zum Beispiel Trockenheit oder hoher Salzgehalt in Böden, besonders stark auf ihr Wachstum und ihre Entwicklung aus und verringert die landwirtschaftliche Produktivität. Detailliertes Wissen über die Mechanismen der Pflanzenantworten auf Umweltstress ist daher wesentlich für eine nachhaltige Landwirtschaft in einer sich laufend verändernden Umwelt. Proteinkinasen tragen entscheiden zur Stressakklimatisation bei. Im Rahmen dieses Projekts wurde eine Proteinkinase als neuer Regulator der Stresstoleranz charakterisiert. Proteinkinasen sind für die Anpassung der Genexpression an Umweltveränderungen wichtig. Interessanterweise zeigten unsere Analysen, dass die Stressproteinkinase mit Chromatinkomponenten interagiert. Die Proteinkinase interagiert und phosphoryliert auch ein in Pflanzen noch nicht charakterisiertes Chromatin-assoziiertes Protein. Eine Kombination von globalen Analysen mit detaillierten biochemischen, molekularen und genetischen Analysen zeigte, dass dieses Protein ein neues architektonisches Chromatinprotein in Pflanzen ist und dass es die DNA - Topologie, die DNA - Zugänglichkeit und die Genexpression modulieren kann. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Level des Chromatin-assoziierten Proteins die Stresstoleranz von Arabidopsis thaliana beeinflusst. Die Entdeckung der Interaktion zwischen der Stressproteinkinase und dem Chromatin-assoziierten Protein trägt wesentlich zu unserem Wissen, wie Stresssignaltransduktion mit dem Chromatin verknüpft sein könnte bei und eröffnet neue Ansätze für zukünftige Studien über die Organisation und Regulierung des pflanzlichen Chromatins.