Calcium- und energieabhängige Signalwege in Pflanzen

Um in ihrer natürlichen Umgebung zu überleben, müssen Pflanzen in der Lage sein, sich an wechselnde Umweltbedingungen anzupassen und sich gegen Stress wie z.B. Trockenheit, Hitze oder Pathogen-Befall zu wehren. Dafür haben Pflanzen ausgeklügelte Verteidigungsstrategien entwickelt. Diese erlauben es ihnen nicht nur sich gegen diese Widrigkeiten zu wehren, sondern auch ihre Ressourcen effizient einzusetzen und damit Wachstum und Verteidigung in einen gesunden Einklang zu bringen. Diese Fähigkeit ist somit für ein optimales Wachstum und somit - im Falle von Kulturpflanzen - einen maximalen Ernteertrag entscheidend. Als Folge des Klimawandels ist es in den letzten Jahren zunehmend zu Ernteverlusten durch Trockenperioden oder Überflutungen, oft gekoppelt mit Pathogen-Befall gekommen. Aus diesem Grunde stellt die Ertrags-Sicherheit von Kulturpflanzen, besonders im Angesicht der ständig wachsenden Weltbevölkerung, heute ein wichtiges Zuchtziel da. Ein grundlegendes Verständnis dieser Prozesse, vor allem der Frage wie die Pflanze ihr Wachstum und ihre Stressantwort koordiniert und wie sie ihre Ressourcen auf diese Prozesse aufteilt, ist fundamental für zukünftige angewandte Forschung. Der Schwerpunkt in diesem Projekt ist es, zwei evolutionär hochkonservierte Signalmechanismen zu untersuchen, die in diesen Prozessen eine zentrale Rolle spielen: Calcium-abhängige Signale und Proteinkinasen, die als molekulare Schalter funktionieren. Diese Mechanismen werden oft unter den gleichen Bedingungen aktiviert und regulieren zumindest teilweise dieselben Prozesse. Daraus ergibt sich natürlich die Frage, ob das nun tatsächliche eine funktionelle Überlappung, oder eine Ergänzung dieser Mechanismen bedeutet. Eine zweite Frage ist die nach der subzellulären Lokalisierung dieser Prozesse, also wo in der Zelle findet was statt? Kann vielleicht eine räumliche- oder zeitliche Trennung die scheinbare Redundanz erklären? Um diese Frage zu beantworten, werden wir eine Reihe von genetischen und biochemischen Tools verwenden, die wir in den letzten Jahren generiert haben.

Pflanzen sind an ihrem Standort fest verwurzelt und müssen sich daher permanent an Umwelteinflüsse anpassen, um zu überleben. Das können Änderungen in den Lichtverhältnissen, z.B. durch Wolken oder auch Stressbedingungen wie Trockenheit, Hitze oder Befall mit Pathogenen sein. Als Reaktion auf diese Reize aus der Umwelt benutzen Pflanzen, wie alle lebenden Organismen, Mechanismen der Signalweiterleitung (=Signaltransduktion), um eine Anpassung an die neuen Umweltbedingungen einzuleiten. Pflanzen haben dabei ein sehr großes Repertoire an Komponenten für diese Signaltransduktion und sehr oft werden dabei verschiedene Wege parallel eingeschlagen, die auf unterschiedlichen Routen das gleiche Ziel erreichen. Ein zentrales Ziel ist dabei zuerst den Energiehaushalt zu regulieren und dann die verfügbaren Ressourcen effizient für die Stressanpassung zu nutzen. Dieses Energie-Management wird durch eine Gruppe von evolutionär hochkonservierten molekularen Schaltern, sogenannten Protein-Kinasen erreicht. Dazu gehören die cAMP Kinasen in Tieren bzw. die SnRK Kinasen in Pflanzen. Parallel dazu sind auch Kalzium-Signale an diesen Regulationen beteiligt. In diesem Projekt haben wir untersucht, wie sich diese verschiedenen Wege die Arbeit teilen, wo sie sich eventuell ergänzen, und ob sie z.B. an verschiedenen Orten in der Zelle aktiv sind und so verschiedene Ziele erreichen. Wir haben dabei festgestellt, dass die cAMP/SnRK Kinasen vor allem im Zytosol der Zelle aktiv sind und dabei nicht nur über die verfügbare Energie, sondern auch über das Redoxpotenzial der Zelle reguliert werden. Die wichtigsten Ziele sind dabei zuerst die Aktivitäten von metabolischen Enzymen und die Anpassung der Genexpression an die Stressbedingung. Durch diese werden dann auch Prozesse an anderen Orten in der Zelle, wie z.B. den Mitochondrien und Chloroplasten reguliert. Im Vergleich dazu bilden sich die Kalzium-Signale, die eine andere Gruppe von Kinasen für die Signalantwort einschalten, oft in der Nähe von Membranen und reagieren damit dann Membran-proteine wie Ionenkanäle. Allerdings, wird durch diese Kalzium-abhängigen Kinasen ebenfalls der Stoffwechsel reguliert. Diese Regulation erfolgt dann auch wieder über eine veränderte Genexpression, wobei andere Komponenten als bei dem cAMP/SnRK Weg benutzt werden. Interessanterweise, haben wir festgestellt, dass die die Kalzium-abhängigen Kinasen die Lokalisierung der Kinasen eine große Rolle spielt. Wenn z.B. diese Kinasen ausschließlich an der Plasmamembran lokalisiert sind und somit nicht mehr in den Zellkern - also dem Ort der Genexpression - vorhanden sind führt dass zum Absterben der Pflanzen. Ein vergleichbarer Effekt ist für die cAMP/SnRK Kinasen nicht bekannt. Das zeigt eindeutig, wie wichtig es für diese Kinasen ist am richtigen Ort zu sein und ist außerdem ein starker Hinweis darauf, dass diese Wege ganz unterschiedliche Ziele haben, die aber letztendlich zu sehr ähnlichen Anpassungen führen.