Molekulare Kontrolle des Cytokininabbaus und des Sprosswachstums

Pflanzen weisen im Vergleich zu Tieren eine enorme Entwicklungsplastizität und Regenerationsfähigkeit auf. Sie entwickeln sich fortlaufend und bilden zeit ihres Lebens neue Organe. Diese Eigenschaft basiert auf der kontinuierlichen Aktivität der Bildungsgewebe, den sogenannten Meristemen, welcheaus undifferenziertenZellen bestehen. Die Hauptmeristeme befinden sich an den Wachstumsspitzen von Wurzeln und Spross. Das apikale Sprossmeristem bildet Pflanzenorgane wie Blätter und Blüten und seine Aktivität bestimmt infolgedessen nicht nur die gesamte Pflanzenarchitektur, sondern auch landwirtschaftlich relevante Merkmale wie die Pflanzenbiomasse oder den Ertrag. Wie die Meristeme während des Lebenszyklus der Pflanzen aufrechterhalten werden, ist eine der Kernfragen der Pflanzenbiologie. Von großer Bedeutung für die Regulierung der Meristemaktivität sind Pflanzenhormone, endogene Signalmoleküle, die unter anderem die Zellteilung und -differenzierung steuern. Das Pflanzenhormon Cytokinin spielt durch seinen fördernden Effekt eine zentrale Rolle bei der Kontrolle der Sprossapikalmeristems-Aktivität. Die zelluläre Konzentration dieses Hormons wird durch verschiedene molekulare Prozesse präzise gesteuert. Wir konnten bereits zeigen, dass der Abbau des Hormons durch Cytokininoxidasen/-dehydrogenasen (CKX) entscheidend ist für die Cytokininhomöostase im Sprossapikalmeristem. Auf der Suche nach neuartigen molekularenKomponentendes Cytokinin- Regulationssystems konnten wir molekulare Prozesse identifiziert, die die Aktivität der CKX- Proteine und dadurch die Funktion des Sprossapikalmeristems und die Entwicklung des Sprosses weitgehend bestimmen. Diese Prozesse beruhen auf der Protein-Qualitätskontrolle in einem spezifischen Kompartiment der Zelle, dem endoplasmatischen Retikulums, welches eine zentrale Rolle bei der Proteinbiosynthese und -reifung spielt. Zudem weisen neueste Studien auf die Bedeutung dieses Kompartiments für die Funktion des Cytokinins hin. Angesichtsunserer jüngsten Forschungsergebnissebestehtdas Hauptzieldieses Forschungsprojektes darin, erste Einblicke in die Wechselwirkung zwischen der Protein- Qualitätskontrolle und dem Pflanzenhormon Cytokinin und deren Bedeutung für die Steuerung der Pflanzenentwicklung zu liefern. Um dies zu erreichen, werden molekulare und biochemische Methoden mit umfassenden genetischen Analysen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana kombiniert. Die Ergebnisse aus der Studie werden das Verständnis über die Funktionsweise der Pflanzenmeristeme wesentlich verbessern und können so zu neuen biotechnologischen Strategien führen, um die Leistung der Nutzpflanzen weiter zu optimieren.

Pflanzen sind sesshafte Organismen, die sich hauptsächlich postembryonal entwickeln. In Reaktion auf eine Vielzahl von Umweltreizen und Stressfaktoren können Pflanzen ihre eigene Entwicklung modulieren. Diese phänotypische Plastizität erlaubt es ihnen, sich ständig an ihre lokale Umgebung anzupassen und ihr Wachstum damit zu optimieren. Diese höchst flexible Entwicklung ermöglichen die Meristeme, spezifische Gewebe, die während des gesamten Lebenszyklus der Pflanze kontinuierlich neue Organe bilden. Das apikale Sprossmeristem (SAM) bildet Pflanzenorgane wie Blätter und Blüten und seine Aktivität bestimmt infolgedessen nicht nur die gesamte Pflanzenarchitektur, sondern auch landwirtschaftlich relevante Merkmale wie die Pflanzenbiomasse oder den Ertrag. Das Pflanzenhormon Cytokinin übt eine zentrale Funktion bei der Steuerung der SAM-Aktivität aus, und seine Konzentration wird durch verschiedene molekulare Prozesse präzise gesteuert. Es konnte gezeigt werden, dass der Abbau des Hormons durch Cytokininoxidasen/-dehydrogenasen (CKX) entscheidend ist für die Cytokininhomöostase im SAM. Ziel dieses Projekts war es, die Kontrollmechanismen des Cytokininabbaus während des Sprosswachstums besser zu verstehen. Wir konnten molekulare Prozesse aufdecken, welche die Aktivität von CKX-Proteinen bestimmen. In diese Prozesse sind die Protein-Qualitätskontrolle im endoplasmatischen Retikulum (ER) und der funktionell gekoppelte ER-assoziierte Degradationsweg (ERAD) involviert. Im Rahmen dieses Projekts konnten wir spezifische molekulare Faktoren identifizieren, wie z. B. die Gruppe der HEAVY METAL-ASSOCIATED ISOPRENYLATED PLANT PROTEINS (HIPPs), die das ERAD von CKX-Proteinen steuern. Wir konnten zeigen, dass diese HIPP-Proteine die Konzentration der CKX-Proteine im ER bestimmen und dadurch die Cytokininaktivität und die pflanzliche Entwicklung regulieren. Ein Modell wurde vorgeschlagen, bei dem die HIPP-Proteine bei der Retrotranslokation an der ER-Membran während des pflanzlichen ERAD beteiligt sind. Das Projekt lieferte Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Protein-Qualitätskontrolle und Cytokinin-Aktivität in Pflanzen. Die Forschungsarbeiten trugen außerdem wesentlich zum Verständnis der molekularen Regulierung von Pflanzenmeristemen bei und lieferte Erkenntnisse, die potenziell in biotechnologischen Ansätzen zur Anpassung der Leistung landwirtschaftlich relevanter Pflanzen genutzt werden können.