Zellwandsensorik für integriertes Pflanzenwachstums

Pflanzenwachstum reagiert sehr empfindlich auf extreme Wetterbedingungen, die somit auch den Ernteertrag von Nutzpflanzen gefährden. Um ein grundlegendes Verständnis des Pflanzenwachstums zu erhalten, erforschen wir pflanzenspezifische Mechanismen und konzentrieren uns dabei wie das Wachstum subzellulärer Ebene kontrolliert wird. Pflanzenzellen sind von einer starren extrazellulären Matrix umgeben, die als Zellwand bezeichnet wird. Molekulare Messfühler erkunden den extrazellulären Raum und liefern so eine Rückmeldung über dessen Status und sind für die Koordination der zellulären Expansion entscheidend. Trotz ihrer grundlegenden Bedeutung ist über diese integrativen Mechanismen bei Pflanzen derzeit nur sehr wenig bekannt. Die Vakuole ist das größte Pflanzenorganell und vergrößert sich dramatisch während der zellulären Expansion. Diese raumfüllende Funktion der Vakuole ermöglicht eine schnelle Dehnung der Pflanzenzellen bei relativ geringer Zunahme der intrazellulären Flüssigkeit (Zytosol). Wir haben gezeigt, dass die Interferenz mit der Zellwandsensorik die intrazelluläre Ausdehnung der Vakuole beeinflusst. Unsere Arbeit zeigt, dass die extrazellulären Zellwandbindeproteine der Leucin- Rich-Repeat-Extensin (LRX)-Familie mit der rezeptorähnlichen Kinase Feronia (FER) interagieren. Diese Interaktion ist entscheidend für die Unterdrückungder Vakuolenausdehnung und reguliert somit das zelluläre Wachstum. Mittels der FWF Zuwendung untersuchen wir die mechanistische Interaktion von LRX und Feronia sowie deren Bedeutung für die Integration wachstumsrelevanter Prozesse. Um einen Ansatz zu finden, wie die externen Signale in ein internes wachstumssteuerndes Signal übersetzt werden, untersuchen wir zunächst bereits bekannte Komponenten der FER Prozesse und ihren möglichen Einfluss auf die Vakuolenausdehnung. Schließlich wollen wir neuartige, mutmaßliche Interaktoren der FER charakterisieren, die vermutlich die FER-Signale mit intrazellulären Wachstumsprozessen, wie z.B. der Regulation der Vakuolengröße, verknüpfen. Unsere Arbeit wird einen grundlegenden Einblick in die FER-abhängige Wachstumsintegration geben und möglicherweise Mechanismen aufdecken, die es uns ermöglichen, die Wachstumsreaktionen von Pflanzen gewebespezifisch zu beeinflussen.

Das Wachstum von Pflanzen ist ein komplexer Prozess, der die Lockerung starrer Zellwände und die Expansion von Vakuolen umfasst. Dieses vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) geförderte Projekt untersuchte, wie mechanische und chemische Signale in der Zellwand wahrgenommen und weitergeleitet werden, um die Größe der Vakuolen und damit die Zellexpansion zu steuern. Unsere Forschung konzentrierte sich auf die Rezeptor-ähnliche Kinase FERONIA und ihre Partner, die Leucin-reichen Repeat-Extensine (LRXs), die zusammen die Steifheit der Zellwand erkennen und sowohl das Wachstum als auch die Immunität beeinflussen. Durch unsere Studien konnten wir zeigen, dass der endozytische Transport - das Recycling von Membranen von der Zelloberfläche zur Vakuole - für die schnelle Vergrößerung der Vakuolen unerlässlich ist. Die Blockierung dieses Membranflusses führt zu kleineren Vakuolen und langsamerem Wachstum, was die entscheidende Rolle des endozytischen Transports bei der Expansion von Pflanzenzellen unterstreicht. Darüber hinaus enthüllten wir, dass die Chemie des Pektins, einer Komponente der Zellwand, bestimmt, wie das Peptidhormon RALF1 an die Wand bindet und die FERONIA-abhängige Wachstumshemmung auslöst. Diese Erkenntnis hebt das komplexe Zusammenspiel zwischen der Chemie der Zellwand und den Signalwegen, die das Pflanzenwachstum regulieren, hervor. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass Membran-Recycling, Wandchemie und Proteinabbau eng miteinander verknüpft sind und gemeinsam das Pflanzenwachstum steuern. Unsere Forschung trägt zu einem tieferen Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die der Expansion von Pflanzenzellen zugrunde liegen, und eröffnet neue Wege zur Manipulation des Pflanzenwachstums und der Entwicklung.